吸附作用對(duì)原煤滲透特性的影響

覃世福，李小亮

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400042；2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心，重慶400042)

煤礦瓦斯災(zāi)害是煤礦生產(chǎn)中的一種嚴(yán)重自然災(zāi)害，長(zhǎng)期以來(lái)瓦斯一直被當(dāng)作“有害”氣體處理。20世紀(jì)80年代，美國(guó)首先從地面開(kāi)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(guó)的高度重視。據(jù)近年來(lái)的測(cè)算，中國(guó)瓦斯資源總量為31.46萬(wàn)億m3[1]，對(duì)瓦斯的合理利用，能較好的解決我國(guó)能源短缺的問(wèn)題。但是，抽采瓦斯是一項(xiàng)新的技術(shù)難題，要求掌握煤層瓦斯運(yùn)移的基本規(guī)律，而滲透率是進(jìn)行煤層瓦斯流動(dòng)分析的重要參數(shù)，提高瓦斯?jié)B透率是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層瓦斯?jié)B透特性進(jìn)行了大量研究，周世寧和林柏泉[2]研究了有效應(yīng)力作用下瓦斯的滲透特性；曹樹(shù)剛等[3-4]研究了瓦斯壓力對(duì)原煤滲透特性的影響；唐巨鵬等[5]研究了加載和卸載過(guò)程中，有效應(yīng)力對(duì)煤層氣解吸滲流影響；張健等[6]研究了煤層應(yīng)力對(duì)裂隙滲透率的影響；Enever J R E[7]研究了在不同有效應(yīng)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(yīng)力和瓦斯壓力對(duì)煤層滲透特性的影響，而有關(guān)吸附作用對(duì)原煤滲透特性的影響報(bào)道較少。本文以典型突出煤層的原煤試樣為研究對(duì)象，利用自主研制的煤巖三軸滲流裝置，開(kāi)展了不同吸附性氣體滲流特性的對(duì)比研究，尋找吸附作用對(duì)原煤滲透特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)巖樣取自重慶市松藻煤電集團(tuán)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(tǒng)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(zhì)測(cè)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(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用重慶大學(xué)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(yàn)加載設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)液壓伺服力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，全數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。高壓氣罐提供所需模擬氣體。氣體流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用電子氣體流量計(jì)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1—高壓氣罐；2—壓力表；3—控制閥；4—進(jìn)氣管；5—保護(hù)墊；6—排氣管；7—液壓油；8—帶孔活塞；9—試樣；10—引伸計(jì)；11—出油管；12—出氣管；13—進(jìn)油管；14—油箱；15—電子氣體流量計(jì)；16—計(jì)算機(jī)

圖1 煤巖三軸滲透裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

為了考察吸附作用對(duì)原煤滲透特性的影響，開(kāi)展了吸附性強(qiáng)的CO2和吸附性弱的N2條件下的滲透試驗(yàn)[2]。氣體壓力分為0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa和1.5MPa五個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)前，用金屬試件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氣密性檢測(cè)，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①在煤樣側(cè)面涂上704硅橡膠，以防止試驗(yàn)過(guò)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(fēng)機(jī)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(jù)試驗(yàn)要求連接好各系統(tǒng)。③對(duì)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(dòng)時(shí)，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(shù)據(jù)。試驗(yàn)中采用軸向應(yīng)力控制方式加載，加載速率0.2kN/s。三軸試驗(yàn)軸壓、圍壓都分為2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa和6.0MPa五個(gè)等級(jí)。

試驗(yàn)過(guò)程中，為防止試件內(nèi)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(guò)。當(dāng)煤樣中充入氮?dú)庾鰸B透實(shí)驗(yàn)時(shí)，重復(fù)上述步驟。

本試驗(yàn)的缺點(diǎn)是，忽略氣體壓力下降時(shí)，煤體由吸附引起的殘余變形。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 滲透率的計(jì)算

在正常壓力范圍內(nèi)，煤體內(nèi)瓦斯流動(dòng)狀態(tài)屬于層流運(yùn)動(dòng)。所以，可以根據(jù)達(dá)西直線(xiàn)滲透定律，得到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣滲透率的計(jì)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(shí)驗(yàn)室的大氣壓，MPa；Q為氣體流量，cm3/s；L為煤體試件長(zhǎng)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(duì)滲透率的影響

利用式(1)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到兩種不同氣體的壓力值與滲透率之間的關(guān)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(qiáng)弱，有以下5種規(guī)律：

1) 對(duì)于同一煤樣，在相同應(yīng)力狀態(tài)和氣體壓力下，氣體吸附性越強(qiáng)，煤樣滲透率越低，隨著氣體壓力的增大，這種關(guān)系越明顯。例如，在軸壓3MPa、圍壓2MPa，氣體壓力在5種不同等級(jí)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(dāng)軸壓3MPa、圍壓2MPa(3MPa)固定時(shí)，隨著氣體壓力的增加，氮?dú)獾脑簼B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(dá)到0.89MPa(1.37MPa)后，又表現(xiàn)出略微增大的趨勢(shì)，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(shí)，氣體壓力達(dá)到1.37MPa后，以15.6%的增大幅度回升；氣體壓力達(dá)到1.37MPa以前，以86.5%的降低幅度下降。

3) 當(dāng)軸壓3MPa、圍壓超過(guò)3MPa(2MPa)后，氮?dú)?二氧化碳)的原煤滲透率開(kāi)始表現(xiàn)出大幅度降低，最終變化趨于平緩。

4) 當(dāng)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?dú)獾脑簼B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(shuō)明當(dāng)氣體壓力和軸壓不變、圍壓小于5MPa時(shí)，氣體吸附性越弱，受?chē)鷫河绊懺酱?；圍壓大?MPa后，氣體吸附性越強(qiáng)，受?chē)鷫河绊懺叫　?/p>

5) 在相同條件下，隨著氣體壓力的增加，氣體吸附性越強(qiáng)，滲透率減小率越大。這說(shuō)明了氣體吸附性越強(qiáng)，煤對(duì)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(guān)系曲線(xiàn)

分析以上情況的原因可能為：氣體吸附性越強(qiáng)，在煤體孔隙內(nèi)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(dāng)軸壓和圍壓固定時(shí)(氮?dú)鈬鷫翰怀^(guò)3MPa，二氧化碳圍壓不超過(guò)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(dǎo)致了煤樣滲透率降低。當(dāng)氣體壓力超過(guò)一定值時(shí)，煤樣對(duì)氣體的吸附達(dá)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(yīng)力引起的基質(zhì)壓縮使孔隙通道增大程度，即對(duì)外表現(xiàn)出滲透率有所回升。當(dāng)圍壓超過(guò)一定值后(氮?dú)鈬鷫?MPa，二氧化碳圍壓2MPa)，由吸附膨脹引起的變形，相對(duì)于圍壓對(duì)煤體的壓縮變形可以忽略。因此，滲透率-氣體壓力關(guān)系曲線(xiàn)，前階段表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，后階段變化趨于平緩。

2.3 數(shù)據(jù)擬合

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系，見(jiàn)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(guān)系數(shù)。

從式(3)和(4)可看出，氣體壓力和滲透率的關(guān)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(shù)且是大于零。

3 吸附量對(duì)原煤滲透率的影響

前人的研究表明[2]，煤對(duì)氣體的吸附屬于單分子層物理吸附。因此，可以運(yùn)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(guān)系：

(5)

式中：Xx為單位質(zhì)量固體表面吸附的瓦斯量，m3/t；a為給定溫度下單位質(zhì)量固體的極限吸附量，m3/t；b為L(zhǎng)angmuir壓力常數(shù)，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(yīng)力和滲透率的關(guān)系

煤吸附氣體必然會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，煤粒變形向孔隙空間發(fā)展必然會(huì)受到有限空間的限制而產(chǎn)生一種力，即吸附膨脹應(yīng)力。而煤的吸附能力越強(qiáng)，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(yīng)力和滲透率的關(guān)系，也顯得十分重要。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]煤吸附膨脹線(xiàn)應(yīng)變?chǔ)牛?/p>

(8)

式中：ρ為煤的視密度，t/m3；T為絕對(duì)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(duì)煤的力學(xué)作用主要是吸附氣體引起的。吸附能使煤產(chǎn)生膨脹變形，在約束條件下產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，而煤粒接觸點(diǎn)處相當(dāng)于單向受壓狀態(tài)，所以吸附膨脹應(yīng)力與吸附膨脹變形服從Hooke定律。那么可得出吸附膨脹應(yīng)力σp表達(dá)式：

(9)

由式(9)反解，可求出孔隙壓力和吸附膨脹應(yīng)力的關(guān)系：

(10)

在將式(10)代入式(3)，得到吸附膨脹應(yīng)力和滲透率K的關(guān)系：

(11)

5 討 論

通過(guò)對(duì)煤體滲透性的長(zhǎng)期研究[1-3]發(fā)現(xiàn)，煤體應(yīng)力對(duì)煤體的滲透性影響十分顯著，可認(rèn)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(shù)途徑”。但先后采用多種卸壓試驗(yàn)來(lái)提高瓦斯的滲透率，其效果收效甚微。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在氣體壓力較低范圍內(nèi)，吸附作用對(duì)原煤滲透率的影響起著重要作用。因此，我們可以考慮運(yùn)用煤對(duì)各種氣體的吸附不同，來(lái)提高瓦斯抽采。文獻(xiàn)[2]指出，當(dāng)CH4和CO2混合時(shí)，在正常壓力范圍內(nèi)，煤對(duì)CO2的吸附始終大于對(duì)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(shì)阱深度大于CH4分子的吸附勢(shì)阱深度，在競(jìng)爭(zhēng)相同的吸附位中CO2占得優(yōu)勢(shì)。所以，吸附的CH4分子逐步被游離的CO2分子置換，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，游離的CH4分子逐步增多，再進(jìn)行抽采，就有可能達(dá)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(lái)封存CO2，即解決了環(huán)境問(wèn)題，又達(dá)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(shí)煤對(duì)CO2、CH4和混合組分吸附的研究，將是下一步所作的工作。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)打通一礦典型的突出煤層進(jìn)行了CO2和N2滲流的試驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論：

1) 在相同條件下，吸附性越強(qiáng)，原煤滲透率越低，且受?chē)鷫河绊懺叫?。在氣體壓力較低范圍內(nèi)，吸附作用是原煤滲透率的主導(dǎo)因素。

2) 在圍壓較低范圍內(nèi)，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(xiàn)出開(kāi)始時(shí)滲透率大幅度降低，隨后表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中氣體吸附性越強(qiáng)，滲透率下降幅度越大，而后期上升幅度越小。同時(shí)，氣體吸附性越強(qiáng)，原煤滲透率最小值對(duì)應(yīng)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(qiáng)，煤對(duì)其吸附量增加幅度越大。同時(shí)，吸附量的增加，原煤滲透率下降。

4) 給出了吸附膨脹應(yīng)力K與滲透率p的關(guān)系表達(dá)式。

[1] 馮增朝.低滲透煤層瓦斯強(qiáng)化抽采理論及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[2] 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[3] 曹樹(shù)剛，郭平，李勇，等. 瓦斯壓力對(duì)原煤滲透特性的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(4)：595-599.

[4] 曹樹(shù)剛，李勇，郭平，等.型煤與原煤全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程滲流特性對(duì)比研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(5)：899-906.

[5] 唐巨鵬，潘一山，李成全，等. 有效應(yīng)力對(duì)煤層氣解吸滲流影響試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(8)：1563-1568.

[6] 張健，汪志明.煤層應(yīng)力對(duì)裂隙滲透率的影響[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，6(32)：92-95.

[7] ENEVER J R E，HENNING A. The relationship between permeability and effective stress for austrlian coal and its implications with resport to coalbed methane exploration and reservoir modeling[C]//Proceedings of the 1997 International Coalbed Methane Symposium. [S.1.]：[S.n.]，1997：13-22

[8] 孔祥言.高等滲流力學(xué)[M]. 合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1999.

[9] 吳世躍，趙文.含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，5(10):1674-1678.