煤体瓦斯热力学

本书详细地阐述了煤体与甲烷相互作用的热量变化物理机制，以及温度对煤体中甲烷解吸及运移的控制机制。本书分为相对独立的上下两篇。上篇主要讲述煤体与甲烷的热物理作用，包括吸附热理论、煤的非均匀势阱理论及基于红外热成像的煤中甲烷富集的分形规律；下篇主要讲述温度与水对煤吸附特性的影响规律，以及温度和应力共同作用下煤体中气液两相流动规律。本书可供从事煤矿安全、瓦斯灾害防治、煤层气开采等领域的科技工作者参考，也可供相关专业的研究生、本科生参考。

前言
第一章煤体瓦斯热力学引论1
1.1煤体瓦斯热力学的基本概念1
1.2煤体瓦斯热力学研究构架2
参考文献5
上篇煤体与甲烷的热物理作用
第二章甲烷分子间的相互作用及凝聚现象9
2.1分子间的相互作用9
2.1.1甲烷的分子结构特征9
2.1.2分子间作用力9
2.1.3几种常用的势能模型11
2.1.4系综理论16
2.2气-液凝聚现象19
2.2.1范德瓦耳斯方程对理想气体方程的修正20
2.2.2范德瓦耳斯方程的统计力学解释22
2.2.3其他状态方程26
2.2.4等温线26
2.2.5临界现象29
2.3凝聚热理论计算31
2.3.1克劳修斯-克拉珀龙方程31
2.3.2范德瓦耳斯方程常数得到的凝聚热32
参考文献33
第三章煤与甲烷的吸附现象及吸附热36
3.1煤体的基本特性36
3.1.1煤的分子结构特征36
3.1.2煤体的孔隙与裂隙结构特征37
3.1.3煤体表面特征44
3.2固-气吸附现象46
3.2.1朗缪尔方程——单分子层吸附47
3.2.2BET方程—多分子层吸附56
3.2.3吸附等温线58
3.2.4固-气吸附的影响因素62
3.3吸附热理论63
3.3.1等量吸附热64
3.3.2吸附势理论65
3.3.3两能态简化模型67
3.3.4朗缪尔单分子层统计力学模型70
3.3.5模型之间的联系和区别73
3.3.6化学势对吸附热的影响76
参考文献77
第四章煤的非均匀势阱吸附甲烷规律79
4.1煤的非均匀势阱吸附甲烷理论模型79
4.2煤的非均匀势阱吸附甲烷特征实验研究81
4.2.1非均匀势阱煤体吸附甲烷规律82
4.2.2温度与吸附压力对煤与甲烷吸附热的影响83
4.3基于吸附动力学的煤非均匀势阱吸附甲烷特征数值模拟86
4.3.1煤与甲烷模型建立与吸附过程数值模拟86
4.3.2非均匀势阱的等温吸附特征88
4.3.3非均匀势阱的等压吸附特征90
4.3.4覆盖率对压力与温度的敏感性92
4.3.5煤与甲烷非均匀势阱等温吸附方程93
4.4非均匀势阱煤体的甲烷吸附量计算方法95
4.4.1非均匀势阱煤体的等温甲烷吸附过程中朗缪尔参数a与b的变化规律95
4.4.2朗缪尔方法与非均匀势阱煤体的甲烷吸附量计算精度98
4.5甲烷分子在孔喉空间的通过性102
4.5.1甲烷在孔喉空间的势能103
4.5.2含微孔孔喉的阻塞孔特性107
4.5.3甲烷分子在微孔孔喉通过性的影响因素108
4.6微孔孔喉对甲烷吸附/解吸动力学特性的影响110
4.6.1含孔喉结构微孔解吸甲烷的数值模型110
4.6.2微孔孔喉对甲烷解吸动力学特性的影响111
4.6.3微孔孔喉对甲烷解吸滞后特征的影响114
参考文献115
第五章煤体细观结构吸附甲烷特征117
5.1煤体细观结构的观测研究117
5.1.1材料的细观结构及其研究方法117
5.1.2煤样制备与SEM-EDS测试119
5.1.3煤样CT与表面层提取方法120
5.2煤岩细观结构特征与分类122
5.2.1煤岩SEM-EDS特征及其分类122
5.2.2基于EDS面扫描的煤细观结构定量化描述126
5.2.3基于CT扫描煤岩密度分布特征132
5.3煤体细观结构吸附/解吸甲烷温度变化规律132
5.3.1煤吸附/解吸甲烷红外热成像实验研究132
5.3.2煤吸附/解吸甲烷温度变化的非均匀特征134
5.3.3煤不同细观结构温度变化特征138
5.4甲烷在煤体细观结构的分布与演化142
5.4.1煤中不同细观结构的非均匀势阱分布特征142
5.4.2煤中甲烷分布特征随吸附压力变化规律144
5.4.3煤中甲烷富集区域分布的分形特征147
参考文献150
下篇热与水作用下煤体中甲烷运移
第六章高温条件下煤吸附/解吸甲烷特性实验153
6.1高温吸附/解吸的实验153
6.1.1高温吸附实验装置153
6.1.2试样的选取和加工155
6.1.3高温吸附/解吸实验155
6.2煤体高温吸附/解吸甲烷的特征157
6.2.1定压、定容解吸特性分析157
6.2.2温度、压力共同作用的煤体解吸甲烷机制162
6.2.3定容、定压吸附特性分析164
6.2.4等温吸附特性分析166
6.3结合吸附理论对结果的综合分析讨论168
6.3.1吸附模型的确定168
6.3.2吸附参数a、b的分析和讨论169
6.3.3温度单一因素对吸附参数a、b的影响170
参考文献170
第七章水作用下高温煤体解吸甲烷的特性172
7.1水作用下高温吸附/解吸实验172
7.1.1含水煤高温吸附实验装置172
7.1.2含水煤高温吸附实验介绍175
7.2水作用下高温解吸实验结果175
7.2.1实验数据和参数的定义175
7.2.2瓦斯解吸率随温度的变化规律176
7.2.3试样累计解吸率随温度的变化179
7.3水作用下甲烷高温解吸特性179
7.3.1温度对煤体解吸性的影响及规律179
7.3.2多种煤层气开采方案的效率对比181
7.4含水煤体定容吸附实验182
7.4.1实验样品、装置及实验过程182
7.4.2吸附速率和吸附能力分析183
7.4.3预先水作用的煤体吸附性讨论187
7.4.4煤体预先含水吸附的微观机制研究188
参考文献190
第八章煤层气气液两相流动界面模型及渗流191
8.1气液两相流动界面理论191
8.2气液两相流动界面模型194
8.2.1不计压缩性两相驱替界面模型194
8.2.2压缩性两相驱替界面模型196
8.2.3拟压力函数方程驱替界面模型200
8.3气液两相流动界面模型验证203
8.3.1非稳态气水两相流实验203
8.3.2不计压缩性两相驱替界面模型数值模拟207
8.3.3压缩性两相驱替界面模型数值模拟211
8.3.4拟压力函数方程驱替界面模型数值模拟215
参考文献220
第九章温度应力作用下煤体气液两相流动221
9.1温度控制下气液两相流实验221
9.1.1气液两相流实验设备及试件221
9.1.2气液两相流实验方案与步骤222
9.2温度对气液两相渗流过程的影响223
9.2.1温度对产液阶段的影响223
9.2.2温度对气液两相渗流各阶段的影响224
9.3温度作用下气液两相流体渗流规律228
9.3.1温度对单相流体渗流影响228
9.3.2温度对气液两相相对渗透率的影响232
9.4温度及应力作用下气液两相流变化规律234
9.5气液两相产出过程温度敏感性分析235
参考文献237