吸附作用對原煤滲透特性的影響

覃世福，李小亮

(1.重慶地質礦產研究院，外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室，重慶400042；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶400042)

煤礦瓦斯災害是煤礦生產中的一種嚴重自然災害，長期以來瓦斯一直被當作“有害”氣體處理。20世紀80年代，美國首先從地面開采煤層氣獲得成功，使瓦斯變害為寶，成為一種潔凈能源供人們使用，引起了世界各國的高度重視。據近年來的測算，中國瓦斯資源總量為31.46萬億m3[1]，對瓦斯的合理利用，能較好的解決我國能源短缺的問題。但是，抽采瓦斯是一項新的技術難題，要求掌握煤層瓦斯運移的基本規(guī)律，而滲透率是進行煤層瓦斯流動分析的重要參數，提高瓦斯?jié)B透率是解決問題的關鍵所在。

國內外學者對煤層瓦斯?jié)B透特性進行了大量研究，周世寧和林柏泉[2]研究了有效應力作用下瓦斯的滲透特性；曹樹剛等[3-4]研究了瓦斯壓力對原煤滲透特性的影響；唐巨鵬等[5]研究了加載和卸載過程中，有效應力對煤層氣解吸滲流影響；張健等[6]研究了煤層應力對裂隙滲透率的影響；Enever J R E[7]研究了在不同有效應力狀態(tài)下，煤體滲透率的變化規(guī)律。但前人的研究多集中于有效應力和瓦斯壓力對煤層滲透特性的影響，而有關吸附作用對原煤滲透特性的影響報道較少。本文以典型突出煤層的原煤試樣為研究對象，利用自主研制的煤巖三軸滲流裝置，開展了不同吸附性氣體滲流特性的對比研究，尋找吸附作用對原煤滲透特性的影響規(guī)律。

1 實驗系統及實驗方法

1.1 試樣制備

試驗巖樣取自重慶市松藻煤電集團打通一礦7#煤層回采工作面。該煤層為突出煤層，屬二疊系上統龍?zhí)督M。采用刻槽法在回采工作面刻取塊狀煤體，按《煤與巖石物理性質測定方法》的要求，沿垂直層理方向制取試樣，尺寸為：Φ=50mm，h=100mm。

1.2 試驗設備

試驗設備采用重慶大學自行研制的煤巖三軸滲透裝置，該裝置可以模擬各種不同狀態(tài)下的瓦斯?jié)B透特性。試驗加載設備采用國產液壓伺服力學試驗機，全數字計算機自動控制。高壓氣罐提供所需模擬氣體。氣體流量監(jiān)測設備，采用電子氣體流量計。試驗裝置如圖1所示。

1—高壓氣罐；2—壓力表；3—控制閥；4—進氣管；5—保護墊；6—排氣管；7—液壓油；8—帶孔活塞；9—試樣；10—引伸計；11—出油管；12—出氣管；13—進油管；14—油箱；15—電子氣體流量計；16—計算機

圖1 煤巖三軸滲透裝置示意圖

1.3 試驗方法

為了考察吸附作用對原煤滲透特性的影響，開展了吸附性強的CO2和吸附性弱的N2條件下的滲透試驗[2]。氣體壓力分為0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa和1.5MPa五個等級。試驗前，用金屬試件對系統進行氣密性檢測，保證試驗數據的真實可靠。具體實驗步驟如下：

①在煤樣側面涂上704硅橡膠，以防止試驗過程中油、氣相互滲透。②將煤樣安裝在自壓式滲流裝置上，套上熱縮管，用吹風機加熱，使其緊貼試件壁和兩端壓頭，以保證其良好的氣密性。根據試驗要求連接好各系統。③對煤樣施加軸壓和圍壓，通入二氧化碳，再次檢查氣密性。讓煤樣充分吸附24h。④軸壓、圍壓變動時，讓煤樣吸附氣體8h，釋放氣體30min，待二氧化碳流量穩(wěn)定后，記錄數據。試驗中采用軸向應力控制方式加載，加載速率0.2kN/s。三軸試驗軸壓、圍壓都分為2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa和6.0MPa五個等級。

試驗過程中，為防止試件內的氣體由于較大的孔隙壓力而溢出，保持圍壓不小于氣體壓力，保證二氧化碳在煤樣中通過。當煤樣中充入氮氣做滲透實驗時，重復上述步驟。

本試驗的缺點是，忽略氣體壓力下降時，煤體由吸附引起的殘余變形。

2 試驗結果及分析

2.1 滲透率的計算

在正常壓力范圍內，煤體內瓦斯流動狀態(tài)屬于層流運動。所以，可以根據達西直線滲透定律，得到實驗室測定煤樣滲透率的計算公式為[8]：

(1)

式中：K為煤樣的滲透率，10-3μm2；μ為氣體的黏度，Pa·s；p0為實驗室的大氣壓，MPa；Q為氣體流量，cm3/s；L為煤體試件長度，cm；F為有效滲透面積，cm2；p1、p2分別為入口、出口壓力，MPa。

2.2 吸附性對滲透率的影響

利用式(1)對試驗數據進行處理，得到兩種不同氣體的壓力值與滲透率之間的關系，如圖2所示。

從圖2可知，不同吸附性氣體下，得到滲透率與氣體吸附強弱，有以下5種規(guī)律：

1) 對于同一煤樣，在相同應力狀態(tài)和氣體壓力下，氣體吸附性越強，煤樣滲透率越低，隨著氣體壓力的增大，這種關系越明顯。例如，在軸壓3MPa、圍壓2MPa，氣體壓力在5種不同等級下，CO2的滲透率分別是N2的滲透率的38.2%、23.3%、16.3%、13.6%和7.7%。

2) 當軸壓3MPa、圍壓2MPa(3MPa)固定時，隨著氣體壓力的增加，氮氣的原煤滲透率在初期，均大幅度降低，其降低幅度為59.5%(70.1%)；氣體壓力達到0.89MPa(1.37MPa)后，又表現出略微增大的趨勢，其增大幅度為13.2%(8.8%)。而二氧化碳的原煤滲透率，只有在軸壓3MPa、圍壓2MPa時，氣體壓力達到1.37MPa后，以15.6%的增大幅度回升；氣體壓力達到1.37MPa以前，以86.5%的降低幅度下降。

3) 當軸壓3MPa、圍壓超過3MPa(2MPa)后，氮氣(二氧化碳)的原煤滲透率開始表現出大幅度降低，最終變化趨于平緩。

4) 當軸壓為3MPa、氣體壓力為0.3MPa，圍壓從2MPa增加到3MPa、3MPa增加到4MPa、5MPa增加到6MPa的條件下，氮氣的原煤滲透率下降幅度，分別是二氧化碳的原煤滲透率下降幅度的1.45、1.63和0.63倍。因此，說明當氣體壓力和軸壓不變、圍壓小于5MPa時，氣體吸附性越弱，受圍壓影響越大；圍壓大于5MPa后，氣體吸附性越強，受圍壓影響越小。

5) 在相同條件下，隨著氣體壓力的增加，氣體吸附性越強，滲透率減小率越大。這說明了氣體吸附性越強，煤對其吸附量增加幅度越大。

圖2 不同氣體滲透率與氣體壓力關系曲線

分析以上情況的原因可能為：氣體吸附性越強，在煤體孔隙內形成的吸附層越厚，引起的吸附膨脹變形越大，從而使?jié)B透孔隙通道減小，滲透率越低。當軸壓和圍壓固定時(氮氣圍壓不超過3MPa，二氧化碳圍壓不超過2MPa)，隨著氣體壓力的增大，煤樣氣體吸附量增多，煤樣吸附層增厚，煤樣膨脹變形增大，使氣體在煤體中的滲透能力受到影響，導致了煤樣滲透率降低。當氣體壓力超過一定值時，煤樣對氣體的吸附達到飽和，吸附膨脹引起的變形趨于穩(wěn)定，氣體壓力的繼續(xù)增大，由吸附作用引起的體積膨脹，使孔隙通道減小程度逐漸小于由氣體應力引起的基質壓縮使孔隙通道增大程度，即對外表現出滲透率有所回升。當圍壓超過一定值后(氮氣圍壓3MPa，二氧化碳圍壓2MPa)，由吸附膨脹引起的變形，相對于圍壓對煤體的壓縮變形可以忽略。因此，滲透率-氣體壓力關系曲線，前階段表現出下降趨勢，后階段變化趨于平緩。

2.3 數據擬合

對試驗數據進行整理分析，擬合得到5種不同固定軸壓和圍壓組合下，兩種不同氣體的氣體壓力和滲透率的關系，見式(3)和(4)。

(2)

(3)

式中：K為滲透率，10-3μm2；p為氣體壓力，MPa；σ1為軸壓，MPa；σ2為圍壓，MPa；R2為擬合相關系數。

從式(3)和(4)可看出，氣體壓力和滲透率的關系基本上服從乘冪方程，具有如下的形式：

K=lp-m

(4)

式中，l、m是擬合常數且是大于零。

3 吸附量對原煤滲透率的影響

前人的研究表明[2]，煤對氣體的吸附屬于單分子層物理吸附。因此，可以運用Langmuir單分子層吸附的狀態(tài)方程，得出氣體吸附量與氣體壓力之間的關系：

(5)

式中：Xx為單位質量固體表面吸附的瓦斯量，m3/t；a為給定溫度下單位質量固體的極限吸附量，m3/t；b為Langmuir壓力常數，MPa-1；P為氣體壓力，MPa。

將式(4)的P反解得到：

(6)

再將式(5)代入式(3)得到：

(7)

從式(6)可以看出，隨著氣體吸附量的增加，原煤滲透率下降。

4 吸附膨脹應力和滲透率的關系

煤吸附氣體必然會產生膨脹變形，煤粒變形向孔隙空間發(fā)展必然會受到有限空間的限制而產生一種力，即吸附膨脹應力。而煤的吸附能力越強，吸附的瓦斯越多，發(fā)生的膨脹變形越大，使?jié)B透孔隙通道減小的越多。因此，尋找由吸附膨脹變形而滋生的吸附膨脹應力和滲透率的關系，也顯得十分重要。

根據文獻[9]煤吸附膨脹線應變ε：

(8)

式中：ρ為煤的視密度，t/m3；T為絕對溫度，K；V為摩爾容積，取22.4×10-3m3/mol；E為彈性模量，Pa；μ為煤的柏松比；P為孔隙壓力，MPa。

氣體在煤層中主要呈吸附態(tài)，其對煤的力學作用主要是吸附氣體引起的。吸附能使煤產生膨脹變形，在約束條件下產生膨脹應力，而煤粒接觸點處相當于單向受壓狀態(tài)，所以吸附膨脹應力與吸附膨脹變形服從Hooke定律。那么可得出吸附膨脹應力σp表達式：

(9)

由式(9)反解，可求出孔隙壓力和吸附膨脹應力的關系：

(10)

在將式(10)代入式(3)，得到吸附膨脹應力和滲透率K的關系：

(11)

5 討 論

通過對煤體滲透性的長期研究[1-3]發(fā)現，煤體應力對煤體的滲透性影響十分顯著，可認為“卸壓是提高低滲透煤層瓦斯?jié)B透率的唯一有效的技術途徑”。但先后采用多種卸壓試驗來提高瓦斯的滲透率，其效果收效甚微。本試驗研究結果表明，在氣體壓力較低范圍內，吸附作用對原煤滲透率的影響起著重要作用。因此，我們可以考慮運用煤對各種氣體的吸附不同，來提高瓦斯抽采。文獻[2]指出，當CH4和CO2混合時，在正常壓力范圍內，煤對CO2的吸附始終大于對CH4的吸附。在煤層氣抽采前，先向抽采區(qū)注入CO2，由于CO2分子的吸附勢阱深度大于CH4分子的吸附勢阱深度，在競爭相同的吸附位中CO2占得優(yōu)勢。所以，吸附的CH4分子逐步被游離的CO2分子置換，經過一段時間后，游離的CH4分子逐步增多，再進行抽采，就有可能達到高效抽采瓦斯的目的。如果抽采煤層為不可采煤層，還可以用該層來封存CO2，即解決了環(huán)境問題，又達到了高效抽采。此理論是否可行，將是下一步研究的方向，同時煤對CO2、CH4和混合組分吸附的研究，將是下一步所作的工作。

6 結 論

本文通過對打通一礦典型的突出煤層進行了CO2和N2滲流的試驗研究，可得出以下結論：

1) 在相同條件下，吸附性越強，原煤滲透率越低，且受圍壓影響越小。在氣體壓力較低范圍內，吸附作用是原煤滲透率的主導因素。

2) 在圍壓較低范圍內，隨著氣體壓力的增加，兩種不同氣體下的原煤滲透率，均表現出開始時滲透率大幅度降低，隨后表現出增加的趨勢，其中氣體吸附性越強，滲透率下降幅度越大，而后期上升幅度越小。同時，氣體吸附性越強，原煤滲透率最小值對應的氣體壓力值增大越快。

3) 隨著氣體壓力的增大，氣體吸附性越強，煤對其吸附量增加幅度越大。同時，吸附量的增加，原煤滲透率下降。

4) 給出了吸附膨脹應力K與滲透率p的關系表達式。

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