非等温条件下煤层瓦斯渗透及解吸规律实验研究

吴 迪

（辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023）

1 非磁性三轴渗透仪组成和各部件的功能

三轴渗透仪由缸体、紧固螺母、上下压头、密封圈等部件组成，其特点是缸体下端盖中间设有螺纹孔，左端设有孔并安装一个可以加载密封阀，右端设有排气孔螺纹连接封堵，在下端盖中间的凹槽中密封安装一个中间带孔的锤形下压头，下压头的孔与下端盖螺纹孔对应，在缸体上端盖内密封连接一个活塞，在活塞杆顶端装有一个可加载密封阀，在活塞中间的凹槽里密封装有中间带孔的锤形上压头，在上压头的上斜面和下压头的下斜面上各装一个O形密封圈并套一个密封套，在密封套外的上、下斜面上用三角形压环和压紧螺母固定，在上端盖的左端螺纹连接一个可加载围压的密封阀。

图1 三轴应力渗透仪及加温装置实物图

2 实验系统

实验系统主要由加压系统、稳压系统、气体供给系统、加热系统、温度控制系统及气体测量系统组成。煤样轴压及围压由手动试压泵通过三轴吸附解吸仪供给，加压后通过稳压器（自制）保持压力稳定；孔隙压力通过气体压力调节阀调节，孔隙压力、围压及轴压数值由CWY100 精密数字压力表读出，精度0.2 级；在三轴吸附解吸仪上安装加热棒对煤样包围介质（水）加热来改变煤样温度，温度控制采用热电偶测温原理，采用N－6000 智能型数显温度控制器控制；解吸气体量值利用排水法通过量筒直接读取。

3 实验设备和采集煤样

实验用煤样选自辽宁阜新海州露天矿。将采集煤样筛选，选择水平层理煤样通过切割机加工成5 cm×5 cm×10 cm 规格的标准煤试样，称重后置于真空干燥箱内，加热到100～105 ℃时恒温8 h，冷却至室温后取出备用。实验方案见表1 所示。

表1 实验方案

实验用气体采用纯度为99.99%的甲烷气，其性质近似为理想状态气体。为保证实验人员安全，实验室内采取通风措施，并用风扇对解吸出甲烷进行浓度降低处理。

4 实验步骤

（1）将煤样加工成5 cm×5 cm×10 cm 规格的标准煤试样，并将试样侧面用胶带密封好。

（2）煤样称重后置于真空干燥箱内，加热到100～105 ℃时恒温8 h，再冷却至室温后取出称重后，放入三轴瓦斯渗透仪中，将两侧端盖拧紧，用真空泵使其脱气24 h。

（3）先对煤样施加轴压至设定值，然后施加围压和孔隙压，检查装置气密性，同时测定气体渗透率。拧开高压气瓶的进瓦斯气阀，设定好瓦斯压力值，通入99.99%浓度瓦斯气体，采用排水量气法，用管线将出气口瓦斯接入带有1 800 mL 量程的量筒中收集排出气体，待气体排出速度稳定后，记录一定时间排出气体的体积。

（4）打开瓦斯进、出气阀，测出不同温度、不同围压、不同轴压、不同空隙压力下煤层气的渗透率。

（5）关闭出气端阀门，将标准吸附时间定为24 h，保持瓦斯压力不变。

（6）吸附24 h 后，先关闭瓦斯进气阀门，然后打开出气阀门，同样采用排水取气法，记录解吸时间和解吸气体体积。

（7）改变温度时，接通电源，开启温度控制器，设定温度至所需值，温度自动调节；在某一温度下做解吸实验时，必须当温度达到所需值后保持一定时间（0.5 h）。

5 结 论

本文研究了不同温度对煤层瓦斯渗透及吸附解吸规律的影响，初步得出了一些规律和有价值的结论，具体内容如下：

（1）在同一温度、相同围压和轴压条件下，煤样渗透率随孔隙压力增加而增加；在同一温度、相同孔隙压力条件下，煤样随围压和轴压的增加，甲烷渗透率减少；在相同围压、轴压、孔隙压的条件下，甲烷随温度的升高而降低。

（2）在同一温度、相同围压和轴压条件下，煤样随孔隙压力增加，甲烷解吸量增加；在同一温度、相同孔隙压力条件下，煤样随围压和轴压的增加，甲烷解吸量减少；等温解吸时在同一孔隙压力、相同围压和轴压条件下，煤样随温度增加，甲烷解吸量减少。升温解吸时，解吸量比低温度解吸量增加，孔隙压力越大，解吸量增量越明显。

（3）固体受热膨胀和气体吸热膨胀是影响气体解吸量的主要因素，固体受热膨胀不利于瓦斯解吸，气体吸热膨胀有利于瓦斯解吸；当固体受热膨胀占主导因素时，煤样中孔隙裂隙挤压闭合，气体输送通道被堵塞，解吸量明显降低；当气体吸热膨胀占主导因素时，气体密度减小，活性增强，解吸量增加。