含瓦斯煤體滲透規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

張志剛

（煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶 400037）

含瓦斯煤體滲透規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

張志剛

（煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶 400037）

利用自行研制的出入口壓差可調(diào)煤巖滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)定了在不同壓差和氣體介質(zhì)條件下，不同吸附性能煤樣的滲透性，對(duì)含瓦斯煤體的滲透規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，煤對(duì)瓦斯的吸附作用是影響煤體滲透特性的主要因素，同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了煤巖的滲透率與瓦斯吸附量的關(guān)系模型。

煤;瓦斯;滲透;吸附

煤是一種特殊的多孔物質(zhì)，其特殊的孔裂隙二重性和對(duì)瓦斯的強(qiáng)吸附作用，使得瓦斯在其內(nèi)部的滲透過(guò)程極其復(fù)雜，包括了滲流、解吸、擴(kuò)散，直接套用達(dá)西定律來(lái)描述煤層中瓦斯的流動(dòng)存在較大的誤差［1－5］。含瓦斯煤體滲透規(guī)律的研究對(duì)于瓦斯涌出量預(yù)測(cè)和煤層氣開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)理論研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析的方法，對(duì)含瓦斯煤體的滲透規(guī)律進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與煤樣的制備

實(shí)驗(yàn)裝置采用煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院自行研制開(kāi)發(fā)的“出入口壓差可調(diào)煤巖滲透測(cè)試裝置”，見(jiàn)圖1。該裝置主要由真空管路系統(tǒng)、氣體壓力控制器、流量測(cè)定系統(tǒng)和滲透罐體組成。滲透罐體兩端的流量系統(tǒng)自實(shí)驗(yàn)開(kāi)始便記錄氣體流量，待氣體滲透達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，將入口段總流量減去出口端總流量即可求得煤樣吸附氣體量。

根據(jù)研究目的，實(shí)驗(yàn)煤樣取自貴州省龍宮煤礦、河南省平煤十礦。龍宮煤礦煤樣為無(wú)煙煤，煤化程度高，平煤十礦煤樣為煙煤，煤化程度較無(wú)煙煤低，孔隙較發(fā)育，煤樣放散瓦斯能力較強(qiáng)。利用專(zhuān)用的巖樣制備裝置將所取煤樣制備成φ50mm× 100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

圖1 煤巖滲透測(cè)試裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在恒溫情況下，實(shí)驗(yàn)采用不同氣體、不同孔隙壓力、不同吸附性能煤樣在不同壓差條件下測(cè)量試件穩(wěn)態(tài)時(shí)氣體滲透流量的方法測(cè)定滲透率。采用排水法與氣體微流量計(jì)相結(jié)合的方法測(cè)量氣體流量。具體步驟如下:

（1）將恒溫水浴加熱到30℃，對(duì)試件恒溫脫氣6h。

（2）恒溫狀態(tài)下通入測(cè)試氣體，調(diào)節(jié)滲透裝置的進(jìn)、出口氣體壓力控制器，吸附24h后，測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)氣體滲透流量。

（3）測(cè)試順序?yàn)?He，CH4，CO2。

2 數(shù)據(jù)處理方法

式中，Kc為煤樣的實(shí)測(cè)滲透率，10－3μm2;μ為氣體的絕對(duì)黏度，Pa·s;p0為實(shí)驗(yàn)室大氣壓，MPa;Q0為穩(wěn)態(tài)時(shí)氣體滲透量，cm3/s;L為煤樣試件長(zhǎng)度，cm;F為煤樣端面面積，cm2;p1，p2分別為煤樣試件入口、出口壓力，MPa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同吸附性能氣體下滲透率的測(cè)定

同一煤樣對(duì)不同的氣體，其吸附性能差異很大。在30℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，煤對(duì)CO2的吸附性能大于CH4，一般認(rèn)為煤對(duì)He基本沒(méi)有吸附性（如圖2所示）。

圖2 煤吸附不同氣體能力比較

為分析吸附作用和煤巖結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性對(duì)氣體在煤體中滲透規(guī)律的影響，本次實(shí)驗(yàn)保持煤樣試件出口端氣壓一定，改變?nèi)肟诙藲鈮?，?duì)同一煤樣分別測(cè)定不同吸附性能氣體下的滲透率，結(jié)果表明:在相同平均氣體壓力下，通入He時(shí)滲透率大于CH4，通入CH4時(shí)滲透率大于CO2，見(jiàn)圖3。

圖3 滲透率與氣體壓力的關(guān)系

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，可以得出:煤體的滲透特性與其氣體介質(zhì)間的吸附作用有著密切的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中的He與煤樣試件無(wú)吸附作用，測(cè)定結(jié)果顯示:He條件下測(cè)定的滲透率隨氣體壓力的增大略有降低（最大偏差4%），呈現(xiàn)出良好的線性滲流特征，因此可以認(rèn)為He在煤體中的滲流過(guò)程較好地服從達(dá)西定律，而通入與煤體有吸附作用的CH4和CO2時(shí)，則表現(xiàn)出明顯的非線性特征。這就直接證明了吸附作用對(duì)煤體滲透特性有著很大的影響，并且從本次通入He時(shí)的滲透率測(cè)定中還可以得出煤體結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性和氣體的可壓縮性對(duì)瓦斯在煤體中滲流非線性特征的產(chǎn)生作用較小，基本可以忽略不計(jì)，分子滑脫效應(yīng)在本次實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)的亦不明顯。

3.2 不同瓦斯吸附量下滲透率的測(cè)定

為了進(jìn)一步研究吸附作用對(duì)煤體滲透特性的影響規(guī)律，本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)出入口氣體壓力控制器，保持煤樣試件出入口兩端壓差一定，改變?cè)嚰骄鶜怏w壓力進(jìn)行了滲透率測(cè)定。一般認(rèn)為，煤吸附瓦斯符合Langmuir方程，即:

式中，Q為吸附瓦斯量，m3/t;a，b為吸附常數(shù);p為吸附平衡壓力，MPa。

由（2）式可知:氣體在煤樣中滲透的進(jìn)出口兩端壓差一定，平均氣體壓力越高，則吸附量越大。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著煤樣中吸附量的增高，煤樣的滲透率呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。并且通過(guò)對(duì)煤樣滲透率K與單位質(zhì)量煤吸附瓦斯量q的回歸分析，發(fā)現(xiàn)K與q之間呈現(xiàn)出良好的負(fù)冪函數(shù)關(guān)系（見(jiàn)圖5）即:

式中，A，B為實(shí)驗(yàn)回歸系數(shù)。

圖4 滲透率與氣體壓力的關(guān)系

圖5 滲透率與吸附量之間的關(guān)系

3.3 原煤和型煤對(duì)比實(shí)驗(yàn)

利用滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)平頂山煤樣進(jìn)行相同平均氣體壓力、不同壓差下滲透率的測(cè)定，比較了型煤樣和原煤樣滲透特性的差異。由圖6可看出，粒度0.2mm以下，型煤成型壓力約100MPa，其滲透率較原煤大，滲透率隨壓差變化的規(guī)律與原煤相似。

圖6 滲透率與氣體壓力變化關(guān)系

型煤的制作由顆粒煤通過(guò)加壓使其內(nèi)部煤粒間形成鉸鏈結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)中型煤的粒徑為0.2mm以下，手搓已無(wú)粒度感，加壓至250kN后成型。從本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可得出，煤的膠結(jié)狀的結(jié)構(gòu)不利于瓦斯的流動(dòng)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)滲透率與吸附量之間較好的符合負(fù)冪函數(shù)的關(guān)系，這與3.2實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論一致，見(jiàn)圖7。

圖7 滲透率與吸附量之間的關(guān)系

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)可以得出:煤本身結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性和氣體的可壓縮性對(duì)于瓦斯在煤體中流動(dòng)的非線性特征的產(chǎn)生起著微小的作用，基本可以忽略不計(jì)。而影響瓦斯在煤體中滲透規(guī)律的主控因素是煤對(duì)瓦斯氣體的吸附作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，認(rèn)為吸附作用對(duì)瓦斯在煤體中滲透規(guī)律影響的機(jī)理為:

（1）一般認(rèn)為瓦斯在煤體裂隙中的流動(dòng)屬于層流，而任何一種流體 （氣體或液體），在固體表面上流動(dòng)時(shí)，都存在一個(gè)流動(dòng)滯緩的邊界層。邊界層的流速遠(yuǎn)低于內(nèi)部流體的流速。邊界層的存在，是固體表面對(duì)流體分子親和作用的結(jié)果。邊界層通常很薄，對(duì)于管道流動(dòng)來(lái)說(shuō)，幾乎不影響管徑的大小，但對(duì)于細(xì)小的煤巖孔裂隙來(lái)說(shuō)，邊界層的影響就不能忽略了。邊界層的存在，使孔徑變小，滲透率將降低。實(shí)驗(yàn)中He測(cè)量的滲透率比CH4高，而CH4的測(cè)量結(jié)果又比CO2高。這是因?yàn)闃O性固體表面對(duì)非極性氣體He的吸附作用最弱，邊界層也最薄，因而滲透率最高。CO2的極性最強(qiáng)，邊界層也最厚，因而滲透率也最低。

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于煤樣試件吸附瓦斯量的增加使得煤基質(zhì)產(chǎn)生膨脹，降低了煤體孔隙率，從而造成瓦斯在煤體中的流動(dòng)通道面積減少，直接增加了瓦斯在煤體中的流動(dòng)阻力。

（3）在瓦斯流向上，將煤體劃分為若干個(gè)膜傳質(zhì)單元 （如圖8所示），根據(jù)Langmuir界面動(dòng)態(tài)吸附理論［7］知，固體表面吸附是個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，當(dāng)瓦斯?jié)B透過(guò)煤體定向傳遞時(shí)，煤體表面吸附應(yīng)是吸附速度、脫附速度與傳遞速度三者的平衡過(guò)程，因此，煤體的每個(gè)膜單元傳質(zhì)過(guò)程包括:瓦斯1側(cè)膜表面的動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程、膜內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程、瓦斯2側(cè)膜表面的動(dòng)態(tài)脫附過(guò)程，如圖9所示。

圖8 一維瓦斯流向上煤體傳質(zhì)單元的劃分

圖9 膜單元瓦斯動(dòng)態(tài)吸附傳遞過(guò)程

因此，煤體膜單元的動(dòng)態(tài)吸附傳質(zhì)阻力為界面吸附阻力、內(nèi)部滲透阻力及界面脫附阻力的串聯(lián)。無(wú)吸附作用時(shí)氣體在煤體中的滲透阻力只來(lái)自于煤體結(jié)構(gòu)本身，而無(wú)界面吸附與脫附阻力。瓦斯氣體在煤體中滲透時(shí)“吸附－脫附－傳遞”的動(dòng)態(tài)過(guò)程也是影響煤體滲透特性的重要因素之一。

4 結(jié)論

（1）煤體本身結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性和滲透氣體的可壓縮性，對(duì)于氣體在煤體中滲流的非線性特征的產(chǎn)生起著微小的作用，基本可以忽略不計(jì)。

（2）影響煤體滲透特性的主控因素是煤對(duì)氣體介質(zhì)的吸附作用。

（3）由于煤對(duì)瓦斯的吸附作用，使得瓦斯在煤體中的流動(dòng)呈現(xiàn)出特有的非線性特征。吸附瓦斯對(duì)煤體滲透特性起著決定性的作用，吸附量大，滲透率小，瓦斯在煤體中流動(dòng)的阻力大，并且通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，發(fā)現(xiàn)煤巖滲透率與單位質(zhì)量煤吸附瓦斯量之間具有較好的負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。

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［7］趙振國(guó).界面化學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

Experimental Research on Seepage Rule of Coal-body Absorbed by Methane

ZHANG Zhi-gang

（Chongqing Research Institute，China Coal Research Institute，Chongqing 400037，China）

Permeability of coal sampleswith different absorption ability was tested and penetrative rule was researched under different pressure differentials and gasmediums by applying self-developed coal-rock seepage experiment system，whose inlet pressure differential was adjustable Results showed that the absorption action of coal onmethane was important factor of influencing coal permeability By analyzing test data，relationship model of coal-rock permeability and methane absorbance was set up.

coal;methane;seepage;absorption

TD712.2

A

1006-6225（2011）05-0015-04

2011－02－21

重慶市科委自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目 （CSTC，2010BB6118）

張志剛 （1978－），男，山西忻州人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事煤礦瓦斯治理研究工作。

［責(zé)任編輯:施紅霞］