●前言
第一章煤體瓦斯熱力學引論1
1.1煤體瓦斯熱力學的基本概念1
1.2煤體瓦斯熱力學研究構架2
參考文獻5
上篇煤體與甲烷的熱物理作用
第二章甲烷分子間的相互作用及凝聚現像9
2.1分子間的相互作用9
2.1.1甲烷的分子結構特征9
2.1.2分子間作用力9
2.1.3幾種常用的勢能模型11
2.1.4繫綜理論16
2.2氣-液凝聚現像19
2.2.1範德瓦耳斯方程對理想氣體方程的修正20
2.2.2範德瓦耳斯方程的統計力學解釋22
2.2.3其他狀態方程26
2.2.4等溫線26
2.2.5臨界現像29
2.3凝聚熱理論計算31
2.3.1克勞修斯-克拉珀龍方程31
2.3.2範德瓦耳斯方程常數得到的凝聚熱32
參考文獻33
第三章煤與甲烷的吸附現像及吸附熱36
3.1煤體的基本特性36
3.1.1煤的分子結構特征36
3.1.2煤體的孔隙與裂隙結構特征37
3.1.3煤體表面特征44
3.2固-氣吸附現像46
3.2.1朗繆爾方程——單分子層吸附47
3.2.2BET方程—多分子層吸附56
3.2.3吸附等溫線58
3.2.4固-氣吸附的影響因素62
3.3吸附熱理論63
3.3.1等量吸附熱64
3.3.2吸附勢理論65
3.3.3兩能態簡化模型67
3.3.4朗繆爾單分子層統計力學模型70
3.3.5模型之間的聯繫和區別73
3.3.6化學勢對吸附熱的影響76
參考文獻77
第四章煤的非均勻勢阱吸附甲烷規律79
4.1煤的非均勻勢阱吸附甲烷理論模型79
4.2煤的非均勻勢阱吸附甲烷特征實驗研究81
4.2.1非均勻勢阱煤體吸附甲烷規律82
4.2.2溫度與吸附壓力對煤與甲烷吸附熱的影響83
4.3基於吸附動力學的煤非均勻勢阱吸附甲烷特征數值模擬86
4.3.1煤與甲烷模型建立與吸附過程數值模擬86
4.3.2非均勻勢阱的等溫吸附特征88
4.3.3非均勻勢阱的等壓吸附特征90
4.3.4覆蓋率對壓力與溫度的敏感性92
4.3.5煤與甲烷非均勻勢阱等溫吸附方程93
4.4非均勻勢阱煤體的甲烷吸附量計算方法95
4.4.1非均勻勢阱煤體的等溫甲烷吸附過程中朗繆爾參數a與b的變化規律95
4.4.2朗繆爾方法與非均勻勢阱煤體的甲烷吸附量計算精度98
4.5甲烷分子在孔喉空間的通過性102
4.5.1甲烷在孔喉空間的勢能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過性的影響因素108
4.6微孔孔喉對甲烷吸附/解吸動力學特性的影響110
4.6.1含孔喉結構微孔解吸甲烷的數值模型110
4.6.2微孔孔喉對甲烷解吸動力學特性的影響111
4.6.3微孔孔喉對甲烷解吸滯後特征的影響114
參考文獻115
第五章煤體細觀結構吸附甲烷特征117
5.1煤體細觀結構的觀測研究117
5.1.1材料的細觀結構及其研究方法117
5.1.2煤樣制備與SEM-EDS測試119
5.1.3煤樣CT與表面層提取方法120
5.2煤岩細觀結構特征與分類122
5.2.1煤岩SEM-EDS特征及其分類122
5.2.2基於EDS面掃描的煤細觀結構定量化描述126
5.2.3基於CT掃描煤岩密度分布特征132
5.3煤體細觀結構吸附/解吸甲烷溫度變化規律132
5.3.1煤吸附/解吸甲烷紅外熱成像實驗研究132
5.3.2煤吸附/解吸甲烷溫度變化的非均勻特征134
5.3.3煤不同細觀結構溫度變化特征138
5.4甲烷在煤體細觀結構的分布與演化142
5.4.1煤中不同細觀結構的非均勻勢阱分布特征142
5.4.2煤中甲烷分布特征隨吸附壓力變化規律144
5.4.3煤中甲烷富集區域分布的分形特征147
參考文獻150
下篇熱與水作用下煤體中甲烷運移
第六章高溫條件下煤吸附/解吸甲烷特性實驗153
6.1高溫吸附/解吸的實驗153
6.1.1高溫吸附實驗裝置153
6.1.2試樣的選取和加工155
6.1.3高溫吸附/解吸實驗155
6.2煤體高溫吸附/解吸甲烷的特征157
6.2.1定壓、定容解吸特性分析157
6.2.2溫度、壓力共同作用的煤體解吸甲烷機制162
6.2.3定容、定壓吸附特性分析164
6.2.4等溫吸附特性分析166
6.3結合吸附理論對結果的綜合分析討論168
6.3.1吸附模型的確定168
6.3.2吸附參數a、b的分析和討論169
6.3.3溫度單一因素對吸附參數a、b的影響170
參考文獻170
第七章水作用下高溫煤體解吸甲烷的特性172
7.1水作用下高溫吸附/解吸實驗172
7.1.1含水煤高溫吸附實驗裝置172
7.1.2含水煤高溫吸附實驗介紹175
7.2水作用下高溫解吸實驗結果175
7.2.1實驗數據和參數的定義175
7.2.2瓦斯解吸率隨溫度的變化規律176
7.2.3試樣累計解吸率隨溫度的變化179
7.3水作用下甲烷高溫解吸特性179
7.3.1溫度對煤體解吸性的影響及規律179
7.3.2多種煤層氣開采方案的效率對比181
7.4含水煤體定容吸附實驗182
7.4.1實驗樣品、裝置及實驗過程182
7.4.2吸附速率和吸附能力分析183
7.4.3預先水作用的煤體吸附性討論187
7.4.4煤體預先含水吸附的微觀機制研究188
參考文獻190
第八章煤層氣氣液兩相流動界面模型及滲流191
8.1氣液兩相流動界面理論191
8.2氣液兩相流動界面模型194
8.2.1不計壓縮性兩相驅替界面模型194
8.2.2壓縮性兩相驅替界面模型196
8.2.3擬壓力函數方程驅替界面模型200
8.3氣液兩相流動界面模型驗證203
8.3.1非穩態氣水兩相流實驗203
8.3.2不計壓縮性兩相驅替界面模型數值模擬207
8.3.3壓縮性兩相驅替界面模型數值模擬211
8.3.4擬壓力函數方程驅替界面模型數值模擬215
參考文獻220
第九章溫度應力作用下煤體氣液兩相流動221
9.1溫度控制下氣液兩相流實驗221
9.1.1氣液兩相流實驗設備及試件221
9.1.2氣液兩相流實驗方案與步驟222
9.2溫度對氣液兩相滲流過程的影響223
9.2.1溫度對產液階段的影響223
9.2.2溫度對氣液兩相滲流各階段的影響224
9.3溫度作用下氣液兩相流體滲流規律228
9.3.1溫度對單相流體滲流影響228
9.3.2溫度對氣液兩相相對滲透率的影響232
9.4溫度及應力作用下氣液兩相流變化規律234
9.5氣液兩相產出過程溫度敏感性分析235
參考文獻237

本書詳細地闡述了煤體與甲烷相互作用的熱量變化物理機制，以及溫度對煤體中甲烷解吸及運移的控制機制。本書分為相對獨立的上下兩篇。上篇主要講述煤體與甲烷的熱物理作用，包括吸附熱理論、煤的非均勻勢阱理論及基於紅外熱成像的煤中甲烷富集的分形規律；下篇主要講述溫度與水對煤吸附特性的影響規律，以及溫度和應力共同作用下煤體中氣液兩相流動規律。本書可供從事煤礦安全、瓦斯災害防治、煤層氣開采等領域的科技工作者參考，也可供相關專業的研究生、本科生參考。