吸附作用对原煤渗透特性的影响

覃世福，李小亮

(1.重庆地质矿产研究院，外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆400042)

煤矿瓦斯灾害是煤矿生产中的一种严重自然灾害，长期以来瓦斯一直被当作“有害”气体处理。20世纪80年代，美国首先从地面开采煤层气获得成功，使瓦斯变害为宝，成为一种洁净能源供人们使用，引起了世界各国的高度重视。据近年来的测算，中国瓦斯资源总量为31.46万亿m3[1]，对瓦斯的合理利用，能较好的解决我国能源短缺的问题。但是，抽采瓦斯是一项新的技术难题，要求掌握煤层瓦斯运移的基本规律，而渗透率是进行煤层瓦斯流动分析的重要参数，提高瓦斯渗透率是解决问题的关键所在。

国内外学者对煤层瓦斯渗透特性进行了大量研究，周世宁和林柏泉[2]研究了有效应力作用下瓦斯的渗透特性；曹树刚等[3-4]研究了瓦斯压力对原煤渗透特性的影响；唐巨鹏等[5]研究了加载和卸载过程中，有效应力对煤层气解吸渗流影响；张健等[6]研究了煤层应力对裂隙渗透率的影响；Enever J R E[7]研究了在不同有效应力状态下，煤体渗透率的变化规律。但前人的研究多集中于有效应力和瓦斯压力对煤层渗透特性的影响，而有关吸附作用对原煤渗透特性的影响报道较少。本文以典型突出煤层的原煤试样为研究对象，利用自主研制的煤岩三轴渗流装置，开展了不同吸附性气体渗流特性的对比研究，寻找吸附作用对原煤渗透特性的影响规律。

1 实验系统及实验方法

1.1 试样制备

试验岩样取自重庆市松藻煤电集团打通一矿7#煤层回采工作面。该煤层为突出煤层，属二叠系上统龙潭组。采用刻槽法在回采工作面刻取块状煤体，按《煤与岩石物理性质测定方法》的要求，沿垂直层理方向制取试样，尺寸为：Φ=50mm，h=100mm。

1.2 试验设备

试验设备采用重庆大学自行研制的煤岩三轴渗透装置，该装置可以模拟各种不同状态下的瓦斯渗透特性。试验加载设备采用国产液压伺服力学试验机，全数字计算机自动控制。高压气罐提供所需模拟气体。气体流量监测设备，采用电子气体流量计。试验装置如图1所示。

1—高压气罐；2—压力表；3—控制阀；4—进气管；5—保护垫；6—排气管；7—液压油；8—带孔活塞；9—试样；10—引伸计；11—出油管；12—出气管；13—进油管；14—油箱；15—电子气体流量计；16—计算机

图1 煤岩三轴渗透装置示意图

1.3 试验方法

为了考察吸附作用对原煤渗透特性的影响，开展了吸附性强的CO2和吸附性弱的N2条件下的渗透试验[2]。气体压力分为0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa和1.5MPa五个等级。试验前，用金属试件对系统进行气密性检测，保证试验数据的真实可靠。具体实验步骤如下：

①在煤样侧面涂上704硅橡胶，以防止试验过程中油、气相互渗透。②将煤样安装在自压式渗流装置上，套上热缩管，用吹风机加热，使其紧贴试件壁和两端压头，以保证其良好的气密性。根据试验要求连接好各系统。③对煤样施加轴压和围压，通入二氧化碳，再次检查气密性。让煤样充分吸附24h。④轴压、围压变动时，让煤样吸附气体8h，释放气体30min，待二氧化碳流量稳定后，记录数据。试验中采用轴向应力控制方式加载，加载速率0.2kN/s。三轴试验轴压、围压都分为2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa和6.0MPa五个等级。

试验过程中，为防止试件内的气体由于较大的孔隙压力而溢出，保持围压不小于气体压力，保证二氧化碳在煤样中通过。当煤样中充入氮气做渗透实验时，重复上述步骤。

本试验的缺点是，忽略气体压力下降时，煤体由吸附引起的残余变形。

2 试验结果及分析

2.1 渗透率的计算

在正常压力范围内，煤体内瓦斯流动状态属于层流运动。所以，可以根据达西直线渗透定律，得到实验室测定煤样渗透率的计算公式为[8]：

(1)

式中：K为煤样的渗透率，10-3μm2；μ为气体的黏度，Pa·s；p0为实验室的大气压，MPa；Q为气体流量，cm3/s；L为煤体试件长度，cm；F为有效渗透面积，cm2；p1、p2分别为入口、出口压力，MPa。

2.2 吸附性对渗透率的影响

利用式(1)对试验数据进行处理，得到两种不同气体的压力值与渗透率之间的关系，如图2所示。

从图2可知，不同吸附性气体下，得到渗透率与气体吸附强弱，有以下5种规律：

1) 对于同一煤样，在相同应力状态和气体压力下，气体吸附性越强，煤样渗透率越低，随着气体压力的增大，这种关系越明显。例如，在轴压3MPa、围压2MPa，气体压力在5种不同等级下，CO2的渗透率分别是N2的渗透率的38.2%、23.3%、16.3%、13.6%和7.7%。

2) 当轴压3MPa、围压2MPa(3MPa)固定时，随着气体压力的增加，氮气的原煤渗透率在初期，均大幅度降低，其降低幅度为59.5%(70.1%)；气体压力达到0.89MPa(1.37MPa)后，又表现出略微增大的趋势，其增大幅度为13.2%(8.8%)。而二氧化碳的原煤渗透率，只有在轴压3MPa、围压2MPa时，气体压力达到1.37MPa后，以15.6%的增大幅度回升；气体压力达到1.37MPa以前，以86.5%的降低幅度下降。

3) 当轴压3MPa、围压超过3MPa(2MPa)后，氮气(二氧化碳)的原煤渗透率开始表现出大幅度降低，最终变化趋于平缓。

4) 当轴压为3MPa、气体压力为0.3MPa，围压从2MPa增加到3MPa、3MPa增加到4MPa、5MPa增加到6MPa的条件下，氮气的原煤渗透率下降幅度，分别是二氧化碳的原煤渗透率下降幅度的1.45、1.63和0.63倍。因此，说明当气体压力和轴压不变、围压小于5MPa时，气体吸附性越弱，受围压影响越大；围压大于5MPa后，气体吸附性越强，受围压影响越小。

5) 在相同条件下，随着气体压力的增加，气体吸附性越强，渗透率减小率越大。这说明了气体吸附性越强，煤对其吸附量增加幅度越大。

图2 不同气体渗透率与气体压力关系曲线

分析以上情况的原因可能为：气体吸附性越强，在煤体孔隙内形成的吸附层越厚，引起的吸附膨胀变形越大，从而使渗透孔隙通道减小，渗透率越低。当轴压和围压固定时(氮气围压不超过3MPa，二氧化碳围压不超过2MPa)，随着气体压力的增大，煤样气体吸附量增多，煤样吸附层增厚，煤样膨胀变形增大，使气体在煤体中的渗透能力受到影响，导致了煤样渗透率降低。当气体压力超过一定值时，煤样对气体的吸附达到饱和，吸附膨胀引起的变形趋于稳定，气体压力的继续增大，由吸附作用引起的体积膨胀，使孔隙通道减小程度逐渐小于由气体应力引起的基质压缩使孔隙通道增大程度，即对外表现出渗透率有所回升。当围压超过一定值后(氮气围压3MPa，二氧化碳围压2MPa)，由吸附膨胀引起的变形，相对于围压对煤体的压缩变形可以忽略。因此，渗透率-气体压力关系曲线，前阶段表现出下降趋势，后阶段变化趋于平缓。

2.3 数据拟合

对试验数据进行整理分析，拟合得到5种不同固定轴压和围压组合下，两种不同气体的气体压力和渗透率的关系，见式(3)和(4)。

(2)

(3)

式中：K为渗透率，10-3μm2；p为气体压力，MPa；σ1为轴压，MPa；σ2为围压，MPa；R2为拟合相关系数。

从式(3)和(4)可看出，气体压力和渗透率的关系基本上服从乘幂方程，具有如下的形式：

K=lp-m

(4)

式中，l、m是拟合常数且是大于零。

3 吸附量对原煤渗透率的影响

前人的研究表明[2]，煤对气体的吸附属于单分子层物理吸附。因此，可以运用Langmuir单分子层吸附的状态方程，得出气体吸附量与气体压力之间的关系：

(5)

式中：Xx为单位质量固体表面吸附的瓦斯量，m3/t；a为给定温度下单位质量固体的极限吸附量，m3/t；b为Langmuir压力常数，MPa-1；P为气体压力，MPa。

将式(4)的P反解得到：

(6)

再将式(5)代入式(3)得到：

(7)

从式(6)可以看出，随着气体吸附量的增加，原煤渗透率下降。

4 吸附膨胀应力和渗透率的关系

煤吸附气体必然会产生膨胀变形，煤粒变形向孔隙空间发展必然会受到有限空间的限制而产生一种力，即吸附膨胀应力。而煤的吸附能力越强，吸附的瓦斯越多，发生的膨胀变形越大，使渗透孔隙通道减小的越多。因此，寻找由吸附膨胀变形而滋生的吸附膨胀应力和渗透率的关系，也显得十分重要。

根据文献[9]煤吸附膨胀线应变ε：

(8)

式中：ρ为煤的视密度，t/m3；T为绝对温度，K；V为摩尔容积，取22.4×10-3m3/mol；E为弹性模量，Pa；μ为煤的柏松比；P为孔隙压力，MPa。

气体在煤层中主要呈吸附态，其对煤的力学作用主要是吸附气体引起的。吸附能使煤产生膨胀变形，在约束条件下产生膨胀应力，而煤粒接触点处相当于单向受压状态，所以吸附膨胀应力与吸附膨胀变形服从Hooke定律。那么可得出吸附膨胀应力σp表达式：

(9)

由式(9)反解，可求出孔隙压力和吸附膨胀应力的关系：

(10)

在将式(10)代入式(3)，得到吸附膨胀应力和渗透率K的关系：

(11)

5 讨 论

通过对煤体渗透性的长期研究[1-3]发现，煤体应力对煤体的渗透性影响十分显著，可认为“卸压是提高低渗透煤层瓦斯渗透率的唯一有效的技术途径”。但先后采用多种卸压试验来提高瓦斯的渗透率，其效果收效甚微。本试验研究结果表明，在气体压力较低范围内，吸附作用对原煤渗透率的影响起着重要作用。因此，我们可以考虑运用煤对各种气体的吸附不同，来提高瓦斯抽采。文献[2]指出，当CH4和CO2混合时，在正常压力范围内，煤对CO2的吸附始终大于对CH4的吸附。在煤层气抽采前，先向抽采区注入CO2，由于CO2分子的吸附势阱深度大于CH4分子的吸附势阱深度，在竞争相同的吸附位中CO2占得优势。所以，吸附的CH4分子逐步被游离的CO2分子置换，经过一段时间后，游离的CH4分子逐步增多，再进行抽采，就有可能达到高效抽采瓦斯的目的。如果抽采煤层为不可采煤层，还可以用该层来封存CO2，即解决了环境问题，又达到了高效抽采。此理论是否可行，将是下一步研究的方向，同时煤对CO2、CH4和混合组分吸附的研究，将是下一步所作的工作。

6 结 论

本文通过对打通一矿典型的突出煤层进行了CO2和N2渗流的试验研究，可得出以下结论：

1) 在相同条件下，吸附性越强，原煤渗透率越低，且受围压影响越小。在气体压力较低范围内，吸附作用是原煤渗透率的主导因素。

2) 在围压较低范围内，随着气体压力的增加，两种不同气体下的原煤渗透率，均表现出开始时渗透率大幅度降低，随后表现出增加的趋势，其中气体吸附性越强，渗透率下降幅度越大，而后期上升幅度越小。同时，气体吸附性越强，原煤渗透率最小值对应的气体压力值增大越快。

3) 随着气体压力的增大，气体吸附性越强，煤对其吸附量增加幅度越大。同时，吸附量的增加，原煤渗透率下降。

4) 给出了吸附膨胀应力K与渗透率p的关系表达式。

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[3] 曹树刚，郭平，李勇，等. 瓦斯压力对原煤渗透特性的影响[J]. 煤炭学报，2010，35(4)：595-599.

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[6] 张健，汪志明.煤层应力对裂隙渗透率的影响[J].中国石油大学学报，2008，6(32)：92-95.

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