Comparative experiment study on nitrogen injection and free desorption of methane-rich bituminous coal under triaxial loading

As a kind of associated geological gas, coalbed methane (CBM) is mainly adsorbed in the coal seam. The coal-methane adsorption phenomenon can be described by Langmuir monolayer adsorptio n model, BET multilayer adsorption model and the Theory of Volume Filling of Micropore (TVFM), whereas the binary gas adsorption phenomenon can be described by the extended Langmuir Model. For the CBM in the low permeability coal seam, the amount of gas released by direct drainage is relatively limited, which cannot eliminate the gas explosion and outburst hazards. Gas injection is an effective method to promote methane drainage. In this paper, the free desorption and nitrogen injection displacement experiments are comparatively analyzed, which allows verifying the effectiveness of nitrogen injection’s enhancement to gas drainage. The experiment of injecting nitrogen gas into the coal body shows that the coal fracture can be maintained or expanded by the injected gas pressure so that more methane can be released. The nitrogen injection has a higher time efficiency than that of free desorption as well. The displacement ratio of N2/CH4 is in the range of 1-3. Both the injection pressure and confining pressure affect the displacement ratio. The analysis of the desorbed gas components shows that the relationship between the methane component and gas flooding time is an “inverted S” shape curve, and the appropriate time for the methane collection can be inferred by the time interval of the rapid decline of the curve.

Metan zawarty w złożu węgla występuje w głównej mierze w postaci zaadsorbowanej, jako gaz związany. Zjawisko adsorpcji metanu na węglu opisuje model adsorpcji jednowarstwowej Langmuira, model adsorpcji wielowarstwowej BET oraz teoria objętościowego wypełniania mikroporów. Z kolei procesy desorpcji mieszanin dwóch gazów opisuje rozszerzony model Langmuira. W przypadku metanu zawartego w złożu węgla o niskiej przepuszczalności, ilość gazu uwalnianego poprzez proste odgazowanie jest ograniczona i wciąż nie eliminuje ryzyka wybuchu gazu oraz wyrzutu skał i gazu. Wstrzykiwanie gazów jest jedną ze skutecznych metod odgazowania. W pracy tej przeprowadzono badanie porównawcze rezultatów swobodnej desorpcji gazu oraz wstrzyknięcia do złoża azotu, w celu zademonstrowania skuteczności odgazowania poprzez wprowadzenie azotu. Eksperyment polegający na wstrzykiwaniu azotu do calizny węglowej pokazuje możliwość zachowania lub powiększenia pęknięć w strukturze węgla pod działaniem ciśnienia wstrzykiwanego gazu, co umożliwi uwolnienie większych ilości metanu. Ponadto, wprowadzenie azotu okazuje się rozwiązaniem skuteczniejszym w dłuższym okresie czasu niż swobodna desorpcja. Stosunek wypierającego metan N2 do CH4 wynosi w przybliżeniu 1:3. Zarówno ciśnienie wstrzykiwanego gazu jak i wielkość ciśnienia złożowego mają wpływ na tempo wypierania metanu przez azot. Analiza składników desorbowanego gazu wskazuje, że zależność ilości metanu od czasu wypływu gazu opisywana jest na wykresie krzywą w postaci odwróconej litery S, zaś odpowiedni czas na odzysk metanu odczytujemy jako przedział odpowiadający nagłemu obniżeniu widocznemu na wykresie.