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发布时间:2026-04-07
随着煤矿开采向深部延伸,地应力对煤层瓦斯赋存状态和赋存规律的影响作用愈加明显,为了更好地研究受载煤体的瓦斯吸附动力学特性,开展了煤样在不同围压、轴压下的等温吸附试验,分别采用准一级、准二级、Elovich 以及 Bangham 吸附动力学模型对试验结果进行拟合和分析,探讨了受载煤体的吸附动力学特征,为进一步探索深部煤层瓦斯赋存状态及规律提供了理论依据。研究表明:随着吸附的进行,吸附量增大且变化趋势逐渐放缓,瓦斯吸附速率逐渐降低;外加荷载越大,瓦斯平衡吸附量减小;4 种吸附动力学模型中,Bangham 动力学模型能更好地描述围压影响下的煤体瓦斯吸附动力学特征,准一级吸附动力学模型能更好地描述轴压影响下的煤体瓦斯吸附动力学特征;平衡吸附量参数同外加荷载呈负幂函数关系,吸附速率参数同外加荷载呈负相关关系。
煤层瓦斯赋存形式主要包括游离态和吸附态,其中 90% 以上的瓦斯以吸附态存在。我国深部煤层瓦斯资源丰富,但由于深部高应力条件下煤层地质条件复杂,煤层瓦斯抽采困难,阻碍了煤矿安全生产以及瓦斯能源的高效利用。为了揭示煤层瓦斯吸附规律,国内外学者们从水分、温度、粒度和变质程度等多方面对瓦斯吸附动力学开展了大量研究。赵东等基于吸附动力学理论,对不同含水率煤体的定容吸附速率进行了研究。李树刚等根据不同吸附动力学模型中相关参数的变化规律,探讨了不同温度下的煤吸附瓦斯动力学特征;WANG 等通过物理模拟研究了低温对碎煤中甲烷吸附容量和动力学性质的影响;刘操等开展了不同温度下二氧化碳等温吸附试验;马金魁开展了不同粒径颗粒煤的吸附试验,研究表明了煤粒径越小,对瓦斯的吸附越容易且吸附量越大;PONE 等通过研究煤中甲烷和二氧化碳在粉状和非粉状受限煤中的吸附和扩散,发现煤样的应力状态对煤中气体的吸附能力和动力学特性均有影响;WANG 等研究了煤样的变质程度对甲烷和二氧化碳吸附动力学的影响,表明与煤的表面化学和孔隙结构有关;HAN 等发现不同灰分煤样的吸附等温线趋势及吸附动力学特性有所差别,但不同加载方式下的煤瓦斯吸附规律及影响机理尚不明确;杨明等开展了高阶煤在不同围压下的瓦斯吸附试验,发现随着围压增大,吸附饱和量和吸附初速度均逐渐降低;陈结等验证了软煤和硬煤在三轴应力条件下对甲烷气体的吸附曲线符合 Langmuir 方程;唐巨鹏等、李小春等在有效应力对煤层气解吸影响试验研究中发现,随着有效应力的增加,煤对瓦斯的吸附解吸量呈下降趋势。
综合以上分析,虽然对影响煤吸附瓦斯机理的多种因素进行了研究,但是关于应力对瓦斯吸附动力学特性和相关参数的影响,以及在描述受载煤体的吸附动力学模型方面研究不多。另外,大部分学者采用颗粒煤开展研究,改变了原始煤的孔隙结构,难以模拟在原位条件下的吸附。为此,以柱状原煤为试验煤样,试验测定 1 MPa 吸附平衡压力下受载煤样吸附过程中的吸附量数据;选用准一级吸附动力学模型、准二级吸附动力 学 模 型、Elovich 动 力 学 模 型、Bangham动力学模型对试验数据进行拟合和优选;结合吸附量和吸附速率参数的变化规律,探讨不同受载条件下原煤吸附瓦斯动力学特征,研究结果对进一步完善瓦斯吸附理论、探索深部煤层瓦斯赋存状态及规律等方面具有重要的实际意义。