溫度場變化對高壓注水煤體瓦斯解吸量影響規律研究＊

謝建林 李川田 孫曉元 付玉平

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.太原科技大學環境與安全學院，山西省太原市，030024）

預先對煤層瓦斯進行抽采并將其作為一種清潔能源加以利用是解決煤礦瓦斯災害和實現能源可持續發展的重要途徑。我國普遍為低滲透煤層，煤層瓦斯難以解吸是我國瓦斯抽采率低的主要原因。多年來國內外學者針對影響煤層瓦斯解吸和滲流的因素進行了研究，取得了大量成果。前人在理論上論證了地應力和溫度對煤體滲透性的影響。研究中發現高壓注水使得煤層透氣性增大，水與煤體接觸會潤濕煤，有一部分水會進入煤微孔隙內，水分子和瓦斯氣體分子與煤之間都是以較弱的范德華力吸附，水的存在對瓦斯與煤的吸附形成影響。在煤層含水量未達到飽和吸附量時，煤樣中水的增加使瓦斯的飽和吸附量降低；當超過飽和水量時，超過的水量只參與滲流，不影響瓦斯吸附過程，甲烷的飽和吸附量不再變化。本文進一步提出：通過高壓注水和升高煤層瓦斯賦存體系溫度的措施增大煤層透氣性和瓦斯解吸量，從而起到誘導作用，使煤層瓦斯快速通過孔隙解吸、裂隙滲流，是提高瓦斯抽采率的關鍵。

本文利用煤樣高壓注水模擬水力割縫對煤層孔隙裂隙造成的影響，用外加溫度控制單元模擬和控制煤樣溫度場變化，研究煤體高壓注水瓦斯解吸量隨溫度變化規律。

1 實驗

圖1為實驗室所用煤樣瓦斯吸附解吸實驗裝置簡圖。實驗煤樣采集自山西長治屯留煤礦。現場采集并對煤樣進行初始篩選，密閉封存帶回實驗室，通過取樣機加工成直徑?50mm、高度150mm 規格的標準煤試樣，稱重后置于吸附罐中。實驗過程為保證安全，實驗室配備機械通風設備。

圖1 具有壓力與溫度控制單元的瓦斯吸附解吸實驗裝置圖

煤樣瓦斯吸附解吸實驗系統由壓力控制系統、溫度控制系統、實驗氣體系統、高壓注水系統及氣體測量系統組成。實驗煤樣軸壓通過穩壓器保持壓力恒定，溫度通過緊固在吸附罐體上的電加熱套來控制，并用熱電偶隨時監測吸附罐腔內溫度；解吸出的氣體通過排水取氣法收集，通過量桶刻度變化監測不同溫度的解吸氣體量。

1.1 未注水煤體瓦斯吸附、解吸特性隨溫度變化規律研究

利用煤樣瓦斯吸附解吸實驗裝置，研究在不同溫度及壓力下標準試件 （50 mm×150 mm）煤樣的瓦斯解吸量，實驗為定容實驗。在實驗過程中，首先將煤樣封存于罐體中并嚴格檢查氣密性，隨后記錄高壓吸附罐6 的壓力即表4 的初始表壓P1，打開氣路閥門5使煤樣在室溫下充分與瓦斯氣體吸附直至壓力表2讀數不再變化，記錄下表2的表壓P2，通過此壓力變化計算出罐體內注入的瓦斯氣體的量，關閉氣路閥門5使高壓瓦斯罐與實驗吸附罐體斷開，打開溫控單元9開關對實驗吸附罐體進行加熱，實驗溫度由室溫25℃逐漸升高至260℃，監測并記錄溫度控制單元9的溫度t及壓力表3的讀數P，根據壓力P 和吸附罐體積計算出定容條件下不同溫度煤樣瓦斯解吸量，得到解吸量隨時間變化規律曲線。

1.2 注水煤體瓦斯吸附、解吸量隨溫度變化規律研究

注水煤體瓦斯吸附、解吸規律實驗同樣在定容條件下進行，與1.1節不同之處在于實驗前煤樣要先經過高壓注水過程，將氣路閥門5與高壓水泵相連，注水直至壓力表3讀數不再變化，注水結束。通過瓦斯吸附罐的質量變化來計算注水量，然后開始重復1.1節的實驗步驟，計算定容條件下注水煤體瓦斯吸附、解吸量。

1.3 瓦斯吸附速率規律研究

根據朗格繆爾吸附方程：

式中：C——煤樣吸附瓦斯的質量，m3／t；

a——單位質量煤的極限吸附量，對于煤體吸附瓦斯一般取15～55m3／t；

b——吸附常數，一般為0.5～5 MPa；

p——吸附平衡時的瓦斯壓力，MPa。

吸附速率可表示為：

由實驗繪制出壓力隨時間變化曲線，利用任意t時刻壓力曲線斜率dp／dt及壓力p 值可求出吸附速率。

實驗時，煤樣放入吸附罐中封閉并檢查氣密性后與高壓瓦斯罐連接，通入瓦斯氣體直至表3和表4讀數不再變化，關閉氣路閥門5，以此為0時刻開始記錄時間和對應的壓力值，以時間值為橫軸，壓力值為縱軸繪制吸附速率曲線；當煤樣經過注水后，同樣重復以上步驟測定高壓注水煤樣瓦斯吸附速率曲線。

2 實驗結果及分析

2.1 未注水煤樣瓦斯吸附解吸特性研究

按照煤樣吸附與解吸實驗步驟在煤樣未注水情況下進行了兩次實驗。圖2和圖3是含瓦斯煤樣的瓦斯解吸量隨溫度變化規律曲線圖。

從圖2和圖3曲線的變化規律可看出，兩次實驗煤樣隨著溫度的升高，瓦斯解吸量均增大，前150℃內隨溫度的升高解吸曲線梯度大，解吸速度快，這是由于開始階段煤與瓦斯吸附解吸平衡體系對溫度變化響應迅速，即溫度升高改變了平衡體系的平衡條件，解吸速度大于吸附速度，使得平衡迅速向解吸方向偏移。解吸曲線后半段溫度不斷升高，解吸曲線變得平緩，是因為隨著解吸量的不斷增大使得游離瓦斯濃度逐漸增大，較高的瓦斯濃度對于吸附平衡體系向解吸方向發展是一個逆止因素，另外煤與瓦斯是多層吸附，內層瓦斯氣體分子解吸需要克服的吸附能大于外層瓦斯分子，所以其解吸量和速度都會減小。從煤樣受熱膨脹的角度考慮，隨著溫度升高，溫度場變化影響逐漸作用至煤樣內部，煤樣中裂隙逐漸擠壓變形堵塞氣體運移通道，使得解吸的氣體不易從滲流通道排走并迅速降低解吸氣體的濃度，這進一步阻止了吸附解吸平衡體系朝著解吸方向發展的趨勢，解吸曲線逐漸平緩直至達到新的平衡。

對于同一煤樣第二次吸附瓦斯至飽和并解吸，對比圖2和圖3中的解吸曲線可以得出第二次吸附量比第一次吸附量稍大，并且第二次解吸曲線的斜率比第一次大。這是由于煤樣經歷第一次實驗后，經歷了高至240℃的溫度作用及冷卻至常溫的變化，相當于加載和卸載，這一過程必將在煤樣中產生新的裂隙孔隙系統，另考慮高溫階段煤樣烴類物質有少許氣化，這也給煤樣吸附瓦斯留下了吸附空間，所以以上綜合因素使得煤樣吸附瓦斯的能力加強，不同溫度階段吸附量和解吸量都比第一次大。

2.2 高壓注水煤樣對瓦斯吸附解吸特性影響的實驗研究

煤樣試件首先經過高壓注水，直至與水作用吸附至飽和，然后在室溫下與瓦斯吸附至飽和，開始實驗，實驗結果如圖4和圖5所示。

從圖4中得出第一次實驗時煤樣各溫度段瓦斯解吸量基本沒變化，但解吸曲線經過150℃后迅速平緩下來。這是由于水的存在對瓦斯與煤的解吸及滲流造成影響，在煤層含水量未達到臨界水分含量時（即飽和吸附量時），水的增加使甲烷的吸附量降低；當超過臨界水分含量時，超過的部分只參與滲流，不影響吸附過程，瓦斯的吸附量不再減少。所以第一次實驗瓦斯解吸總量沒有變化，但煤中吸附的水分影響了瓦斯的滲流，縮短了各溫度段解吸達到新的平衡時間，實驗過程中相鄰平衡點間的時限拉長。

從圖5中得出第二次實驗的變化規律，由于高壓水力作用，使得煤樣中增加了新的空隙和裂隙，所以煤的解吸總量即吸附總量增大，加之煤樣經歷高溫作用后部分烴類物質的氣化也使得煤樣與第一次相比吸附空位更多，從而增加了吸附量。

2.3 煤樣吸附速率曲線

在室溫下將實驗煤樣裝入吸附罐體與1.25 MPa的高壓瓦斯罐連接，待壓力穩定后切斷連接氣路。監測并記錄吸附罐內瓦斯壓力隨時間變化規律曲線如圖6所示。

圖6 煤樣吸水與未吸水吸附速率對比曲線

按照公式 （2）計算出不同時間瓦斯吸附的速率如表1所示。

表1 瓦斯吸附速率變化表

從圖6及表1中可得出，標準煤樣充入高壓瓦斯后瓦斯壓力迅速降低，吸附速率也降低，這是由于高壓下游離瓦斯形成吸附，導致吸附罐壓力降低，但隨著吸附的進行，游離瓦斯濃度下降，吸附速率逐漸減慢，直至達到吸附平衡。而高壓注水煤樣在充入高壓瓦斯后不再發生吸附，這是由于賦存在煤樣裂隙中的水封閉了瓦斯滲流的通道，使得游離瓦斯難以完成吸附過程，所以壓力幾乎不變。但隨著時間的推移，壓力曲線降低，說明水的存在使瓦斯吸附平衡所需的時間增大。

3 結論

（1）注水煤樣和標準煤樣的瓦斯解吸量均隨溫度的增加而增大，且解吸量均在150℃左右出現拐點，有助于煤層氣熱采時溫度的合理選擇。

（2）標準煤樣未采取高壓注水措施前后兩次吸附至飽和并解吸，后次飽和吸附量比前次大16%。

（3）標準煤樣經高壓注水瓦斯飽和吸附量變化不大，注水煤樣第二次實驗瓦斯吸附量增加30%。

（4）同一煤樣兩次高壓注水，第二次注入的水量大，但煤樣經過高壓注水吸附瓦斯的速率幾乎不變。

（5）與高壓注水煤樣相比，標準煤樣瓦斯吸附的速率降低較快。

［1］ 孫茂遠.我國煤層氣產業的發展潛力、挑戰及對策［J］.中國煤炭，2012（1）

［2］ 崔光磊，熊偉.低透氣性特厚煤層瓦斯立體式抽采技術研究 ［J］.中國煤炭，2012（10）

［3］ SOMMERTON W J，SOYLEMEZOGLU I M，DUDLEY R C.Effect of stress on permeability of coal［J］.Int J Rock MechMin Sci and Geomech Abstr，1975（2）

［4］ 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論 ［M］.北京：煤炭工業出版社，1999

［5］ 趙陽升，胡耀青.孔隙瓦斯作用下煤體有效應力規律的試驗研究 ［J］.巖土工程學報，1995（3）

［6］ 吳世躍，趙文.含吸附煤層氣煤的有效應力分析［J］.巖石力學與工程學報，2005（10）

［7］ 梁冰.溫度對煤的瓦斯吸附性能影響試驗研究［J］.黑龍江礦業學院學報，2000 （1）