控制煤与瓦斯突出,是复杂煤层开采遇到的难题。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必要的,它将有助于进一步揭示煤与瓦斯突出现象的本质。然而,时至今日,国内外有关学者对温度对煤吸附甲烷能力的影响所进行的大量研究工作,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。本文针对注水冻结石门揭煤方法所涉及的科学问题,首先对WY-98A瓦斯常数测定仪进行改造,使之能够进行低温实验。然后,利用该设备对裕民煤样、坦家冲煤样、一平硐煤样和利人煤样进行大量常温和低温吸附试验,同时进行冻结煤体单轴抗压强度实验。通过与煤对甲烷的常温吸附实验结果作对比及冻结煤体单轴抗压强度实验,得出了以下结论:(1)用改造后的WY-98A仪器与原仪器的实验结果对比显示设备的可靠性,同时原设备具有可扩展性。(2)用改造后的WY-98A吸附常数测定仪,首次获取了低温条件下(T≤0℃)煤对CH4吸附常数a、b值。通过数据拟合,发现当温度T≤0℃时,煤对CH4等温吸附曲线仍属于第Ⅰ类吸附等温线,可以用Langmuir方程来表征煤对CH4的低温吸附。(3)在低温阶段,同一煤样在相同压力下,吸附量与温度呈负相关关系。随着温度降低,煤吸附甲烷的能力提高。压力越大,煤体吸附量随吸附温度变化趋势越明显;压力较低时,吸附量随压力增大呈线性的增长,随后吸附速度不断的衰减,当压力达到一定值时,煤对CH4气体的吸附能力达到饱和,此后再增加压力吸附量不再增加。这与于洪观的结论:“煤对混合气体CH4吸附量并不随着压力的增加而增加,而是随着压力的增加而增加到最大值后随着压力的增加吸附量略降低”基本一致。(4)在低温阶段(T≤0℃)煤的Langmuir常数a的值明显高于常温阶段(T=30℃)常数a的取值。在相同温度变化趋势下,不同煤的吸附常数a的变化趋势不同;煤体吸附量越大,吸附量随温度变化的趋势越剧烈。(5)建立起饱和吸附量a与温度T的相关关系;a与T的相关关系为预测深部的煤层吸附甲烷含量提供了可能。若先预测到某深度的地温和煤级,选适宜的方程可以计算该处a值。(6)通过注水冻结成型煤样的单轴抗压强度实验,发现其受压后变形分为四个阶段:压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段。随着冻结温度降低,成型煤样的单轴抗压强度和弹性模量都明显增大;泊松比的变化不明显,但整体成增大趋势。(7)吸附数据拟合比较发现利用指数函数对吸附过程实验数据进行拟合可信度最高,利用幂函数拟合精度最小。由此表明,在用计算机模拟煤层气抽采时用指数函数描述煤层瓦斯含量所得到的结果更准确。