硕士研究生论文答辩

硕士研究生论文答辩 湖南科技大学 2007级硕士学位论文预答辩 低温对煤吸附甲烷及煤体力学性 能 影响的实验研究 答辩人: 答辩人: 专业: 专业:采矿 学号: 学号: 0701102 指导老师: 指导老师:88 教授 湖南科技大学 3 1 2 3 3 4 3 5 3 6 3 绪 论 实验设备改造 煤样的工业分析 甲烷低温吸附实验及结果分析 冻结对煤体力学性能影响 结论与展望 湖南科技大学 第一章 1 2 3 绪论 研究的理论意义和现实意义 吸附理论研 究现状 本文研究的主要内容 研究的理论意义和现实意义 控制煤与瓦斯突出，是复杂煤层开采遇到的难。煤 层瓦斯含量大小是决定矿井瓦斯涌出量的主要因素，也 是确定煤与瓦斯突出危险性的重要指标之一。因此，深 人研究瓦斯在煤体中的赋存状态，特别是瓦斯含量以及 吸附瓦斯和游离瓦斯在煤层中的分布情况，对于掌握煤 层中瓦斯潜能的大小及其可能的作用情况是十分重要的， 它将有助于进一步揭示煤与瓦斯突出现象的本质。 研究的理论意义和现实意义 然而，时至今日，国内外学者对温度对煤吸附甲烷能 力的影响所进行的研究工作，主要集中在常温(30?)以 上，而对于低温(?0?)对煤吸附CH4的影响还未见报 道。因此，研究低温条件下煤对CH4吸附量与温度的关系， 温度对煤的瓦斯吸附量影响程度及其计算，同时研究 冻结对煤体力学性能的影响是十分有意义的。 吸附理论研究现状 目前人们对煤吸附甲烷机理的研究主要是一些等温吸附理论，如 Langmuir单分子层吸附理论、BET多分子层理论、Freundlich理论、 Polomyi吸附势理论及微孔填充理论等，而S.Brunauer等将等温吸附 曲线归纳为五种类型 ，如下图: 吸附理论 单分子层Langmuir吸附模型 单分子层Langmuir吸附模型 Langmuir Langmuir在1916年就首先提出了固体对气体的吸附 理论，属于I型吸附等温线，它是目前广泛应用于煤 层气(瓦斯)吸附的状态方程: abp Q= 1 + bp 可以看出:压力p越大，吸附量Q就越大，越利 于煤层气的吸附聚集。随着压力降低，甲烷解吸。 吸附理论研究现状 多分子层吸附理论-B.E.T方程 多分子层吸附理论-B.E.T方程 Brunauer、Emmett和Teller 三人于1935年根据吸附 与解吸平衡动力学导出吸附等温方程式，通称BET方 程式: V cx = V0 (1 ? x ) ?1 + ( c ? 1) x ? ? ? 该方程适用于无孔或含有中孔的固体，用于描述多分 子层吸附。BET方程已被普遍作为测量吸附剂比表面积 的主要工具，适用于描述?型等温线。 吸附理论研究现状 微孔填充理论 对有些微孔介质(如煤、活性炭等)，其孔径尺寸与被吸 附分子的大小相当，吸附则可能发生在吸附剂的内部空间， 即吸附质分子在微孔体积内的凝聚而不是表面分子层的吸 附。为此Dubinin及其合作者早在40年代就提出了著名的 微孔填充理论来描述这类吸附过程。后来Dubinin及其它 学者又进一步发展和完善了微孔填充理论[13]，提出了著 名的D—A(Dubini—Astakhov)吸附等温方程式: — — n ? Q = Qmax × exp ? ? A ? E ? ? ? ( ) ps p A = RT × ln n( ) 身并不提供描述吸附等温线的公式，往往需要采用图解法 计算。 DR(DA)方程能够很好地描述?型等温线。该模型本 本文研究的主要内容 1 3 2 3 3 4 3 5 3 样品的采集及制备方法。 WY-98A型吸附常数测定仪的改造，使之能够进行低温瓦斯吸附 实验。 对不同温度(-10?,30?)、不同压力下煤样吸附CH4的实验 结果进行对比分析，考查煤在低温条件下的吸附特征。 冻结煤体力学性能实验。 结合低温条件下瓦斯吸附特征，为用注液冻结法抑制石门揭煤过 程煤与瓦斯突出提供理论支持。 技术路线 技术 湖南科技大学 第二章 设备改造 1 改造 2 气密性检查 3 对比试验 改造方案 增加2个与原设备上规格完全一样的煤样罐、不锈钢水浴 槽(我们把此水浴槽称作水浴槽A，把设备上原来的水浴槽 称作水浴槽B)、-50?—100?温度传感器、以及连接铜管、 接头等配件(新增加的铜管长度等于原来设备上和煤样罐相 连的铜管长度);自制一个温度控制开关。原理图如下: 改造方案 改造方案 温度传感器 显示屏 气密性检验 ? 方法:事先把不锈钢金属水浴槽A注满水,使煤样罐浸没在水 中，然后拧开高压瓦斯钢瓶开关，把事先配制好的清洁剂水溶 液涂抹在管路接口处，注意观察这些地方及水浴槽是否有气泡 冒出,若有,则说明漏气。注意清洁剂的对水比例通常是1:3或1:4， 太稀薄查渗不行，太粘稠，小漏点查不出。 对比试验 金竹山煤样改造前吸附等温曲线 金竹山煤样改造后吸附等温曲线 对比试验 南阳庙煤样改造前吸附等温曲线 南阳庙煤样改造后吸附等温曲线 对比试验 结果对比 改造前langmuir方 程拟合 Q= abp 1 + bp 相关 系数 R 0.9999 1.0 改造后langmuir方 程拟合 Q= abp 1 + bp 相关系 数 R 煤样 竹 金山 南阳庙 a 24.8886 27.4954 b 3.2079 2.3546 a 24.1074 27.9972 b 2.6575 2.4003 0.9999 1.0 结论:与原WY-98A设备的实验结果对比显示改造设 备是可靠的，同时也体现出原设备的可扩展性。 第四章 低温吸附试验及结果分析 煤样工业分析 编号 1# 2# 3# 4# 煤样 裕民 煤 矿 坦家 冲 一平 硐矿 利人 煤矿 地点 6煤12610工 作面 6煤2261-2 采区 5煤21 采区 5煤6采区 Mad(%) Aad(%) Vdaf (%) TRD TCD R0(%) ) 3.25 4.11 2.09 19.0 6.0 15.12 3.89 22.84 5.10 7.00 4.52 7.07 1.59 1.57 1.56 1.67 1.37 13.9 1.40 10.83 1.44 1.59 7.69 4.79 表 煤样吸附数据 Tab Adsorption data of coal sample 吸附实验结果 坦家冲煤样吸附图 利人煤样吸附图 吸附实验结果 裕民煤样吸附图 一平硐煤样吸附图 结论 吸附等温线: 吸附等温线: 1、当温度T?0?时，煤对CH4等温吸附曲线仍属于第 ?类吸附等温线，由此可知煤对CH4的低温吸附模型也可 以用Langmuir方程来表征，煤样的Langmuir常数见下表 。 2、同一温度条件下压力越高吸附量越大;相同压力条 件下，同一煤样的吸附量随温度的升高而降低; 的吸附量随温度的升高而降低; 结论 温度对吸附CH4的影响 温度对吸附CH4的影响 CH4 根据在相同压力、不同温度条件下获得的吸附量，发现 同一样品在相同压力条件下，吸附量与温度呈负相关关系(如 下图)，压力越低，相关性越好，压力不同线性公式中的系数 不同，呈有规律的变化。利用线性方程可以计算出等压条件 下任一温度的吸附量。 45 40 35 30 25