低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析.PPT

低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,李树刚西安科技大学二零一零年五月,主要内容,一、研究背景二、试验设备三、试验结果四、试验结果分析五、振动对瓦斯扩散及煤样吸附位的影响六、主要结论,低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,研究背景,一,煤层瓦斯解吸特性受到多种因素的影响。研究不同因素影响下煤体的瓦斯解吸特性，对于认识煤层瓦斯的运移，瓦斯突出机理以及煤层气开采等都具有十分重要的意义。国内外许多学者对于地电场、温度、地应力、电磁波等对煤层瓦斯解吸的影响规律做了大量的试验研究，但对低频振动作用下煤层瓦斯的解吸规律的研究还很少。,一、研究背景,低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,试验设备,二,试验装置图,二、试验设备,1气体钢瓶；2减压阀；3WY-98瓦斯常数测定仪；4外置吸附罐；5恒温水箱；6气体压力传感器；7力传感器；8压力变送器；9信号调整器；10功率放大器；11扫频信号发生器；12数据采集存储器；13电动式激振器；14激振器支座；15试验台架。,电动式激振器和吸附装置,二、试验设备,功率放大器、电荷放大器、扫频信号发生器和数据采集设备,二、试验设备,试验装置由WY-98瓦斯常数测定仪、外置吸附/解吸装置、激振系统、信号采集系统等4部分组成。WY-98瓦斯常数测定仪用来监测外置吸附罐内的压强变化，测定吸附罐的温度。外置吸附/解吸装置主要由外置吸附罐、支架装置、恒温水箱、密封橡胶导管组成。气体由高压气瓶通过减压阀，流入瓦斯常数测定仪的内置吸附罐，再经橡胶导气管进入外置吸附罐。,二、试验设备,激振器及其支架和吸附罐的支架固定在同一底座上，电动式激振器带动螺杆对外置吸附罐及其支架施加激振力。信号采集系统主要由电荷放大器、传感器、信号采集器和计算机组成。,二、试验设备,试验结果,三,低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,在10Hz、20Hz、30Hz三个不同频率作用下，每次均充入吸附罐2.08MPa的瓦斯气体，温度恒定不变，由试验获得曲线如下图。,三、振动作用下煤体解吸试验研究,无扰动作用下和在扰动作用下吸附罐内解吸量与时间曲线,试验结果表明,低频振动能阻碍瓦斯气体解吸，其原因之一是振动使煤样的孔隙分布不断变化，孔隙度减小，导致瓦斯气体扩散阻力增大。同时在振动作用下，煤样内部形成细小的孔隙层，使煤样内部的压力差变小，阻碍了瓦斯的扩散。振动频率越小，浓度梯度就相对越大，扩散速度也就相对较大。另一原因是振动增加了煤样的内部吸附位。,三、振动作用下煤体解吸试验研究,由试验结果计算的解吸强度曲线如右图所示。解吸速度随时间变化而逐渐减小，在最初的2分钟内，煤样解吸强度均有大幅的衰减。当振动频率越大时，衰减速度越慢。总体上，解吸速度、衰减系数随时间变化逐渐减小。但无论振动频率多大，在解吸时间超过12分钟以后，解吸速度基本上接近。,三、振动作用下煤体解吸试验研究,不同振动频率作用下甲烷解吸强度曲线,试验结果分析,四,低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,无扰动作用时，瓦斯的解吸速度表达式为,四、试验结果致因分析,,,,,,,上式表明解吸量与煤的孔隙性和扩散性有关，解吸速度随着时间的增加而逐渐减小。,当考虑低频扰动作用时，吸附罐处于稳态受迫振动中，从微观角度进行分析，煤样的渗透率与煤样所受到的有效应力和煤样的温度有下列关系,四、试验结果致因分析,,,,,,,,,,,四、试验结果致因分析,,,,,,,上式表明渗透率与煤样内部的压力差成正指数关系，t0时刻煤样两端的压差最大，故其渗透率也大，渗透也就越快。随着时间的增加，煤样两端的压差逐渐减小，故其渗透率也逐渐减小，渗透也就越慢。瓦斯在煤样中的扩散作用符合Fick第一定律,,,,,,,,上式表明扩散速率与瓦斯气体的浓度梯度有关。,四、试验结果致因分析,,,,,,,试验开始时，煤样表层的瓦斯浓度与煤样内部孔隙中的浓度差比较大，瓦斯的渗透率和扩散系数就大，解吸速率也就越大。随着浓度差的减小，瓦斯的渗透率减小，扩散速率就变小，解吸速率和衰减系数也就减小，因此出现图中的解吸速度随时间变化特性。在无扰动时，渗透率比扰动作用下大，煤样内部气体压力降低快，扩散比在振动时快。因而解吸速度就较大，随着瓦斯浓度差的逐渐减小，解吸速度和衰减系数就逐渐变小。,,,,,,,,四、试验结果致因分析,,,,,,,从宏观角度进行分析，激振器的驱动力在一个周期内对外置吸附罐所做的功为,,,,,,,,,振动的振幅A和频率有下列关系,,由上两式可知当w变小时，A变大。由（1）可知驱动力所做的功就越多。,四、试验结果致因分析,,,,,,,煤样所获得的能量E为,,,,,,,,,v为吸附罐的振动速度，可表示为,,W越小时，v越小，从而煤样所获得的能量就越大。煤与瓦斯所构成的吸附伴生分子所获得的脱附能能量就越大，并且在振动作用下煤样内部发生相对运动，在运动层面上形成细小的孔隙,,,四、试验结果致因分析,,,,,,,,,,,,,,,,层。频率越小，振幅越大，孔隙层就越长，并且变化越慢，煤样内部孔隙中的浓度压力差就越大，从而渗透率相对较大，瓦斯分子就越容易脱附。在无扰动时，虽然吸附伴生分子没有受到脱附能，但由于煤样原有的孔隙性没有受到破坏，渗透率较大，解吸速度就较快，解吸量就越大。有扰动作用时，煤样不断受到压应力作用，煤样的孔隙性变小，扩散阻力变大，同时形成了孔隙层，煤样内部孔隙中的浓度压力差相对较小，使渗透率降低，从而,,,四、试验结果致因分析,,,,,,,,,,,,,,,,不利于瓦斯分子的解吸。同时不断的振动，增加了煤样内部的吸附位，使解吸速度减慢。,,,低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,振动对瓦斯扩散及煤样吸附位的影响分析,五,五、振动对瓦斯扩散及煤样吸附位的影响分析,,,,,,,,,,,,,,,,1振动影响瓦斯的扩散对吸附罐施加低频的激振力时，使煤体介质不断受到挤压作用，导致煤体中毛细管半径减小，孔隙率降低，孔隙平均直径变小。另一方面瓦斯分子平均自由程λ会随压力的减小而增大。在无振动时，由于煤样微孔裂隙没有被破坏，煤样的解吸速率会大于在振动作用下的解吸速率，使吸附罐中游离瓦斯增大，导致煤样中孔隙压力差比无振动时大，瓦斯分子平均自由程λ相对较小。,,,,五、振动对瓦斯扩散及煤样吸附位的影响分析,,,,,,,,,,,,,,,,孔隙平均直径和气体分子平均自由程与扩散的关系为振动降低了煤中孔隙、裂隙的数量，同时瓦斯气体的分子相对较大，从而减小瓦斯气体的扩散能力。,,,,五、振动对瓦斯扩散及煤样吸附位的影响分析,,,,,,,,,,,,,,,,2振动增加了煤样的吸附位在振动的作用下，由于煤体内部形成细小的数层小孔隙。增大了煤样的比表面积，内部吸附位也随着增多，因而瓦斯分子就越不容易被解吸。振动频率越大，内部吸附位就越多,煤样内部的压力差就越小,从而渗透率减小，使解吸速度就变慢。在没有振动作用下，主要是靠煤样表层分子对瓦斯提供吸附位。吸附罐内气体压强变化率比在振动作用时大，即煤样表层被分子覆盖率大，瓦斯分子就越不容易被吸附，煤样内部的压力差就变化较大，解吸速度就快，从而相同时间内解吸量就多。,,,低频振动作用下煤样解吸瓦斯特性分析,结论,六,六、结论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,低频振动阻碍了瓦斯的解吸，从而影响了瓦斯的解吸平衡时间。随着振动频率升高，瓦斯解吸量和解吸速率减小，衰减速度减慢。振动作用时，煤样的渗透率相对较小，扩散系数相对较小，因而解吸速率较小。振动频率越大，煤样内部的浓度梯度也就越小，渗透率和扩散速率也就越低，解吸速率也就越慢。低频振动阻碍瓦斯解吸的机理主要是在振动作用下，形成细小的数层孔隙，同时煤样内部的孔隙度变小，煤样内部的吸附位增加。,祝大家工作顺利,谢谢,