电化学强化长焰煤瓦斯解吸规律的试验及其机理研究

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目前促进瓦斯解吸的主要技术有卸压法和外加物理场。卸压法利用卸压产生煤体变形和解除应力屏障以达到促进解吸的目的,但由于煤对瓦斯的吸附性很强,使无应力的状态下煤样中的瓦斯仍然难以解吸。因此,仅通过卸压使煤层瓦斯解吸取得的效果是有限的。外加物理场如声场、电场、电磁场、温度场等在一定程度上能促进瓦斯解吸,为解决瓦斯难以解吸的问题提供了新的思路。长焰煤占中国煤炭资源探明储量的13%,主要集中在西北地区。长焰煤煤层厚度大、煤层气资源量大,加之国外低煤阶盆地煤层气成功的商业开发,使我国开发低煤阶煤层气具有十分良好的前景。目前国内没有形成关于长焰煤瓦斯吸附解吸的系统研究成果,严重制约了低煤阶煤层气的开发。本文鉴于吸附在煤表面上的瓦斯难以充分解吸是当前瓦斯抽放/煤层气抽采面临的核心问题,在前人研究基础上提出一种非力学方法促进长焰煤瓦斯解吸特性的思路,即采用电化学方法强化长焰煤瓦斯解吸特性,并进行了以下研究工作:1.自行研制电化学强化煤瓦斯解吸试验装置,试验装置由注气系统、注液系统、电化学作用系统、温度监控系统和集气系统组成。2.在电化学改性装置上,对块度为10~15mm的长焰煤煤样进行电位梯度为 1V·cm-1,电解液浓度分别为 Omol·L-1、0.05mol·L-1、0.1mol·L/1、0.25mol·L-1、0.5mo·L-1等条件下的电化学改性试验;电解液浓度为0.05mol·L-1,电位梯度分别为 OV·cm-0.5V·cm-1、1V·cm-2V·cm-1、4V·cm-1等条件下的电化学改性试验。试验结果表明电化学改性后阳极区域、中间区域、阴极区域煤样的孔隙率、孔容、平均孔径随着Na2S04电解液浓度、电位梯度的增加呈指数规律增加;但比表面积随着Na2S04电解液浓度、电位梯度的增加呈负指数规律减少。3.通过傅里叶红外光谱仪、电泳仪、接触角测量仪测试电化学改性前后长焰煤煤样的含氧官能团含量、表面电动电位、煤-水接触角等表面特性参数。结果表明电化学改性后阳极区域、中间区域、阴极区域煤样的含氧官能团含量、表面电动电位、煤-水接触角随着Na2S04电解液浓度、电位梯度的增加先减小后出现波动。煤样含氧官能团数量、表面电动电位、煤-水接触角在电解液浓度为0.05~O.1mol·L-1时,降幅最大;在0.1~0.5mol·L-1时,降幅出现波动;在电位梯度为0.5~1V·cm-1时,降幅最大;在1~4V·cm-1时,降幅出现波动。4.在自行研制的电化学强化煤瓦斯解吸试验装置上对80mm× 80mm ×150mm的长焰煤煤样进行电位梯度为1V·cm-1,电解液浓度分别为Omol·L-1、0.05mol·L-1、0.1mol·L-1 0.258mol·L-1、0.5mol·L-1 等条件下的电化学强化煤瓦斯解吸试验;电解液浓度为0.05mol·L-1,电位梯度分别为OV·cm-10.5V·cm-1、1V·cm-12V·cm-1、4V.cm-1等条件下的电化学强化煤瓦斯解吸试验。试验结果表明煤样解吸量随着电解液浓度、电位梯度的增大强化解吸量先增大后减小。
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