不同溫壓作用下煤體對甲烷吸附量及其變形的試驗研究

劉 健，范家文

(1.山西能源學院，山西 太原 030600；2.山西煤炭運銷集團 晉能煤礦工程公司，山西 太原 030031)

我國煤層氣儲量巨大，據(jù)相關資料統(tǒng)計，對于埋深在2000m以內(nèi)的煤層氣儲量與天然氣儲量接近，可達35×1012m3，故煤層氣的安全高效開采對緩解我國能源緊張以及改善環(huán)境保護問題具有重要的意義[1-3]。目前，我國煤層氣開采的主要方式可分為井下抽采和地面開采兩部分，通過井下抽采技術開采得到的煤層氣濃度低，同時該技術開采難度高、成本巨大，而利用地面鉆采技術抽采的煤層氣濃度可達90%以上，經(jīng)濟效益明顯，故該技術得到廣泛倡導和應用。

瓦斯在煤體中的賦存形態(tài)主要為吸附和游離，其中絕大部分的瓦斯是以吸附態(tài)賦存于煤體中的[4，5]，煤體在吸附瓦斯過程中的力學特征會發(fā)生改變。當煤所處的地層條件不同時，煤體所受的壓力和溫度就不同，即在不同地質賦存條件下的煤體對甲烷的吸附特性主要受到溫度和壓力的影響，因此，研究不同溫壓下煤體對甲烷的吸附特性對礦井瓦斯防治和瓦斯鉆采技術的發(fā)展具有重要的意義。但總體上對于煤體吸附甲烷特性的研究還處于定性研究和理論推導階段，基于此，本文進行不同溫度和壓力下煤體對甲烷的吸附試驗，從而對不同因素作用下煤體對甲烷的吸附量和吸附過程中煤體表現(xiàn)出的變形特征進行定量研究。

1 實驗方案

本次試驗裝置主要包括氣瓶、手動泵、中間容器、高精密驅替泵以及耐高壓反應釜。設置溫度分別為20℃、40℃、60℃以及80℃，孔隙壓力分別為4MPa、5MPa和6MPa，從而進行不同溫度和孔隙壓力下煤體吸附甲烷特性的試驗研究，試驗裝置如圖1所示。

圖1 煤體吸附甲烷特性的試驗裝置示意圖

1.1 實驗步驟

1)首先進行試驗裝置的氣密性檢測。將密封套裝好的標準煤樣置于耐高壓反應釜內(nèi)，設置水浴溫度為20℃，為了模擬煤層所處的地應力環(huán)境，通過高精密驅替泵和空氣壓縮機施加大約8MPa的靜水壓力，打開氣瓶向釜內(nèi)通入氣體，2h后通過觀察是否有氣體排出進行氣密性判定。

2)對裝置進行抽真空工作，然后關閉反應釜的進出氣口，打開中間容器的進氣口和甲烷氣瓶，以便甲烷氣體充入中間容器內(nèi)，當中間容器壓力達到4MPa時關閉中間容器的進氣口，此時中間容器和反應釜組成一個密閉裝置，則煤樣處于4MPa 的氣體壓力下進行吸附。

3)打開釜的進氣口，從而進行煤體吸附甲烷的試驗，當中間容器的壓力幾乎不再變化時說明煤體吸附甲烷達到飽和狀態(tài)。當煤體吸附甲烷過程中產(chǎn)生變形時，驅替泵會進行相應的吸液和排液工作，通過吸排液量的變化可以得到煤體的變形量。

4)孔隙壓力為4MPa下煤體吸附甲烷的試驗完成后，通過調整手動計量泵設置中間容器壓力為下一孔隙壓力，從而進行不同孔隙壓下的吸附試驗。升高水浴槽內(nèi)溫度至下一溫度點，按照同樣方法進行不同溫度下的煤體吸附甲烷試驗。

1.2 煤體吸附量計算

煤體吸附甲烷的試驗處于一個密閉系統(tǒng)中，而且水浴槽控制溫度，使得試驗環(huán)境為恒溫條件，故甲烷氣體滿足理想氣體方程[6，7]，見式(1)。

V0×(P1-P2)=Va×P0

(1)

式中，V0為中間容器內(nèi)部氣體體積，mL；P1為中間容器的初態(tài)壓力，MPa；P2為試驗完成后中間容器壓力，MPa；Va為吸附瓦斯體積，mL；P0為大氣壓強，MPa。

吸附瓦斯體積Va可用公式(2)計算。

Va=V1+V2

(2)

式中，V1為釜內(nèi)體積，mL；V2為煤吸附體積，mL。

1.3 煤體變形計算

此次試驗所用的煤樣是直徑50mm、高度100mm的標準煤樣。在煤體吸附甲烷的過程中，通過監(jiān)測驅替泵的吸排液量來進行煤體變形的分析，此次分析不同因素作用下煤體軸向的變形量，煤體軸向應變的計算公式見式(3)。

ε1=4ΔV/πD2L

(3)

式中，ΔV為在軸向的驅替泵液量變化大小，mL；D和L分別為測試煤樣的徑向和軸向長度，m。

2 不同溫壓作用下煤體吸附量變化特征的研究

不同溫度和孔隙壓下煤體對甲烷吸附量隨時間的變化規(guī)律如圖2所示，從2圖中可以發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下，隨著孔隙壓的增大，煤體對甲烷的吸附量也在增加；另一方面，當孔隙壓不變時，吸附量與溫度呈現(xiàn)負相關關系。當溫度為20℃時，孔隙壓分別為4MPa、5MPa和6MPa下煤體對甲烷的吸附量分別為4.165mL/g、4.695mL/g以及5.162mL/g；當溫度為80℃時，孔隙壓分別為4MPa、5MPa和6MPa下煤體對甲烷的吸附量分別為2.413mL/g、3.486mL/g以及3.948mL/g；由此可見，溫度對煤體的吸附能力起抑制作用。

整體上，在吸附前期(0～30min)吸附量的增加速率較快，在該階段甲烷快速擴充到密閉裝置各處；在吸附中期(30～380min)吸附量的增大速率較緩，在該階段在裝置內(nèi)部各處擴散的氣體達到飽和；在吸附后期(380min～試驗階數(shù))吸附量趨于平穩(wěn)，說明煤體的吸附量基本達到平衡狀態(tài)。

為了直觀地分析溫壓作用下煤體對甲烷吸附量的分布情況，通過origin軟件進行繪制得到吸附量分布的云圖，如圖3所示。

圖2 煤體對甲烷吸附量的變化

圖3 煤體對甲烷吸附量的分布云圖

在圖3中，不同的吸附量分布范圍對應圖中相應的顏色分布區(qū)，從中可以發(fā)現(xiàn)，在吸附量逐步增大的過程中，吸附量分布范圍先增大后減小，幾乎表現(xiàn)為正態(tài)分布趨勢。溫度越低，孔隙壓越高，則吸附量越大，對應于圖中的左上角部分；溫度越高，孔隙壓越低，則吸附量越小，對應于圖3中的右下角部分。

3 溫壓作用下煤體吸附變形特征的研究

不同溫度和孔隙壓力下煤體吸附甲烷的最終的軸向應變量如圖4所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下，隨著孔隙壓力的增大，煤體吸附甲烷的軸向應變量在增大，究其原因，孔隙壓越大，煤體內(nèi)部基質對甲烷分子的吸附難度越小，表現(xiàn)為效果越好；同時，孔隙壓力越大，意味著有效應力越小，有效應力產(chǎn)生的變形效果逐步削弱，煤體吸附達到變形穩(wěn)定需要的時間越長，煤體的塑形應變增強。

軸向應變隨著溫度的升高而逐步減小。溫度對煤體吸附甲烷效應的抑制作用，溫度越高，甲烷氣體越不容易吸附于煤體內(nèi)部基質表面，吸附引起的變形就越小。另一方面，煤體內(nèi)部孔洞裂隙發(fā)育較多，則在溫度的作用下會發(fā)生膨脹，由此可見溫度對甲烷吸附的影響效果要顯著于熱膨脹效果，這樣才使得煤體應變與溫度間表現(xiàn)為負相關關系。溫壓作用下煤體軸向應變?nèi)鐖D5所示。

圖5 煤體吸附甲烷軸向應變的分布云圖

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，軸向應變低于700×10-6區(qū)間所占比例較大，對應于溫度處于40～80℃以及孔隙壓4～5MPa范圍。從圖5中更加直觀發(fā)現(xiàn)，溫度越低，孔隙壓越高，則煤體吸附所表現(xiàn)出的軸向應變越大。

4 等溫吸附特性研究

迄今為止，對于單組份氣體的等溫吸附模型最為常用的為Langmuir模型[8，9]，該理論認為，在固體表面存在著能夠提供氣體分子吸附的吸附位并假設其吸附層數(shù)為單分子層吸附[10]，其方程為：

式中，V為壓力P下煤體對單組份氣體的吸附量，mL/g；PL為壓力常數(shù)，即Langmuir壓力，Pa；VL為最大單層容量，即Langmuir體積，mL/g。

不同溫度和孔隙壓力下甲烷在煤體中的等溫吸附曲線如圖6所示。

圖6 甲烷在煤體中的等溫吸附曲線圖

從圖6可以看出，隨著孔隙壓力的增大，甲烷在煤體中的吸附量幾乎呈線性關系增大，符合Langmuir模型。當溫度為80℃時，煤體對甲烷的吸附量受溫度的影響最為顯著，在此溫度下甲烷的吸附量減小顯著。究其原因，甲烷分子在較高溫度作用下活性提高，該類型的單組份氣體分析難于附著于煤體內(nèi)部的基質表層；同時在反應釜約束應力作用下煤體內(nèi)部的弱面等結構會進一步被壓縮，減小了內(nèi)部吸附空間的比表面積，吸附量減少；另一方面，煤體的塑性特性很強，在80℃的高溫下煤體在外圍三軸應力的作用下表現(xiàn)為明顯的壓縮變形，降低了滲透率，增加了甲烷分子在煤體內(nèi)部通道擴散運移的難度。

圖7 不同溫度下煤體吸附解吸瓦斯后CT灰度圖

在CT灰度圖中(圖7)，黑色位置密度最小，為裂隙所處位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，溫度為80℃時，在60℃下貫通煤體的裂隙閉合，整個圖像顯示裂隙的規(guī)模數(shù)量都減小了，由此證明了上文中得到了在高溫下煤體發(fā)生壓縮，滲透率減小，內(nèi)部吸附空間得到縮減，不利于煤體吸附甲烷的進行。

5 結 論

本文進行不同溫度和壓力下煤體對甲烷的吸附試驗，從而得到了不同溫壓條件下煤體對甲烷氣體的吸附量以及吸附過程中表現(xiàn)出的變形，得到結論如下：

1)隨著溫度的增加，煤體對甲烷的吸附量減小，而且煤體吸附甲烷的過程較為緩慢，溫度對煤體的吸附水平起抑制作用。

2)溫度越低，孔隙壓越高，則煤體吸附所表現(xiàn)出的軸向應變越大。溫度對甲烷吸附的影響效果要顯著于煤體骨架的膨脹效應，這樣才使得煤體應變與溫度間表現(xiàn)為負相關關系。

3)在同一溫度下，隨著孔隙壓力的增大，甲烷在煤體中的吸附量幾乎呈線性關系增大。

4)當溫度為80℃時，煤體對甲烷的吸附量受溫度的影響最為顯著。當溫度為80℃、孔隙壓為4MPa時煤體對甲烷的吸附量僅為2.413mL/g。高溫下甲烷分子的活性提高，而且煤體發(fā)生顯著的壓縮變形。