摘要
为了研究不同含水率煤样中CO2/N2置换CH4效果的差异性，本文以沁水盆地阳泉矿区15号煤层无烟煤为研究对象，选取0%、0.75%、1.5%、3%四种含水率煤样，采用含瓦斯煤多元气体置换实验装置，分别进行了CH4、CO2、N2三种纯气体在4种含水率煤的等温吸附实验和CO2、N2气体置换不同含水率煤中CH4的高压注入实验。根据实验结果，得出了不同含水率煤样对不同气体的吸附特性，分析了CO2/N2气体置换不同含水率煤中CH4的效果，揭示了不同含水率煤对CO2/N2置换煤中CH4的差异性。具体结论如下： （1）不同含水率煤对CH4、N2和CO2的等温吸附特性。相同含水率煤对不同吸附能力气体的吸附量大小顺序为CO2gt;CH4gt;N2；吸附同一气体时气体吸附量随煤的含水率的加大而减少，吸附气体量：含水率0%煤样＞含水率0.75%煤样＞含水率1.5%煤样＞含水率3%煤样。 （2）高压注气条件下CO2对不同含水率煤中CH4的置换效应。相同吸附平衡压力下，CH4和CO2的吸附量与煤样含水率呈反比关系。高压注CO2置换CH4效果：CH4解吸率、CO2的注置比随着CH4预吸附平衡压力的增加，呈现出先急剧增加后缓慢增加的趋势，过渡点为预吸附平衡压力1.3MPa。其中，当CH4预吸附平衡压力为1.0MPa时，CH4解吸率在含水率0-0.75%、0.75-1.5%和1.5-3%这三个阶段分别下降了4.4%、4.9%和8.2%，而CO2注置比在含水率0-0.75%、0.75-1.5%和1.5-3%这三个阶段分别下降了8%、13.8%和18%，进而可得CH4解吸率、CO2的注置比均与煤的含水率呈负相关关系。 （3）高压注气条件下N2对不同含水率煤中CH4的置换效应。相同吸附平衡压力下，CH4和N2的吸附量与煤样含水率呈反比关系。高压注N2置换CH4效果：CH4解吸率、N2的注置比随着CH4预吸附平衡压力的增加，呈现出先急剧增加后缓慢减少的趋势，拐点为0.75MPa。当CH4预吸附平衡压力为1.0MPa时，N2置换效果分别在煤样含水率0-0.75%、0.75-1.5%和1.5-3%这三个阶段下降了21.5%、25.5%和23.7%。可得，CH4解吸率、N2的注置比均与煤的含水率呈负相关关系。 （4）高压注CO2/N2置换含水煤中CH4的差异性。当CH4预吸附平衡压力为1.3MPa，煤样含水率为1.5%时，注CO2实验的CH4解吸量、CH4解吸率及CO2注置比为3.97cm3/g、20.45%和28.36%，而注N2实验的CH4解吸量、CH4解吸率及N2注置比仅为0.24cm3/g、1.24%和1.71%。对比发现高压注入条件下注CO2比注N2amp;nbsp;置换煤中CH4的效果好。其他实验条件也存在相同的规律。 （5）通过对水分含量影响气体置换煤中CH4的效果研究发现：当CH4预吸附平衡压力为1.0MPa时，CO2注置比在含水率0-0.75%、0.75-1.5%和1.5-3%这三个阶段分别下降了8%、13.8%和18%；N2注置比在含水率0-0.75%、0.75-1.5%和1.5-3%这三个阶段分别下降了21.5%、25.5%和23.7%。预吸附平衡压力为0.5MPa、0.75MPa、1.3MPa、2.0MPa时也存在相同的规律，进而可得水分抑制N2置换煤中CH4的程度比抑制CO2置换煤中CH4的程度更大。 （6）水分对气体置换煤中CH4的影响主要受含水量、煤的表面自由能、水-煤-气分子间的作用力及煤的孔隙结构等因素的综合影响。高压注CO2/N2置换不同含水率煤中CH4实验结果对生产实践的指导意义。
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