煤體CO2吸附/解吸變形特征及變形模型

張遵國(guó)，陳 毅，唐 朝，馬凱欣，張春華

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

煤層CO地質(zhì)儲(chǔ)存與煤層氣強(qiáng)化開采技術(shù)(CO-ECBM)不僅能提高煤層氣采收率，還能起到CO地質(zhì)封存的作用，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要手段。但煤體在吸附CO過程中會(huì)發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致滲透率減小，影響CO的可注性，進(jìn)而影響CO封存和煤層氣的驅(qū)替效果。由此可知，研究煤體CO吸附/解吸特征及變形特征對(duì)增強(qiáng)煤層CO可注性技術(shù)的發(fā)展和評(píng)價(jià)煤層CO封存技術(shù)的適用性意義重大。而我國(guó)煤炭種類繁多，不同煤階煤體對(duì)CO的吸附能力及膨脹變形特征不甚相同，開展此方面的研究十分必要。

針對(duì)煤體吸附CO膨脹變形特征，國(guó)內(nèi)外研究者開展了大量研究。賀偉等研究了不同煤階煤樣CO吸附特性及煤樣吸附變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO吸附量隨煤階升高而增大，體應(yīng)變量隨煤階升高而減??；而DURUCAN等通過開展煤樣吸附CO變形試驗(yàn)，提出CO注入引起的基質(zhì)膨脹對(duì)煤的滲透率有嚴(yán)重的影響，并發(fā)現(xiàn)煤的膨脹量隨煤階升高而增大，認(rèn)為這與高煤階煤較大的吸附量有關(guān)；張倍寧等則測(cè)量分析了CO注入儲(chǔ)存過程中煤體膨脹變形特性，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)存相同量的氣態(tài)CO，貧煤的體積膨脹應(yīng)變>弱黏煤>貧瘦煤。

為定量描述煤的吸附變形特征，業(yè)界學(xué)者建立了大量吸附變形模型。理論推導(dǎo)方面，吳世躍等根據(jù)表面物理化學(xué)和彈性力學(xué)原理，推導(dǎo)了煤吸附膨脹變形理論公式；郭平等、LIU H等基于吸附過程中煤的表面自由能變化等于煤體彈性能變化的基本假設(shè)，考慮煤樣吸附膨脹作用以及氣體壓力對(duì)煤的壓縮作用兩方面因素，推導(dǎo)了煤體吸附膨脹變形表達(dá)式；但以上推導(dǎo)均是將煤視作各向同性的彈性體，符合胡克定律，且假定煤樣的體積模量或彈性模量為定值。GUO X等、ZHANG X等則從煤的吸附膨脹特性著手，考慮煤樣吸附量對(duì)于膨脹變形的影響，用吸附量乘以變形系數(shù)，得到了表征吸附膨脹與吸附量的關(guān)系模型，但他們均默認(rèn)煤的變形系數(shù)為定值，即認(rèn)為吸附膨脹與吸附量呈線性關(guān)系。試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者則主要采用Langmuir方程描述煤樣的吸附膨脹變形特征；劉延保在Langmuir方程基礎(chǔ)上增加了煤樣解吸過程的殘余體應(yīng)變，建立了改進(jìn)的Langmuir方程，可以描述煤樣解吸應(yīng)變量與平衡壓力的關(guān)系。

相關(guān)研究表明，原煤吸附/解吸氣體變形具有明顯的各向異性，且煤吸附氣體后力學(xué)強(qiáng)度會(huì)顯著降低，表現(xiàn)為彈性模量減小，與理論模型的假設(shè)條件不符。此外，WANG Z等通過試驗(yàn)研究提出煤的吸附膨脹與吸附量之間存在多項(xiàng)式關(guān)系，現(xiàn)有理論模型的適用性有待進(jìn)一步研究。

縱觀以上研究成果，吸附膨脹變形與煤階的關(guān)系仍存在爭(zhēng)議，且現(xiàn)有研究大多僅考慮了吸附過程的變形特征和變形模型，對(duì)解吸過程的變形特征和變形模型的研究較少，針對(duì)煤樣吸附/解吸變形特征以及變形模型還需進(jìn)一步研究。鑒于此，筆者利用自行研制的煤層高壓吸附/解吸(變形)試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了3種不同煤階原煤等溫吸附/解吸CO過程中吸附量與變形量同步測(cè)試試驗(yàn)，分析了煤體吸附/解吸CO變形特征及煤體應(yīng)變與吸附量的關(guān)系，建立了應(yīng)變量-吸附量關(guān)系模型以及煤樣吸附/解吸CO變形模型，探討了不同煤階煤CO可注性及CO封存技術(shù)的適用性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)煤樣

煤樣分別取自山西省沁水煤田潞安礦區(qū)常村煤礦3號(hào)煤層(屬古生界二疊系下統(tǒng)山西組)、黑龍江省鶴崗礦區(qū)峻德煤礦17號(hào)煤層(屬中生界白堊系下統(tǒng)石頭河子組)、遼寧省南票礦區(qū)小凌河煤礦主采煤層(屬古生界石炭二疊系含煤地層)，各煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)煤樣工業(yè)分析結(jié)果

利用取心機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)取回的煤塊沿垂直層理方向鉆取出25 mm的煤心，采用切割機(jī)把煤心加工為尺寸約25 mm×50 mm的煤樣后，再用砂紙把煤樣端面打磨平整，制得不同煤階原煤試樣各3個(gè)，如圖1所示。為盡可能減小相同煤階煤樣之間的差異性，同種煤階的煤樣均取自同一煤塊，且為排除水分差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，加工好的煤樣均放入烘干箱以75 ℃烘24 h以上直到煤樣1 h內(nèi)質(zhì)量不變，認(rèn)為煤樣被烘干，然后開展后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)煤樣

1.2 試驗(yàn)裝置

如圖2所示，試驗(yàn)利用自主研制的煤層高壓吸附/解吸(變形)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過高壓容積法測(cè)定煤樣吸附量，通過電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)定煤樣變形量，從而實(shí)現(xiàn)煤樣吸附量和變形量同步測(cè)試功能。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

1.3 試驗(yàn)流程

吸附/解吸試驗(yàn)參照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》進(jìn)行。首先設(shè)置試驗(yàn)溫度為30 ℃，將煤樣置于樣品罐中，抽真空24 h以上，然后采用高純度He(體積分?jǐn)?shù)99.99 %)標(biāo)定自由空間體積。

采用高純度CO(體積分?jǐn)?shù)99.99 %)作為吸附質(zhì)，按照加壓—平衡—加壓過程，逐級(jí)提高氣體壓力進(jìn)行吸附，當(dāng)達(dá)到最高試驗(yàn)壓力后按照降壓—平衡—降壓過程逐級(jí)降低氣體壓力進(jìn)行解吸。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集氣體壓力數(shù)據(jù)，并依據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的煤樣質(zhì)量和試驗(yàn)過程中采集的氣體壓力數(shù)據(jù)計(jì)算不同平衡壓力下煤樣的CO吸附/解吸量。

試驗(yàn)過程中，由于煤樣不同和吸附平衡壓力不同，達(dá)到吸附平衡壓力的時(shí)間也不同。當(dāng)30 min內(nèi)氣體壓力波動(dòng)小于傳感器測(cè)量精度(0.01 MPa)時(shí)，認(rèn)為煤樣達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。一個(gè)試驗(yàn)壓力達(dá)到平衡歷時(shí)12～48 h不等，升壓吸附—降壓解吸全過程試驗(yàn)周期為12～18 d。

此外，通過在制好的各原煤側(cè)面中部光滑無明顯裂紋處垂直粘貼2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)，分別測(cè)定試驗(yàn)過程中煤樣的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 等溫吸附/解吸特征

試驗(yàn)得到煤樣CO等溫吸附/解吸曲線如圖3所示，圖3中實(shí)線為等溫吸附曲線，虛線為等溫解吸曲線。

圖3 煤樣等溫吸附/解吸曲線

已有研究表明，基于微孔填充理論的D-A方程對(duì)CO等溫吸附數(shù)據(jù)的擬合精度最高，更適用于解釋煤中CO的吸附行為。因此，采用D-A方程(式(1))對(duì)各煤樣CO等溫吸附/解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。

(1)

式中，為氣體吸附量，mL/g；為飽和吸附量，mL/g；為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；為熱力學(xué)溫度，K；為平衡壓力，MPa；為氣體的飽和蒸氣壓，MPa；為特征吸附能；為吸附劑結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性系數(shù)。

表2 D-A模型擬合參數(shù)

結(jié)合圖3和表2可以發(fā)現(xiàn)，各煤階原煤CO等溫吸附/解吸特征存在以下規(guī)律：

(1)相同平衡壓力條件下CO吸附量關(guān)系為貧煤>1/3焦煤>氣煤，但飽和吸附量關(guān)系為貧煤>氣煤>1/3焦煤。

(2)不同煤階煤CO等溫解吸曲線均位于等溫吸附曲線上方，存在明顯解吸滯后現(xiàn)象。采用IHI(Improved hysteresis index)吸附/解吸滯后定量評(píng)價(jià)模型(式(2))分析煤的解吸滯后性。

(2)

式中，為實(shí)測(cè)遲滯區(qū)域面積；為理想狀態(tài)完全非可逆遲滯區(qū)域面積；為解吸曲線區(qū)域的面積；為吸附曲線區(qū)域的面積；為理想狀態(tài)完全非可逆吸附區(qū)域面積。

IHI越接近1，解吸滯后性越強(qiáng)。根據(jù)式(2)計(jì)算得出貧煤解吸滯后系數(shù)是19%，1/3焦煤是28%，氣煤是69%，顯然，各煤階煤樣解吸滯后性關(guān)系為：氣煤>1/3焦煤>貧煤。

2.2 等溫吸附/解吸應(yīng)變曲線變化規(guī)律

煤樣等溫吸附/解吸應(yīng)變曲線如圖4所示，圖4中實(shí)線為等溫吸附應(yīng)變曲線，虛線為等溫解吸應(yīng)變曲線。體應(yīng)變由縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

從圖4可以看出，氣煤3吸附過程各向應(yīng)變與平衡壓力表現(xiàn)出線性關(guān)系(線性擬合精度>0.99)，其他煤樣吸附/解吸過程各向應(yīng)變與平衡壓力均表現(xiàn)出非線性關(guān)系。相同平衡壓力下，煤吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系整體上表現(xiàn)為：貧煤>1/3焦煤>氣煤，與相同平衡壓力下CO吸附量關(guān)系一致，說明吸附量是影響煤吸附/解吸變形的主要因素。

從圖4還可以看出，解吸過程中，不同煤樣體應(yīng)變曲線同時(shí)存在解吸應(yīng)變滯后和解吸應(yīng)變超前2種現(xiàn)象，并在完全解吸后存在殘余變形和富余變形。其中，解吸應(yīng)變超前現(xiàn)象指解吸體應(yīng)變曲線位于吸附體應(yīng)變曲線下方，相同平衡壓力下解吸過程體應(yīng)變小于吸附過程體應(yīng)變；富余變形指完全解吸后煤樣體應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，煤樣體積較原始體積縮小，解吸應(yīng)變滯后和殘余變形則相反。

圖4 煤樣吸附/解吸過程應(yīng)變-平衡壓力關(guān)系曲線

此外，隨煤階升高，解吸體應(yīng)變曲線逐漸由“滯后”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺啊薄饷?整體表現(xiàn)為解吸應(yīng)變超前，氣煤2和氣煤3則表現(xiàn)為明顯的解吸應(yīng)變滯后；1/3焦煤1和1/3焦煤2表現(xiàn)為解吸應(yīng)變滯后，1/3焦煤3則表現(xiàn)為解吸應(yīng)變超前，但滯后性和超前性都不明顯；3個(gè)貧煤則均表現(xiàn)為解吸應(yīng)變超前。文獻(xiàn)[25]提出吸附態(tài)氣體的解吸滯后性會(huì)導(dǎo)致解吸應(yīng)變滯后特征。如前所述，氣煤、1/3焦煤、貧煤3種煤樣隨煤階升高，解吸滯后性逐漸減弱，促使煤的解吸體應(yīng)變曲線由“滯后”向“超前”轉(zhuǎn)變。

2.3 煤樣變形各向異性特征

采用各向異性系數(shù)(不同平衡壓力下煤樣縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比值)分析各煤樣變形各向異性，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 煤樣各向異性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3中，各向異性系數(shù)為負(fù)值指煤樣在平衡壓力下縱向變形與橫向變形方向相反，即一個(gè)表現(xiàn)為膨脹變形，另一個(gè)表現(xiàn)為收縮變形，多出現(xiàn)在低壓解吸條件下。此外，為降低極端值對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，計(jì)算平均值時(shí)去除最小值和最大值。

由表3結(jié)合圖4可知，多數(shù)情況下，原煤吸附/解吸的縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變(各向異性系數(shù)平均值>1)，但由于原煤具有非均質(zhì)性，不同原煤煤樣內(nèi)部的孔裂隙結(jié)構(gòu)存在差異，力學(xué)性質(zhì)不盡相同，吸附/解吸過程中同樣存在縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變相差不大(各向異性系數(shù)平均值≈1，例如貧煤1解吸過程和1/3焦煤2的吸附/解吸過程)以及縱向應(yīng)變小于橫向應(yīng)變(各向異性系數(shù)平均值<1，例如1/3焦煤1、1/3焦煤3的吸附/解吸過程以及氣煤2解吸過程)的現(xiàn)象。

2.4 煤樣變形離散性特征

由2.2節(jié)分析可知，吸附過程氣煤各向應(yīng)變與平衡壓力同時(shí)存在線性和非線性關(guān)系，且氣煤和1/3焦煤等溫解吸應(yīng)變曲線同時(shí)存在滯后性和超前性2種特征，原煤等溫吸附/解吸應(yīng)變曲線具有離散性特征。因此，采用變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)對(duì)吸附/解吸過程各平衡壓力下體應(yīng)變的離散程度進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 煤樣吸附/解吸變形離散性特征

由圖5可以看出，吸附過程，貧煤各平衡壓力下體應(yīng)變量的變異系數(shù)介于1.42%～5.04%，平均值為1.86%；1/3焦煤介于38.61%～51.72%，平均值為42.99%；氣煤則介于1.39%～63.29%，平均值為22.13%。解吸過程，貧煤各平衡壓力下體應(yīng)變量的變異系數(shù)介于-99.21%～35.85%，平均值為5.97%；1/3焦煤介于-83.07%～42.96%，平均值為39.96%；氣煤則介于-122.53%～684.56%，平均值為43.75%(計(jì)算平均值時(shí)去除了最小值和最大值)。

由此可知，1/3焦煤和氣煤吸附/解吸過程各平衡壓力下應(yīng)變量差異明顯，離散性大；而貧煤各平衡壓力下應(yīng)變量無明顯差異，離散性小。此外，從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，隨平衡壓力逐漸增大，吸附/解吸過程各煤樣應(yīng)變的變異系數(shù)逐漸減小，離散性降低。

3 煤體CO2等溫吸附/解吸變形模型

3.1 體應(yīng)變-吸附量關(guān)系模型

根據(jù)煤樣等溫吸附/解吸過程體應(yīng)變和吸附量數(shù)據(jù)，得到體應(yīng)變-吸附量關(guān)系如圖6所示，圖6中實(shí)線表示吸附過程，虛線表示解吸過程。

圖6 煤樣體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，煤樣吸附/解吸變形與吸附量具有明顯的非線性關(guān)系，且氣煤、1/3焦煤、貧煤3種煤階煤樣體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線隨煤階升高逐漸右移，表現(xiàn)為吸附相同量的CO，煤體產(chǎn)生的體應(yīng)變逐漸減少，煤的膨脹變形能力(單位吸附量下產(chǎn)生的應(yīng)變量，即應(yīng)變量/吸附量)關(guān)系為氣煤>1/3焦煤>貧煤。但從2.2節(jié)分析可知，相同平衡壓力條件下不同煤階煤吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系為：貧煤>1/3焦煤>氣煤，與各煤階煤的膨脹變形能力關(guān)系相反。這是因?yàn)橄嗤胶鈮毫ο赂呙弘A煤CO吸附量更大，導(dǎo)致高煤階煤即使膨脹變形能力較小，但相同平衡壓力下仍具有更大的膨脹變形量。由此可知，煤樣應(yīng)變量由吸附量和膨脹變形能力綜合決定。

煤樣吸附/解吸過程中的膨脹變形能力曲線如圖7所示。由于完全解吸后煤樣存在富余變形或殘余變形，即煤樣解吸體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線存在截距，導(dǎo)致煤樣膨脹變形能力的計(jì)算值為無窮大，但該截距對(duì)煤樣解吸體應(yīng)變-吸附量關(guān)系的整體規(guī)律沒有影響。因此，將煤樣完全解吸后的富余變形值或殘余變形值作為常數(shù)項(xiàng)，通過上下平移解吸體應(yīng)變-吸附量曲線消除截距，以煤樣的富余變形值或殘余變形值作為零點(diǎn)計(jì)算膨脹變形能力。

圖7 吸附/解吸過程煤樣膨脹變形能力曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，吸附/解吸過程煤樣的膨脹變形能力并非一個(gè)定值。采用線性函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)等常用函數(shù)對(duì)各煤樣吸附/解吸過程膨脹變形能力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，二次函數(shù)對(duì)吸附過程膨脹變形能力數(shù)據(jù)的擬合精度最高(除氣煤1擬合精度為0.95，其余煤樣擬合精度均>0.97)；二次函數(shù)和冪函數(shù)對(duì)解吸過程膨脹變形能力數(shù)據(jù)均具有較高的擬合精度(所有煤樣的擬合精度均>0.99)，但考慮到解吸是吸附的逆過程，認(rèn)為吸附/解吸過程煤樣膨脹變形能力與吸附量的關(guān)系均可以用二次函數(shù)表示：

=+

(3)

=+

(4)

式中，為膨脹變形能力，g/mL；為吸附量，mL/g；為擬合參數(shù)，g/mL；為擬合參數(shù)，g/mL；下腳標(biāo)x和j分別代表吸附過程和解吸過程。

進(jìn)而得到吸附過程應(yīng)變量與吸附量模型為

==+

(5)

式中，為吸附過程應(yīng)變量，10。

由于完全解吸后煤樣存在富余變形或殘余變形現(xiàn)象，因此解吸過程應(yīng)變量與吸附量模型應(yīng)在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上加上富余應(yīng)變或殘余應(yīng)變量：

=+Δ=++Δ

(6)

式中，為解吸過程應(yīng)變量，10；Δ為完全解吸后的殘余應(yīng)變量或富余應(yīng)變量，10。

采用式(5)，(6)分別對(duì)吸附/解吸過程體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，均具有較高擬合精度(所有煤樣擬合精度均>0.98)，采用該模型能夠較好反映體應(yīng)變-吸附量關(guān)系，即煤樣吸附/解吸CO過程中應(yīng)變量和吸附量呈三次函數(shù)關(guān)系。

3.2 吸附/解吸CO2變形模型

煤體吸附/解吸變形是受吸附膨脹和孔隙壓力影響的耦合過程。但現(xiàn)有理論模型普遍將吸附膨脹作用和孔隙壓力作用導(dǎo)致的變形分開進(jìn)行分析，忽略了2者之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。一方面，氣體吸附會(huì)誘發(fā)煤基質(zhì)產(chǎn)生細(xì)觀損傷，使煤的力學(xué)性質(zhì)劣化，這將導(dǎo)致煤樣受孔隙壓力作用產(chǎn)生的變形更明顯。另一方面，煤樣在孔隙壓力作用下發(fā)生變形也會(huì)改變煤樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)，影響煤樣的吸附量，進(jìn)而影響煤體的吸附變形。而這些復(fù)雜耦合關(guān)系難以通過常規(guī)測(cè)試手段進(jìn)行量化分析，只能通過煤樣的應(yīng)變量宏觀反映。

因此，不宜分開討論吸附膨脹作用和孔隙壓力作用導(dǎo)致的變形，需要從整體角度著手，借鑒前人提出的“變形系數(shù)”的思想，采用吸附/解吸過程膨脹變形能力的變化反映吸附膨脹和孔隙壓力對(duì)于煤樣變形的綜合作用。

基于此，考慮煤樣應(yīng)變量由吸附量和膨脹變形能力綜合決定，將等溫吸附模型(D-A方程)代入應(yīng)變量-吸附量關(guān)系模型，即將式(1)代入式(5)和式(6)，建立樣CO等溫吸附/解吸變形模型如式(7)，(8)所示。

(7)

(8)

為驗(yàn)證本文所建模型的適用性和精確性，采用式(7)和式(8)對(duì)吸附、解吸過程煤的體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并分別與Langmuir方程(式(9))以及改進(jìn)的Langmuir方程(式(10))試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見表4。

(9)

(10)

式中，為煤吸附氣體后的極限應(yīng)變量，10；為應(yīng)變隨氣體壓力發(fā)生變化快慢的參數(shù)，MPa。

從表4可知，Langmuir方程可以較好反映吸附過程煤樣應(yīng)變與平衡壓力之間的非線性關(guān)系。但本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吸附過程煤樣應(yīng)變與平衡壓力同樣存線性關(guān)系，明顯不符合Langmuir方程規(guī)律，采用Langmuir方程描述煤的吸附變形特征具有一定的局限性。對(duì)比而言，式(7)對(duì)吸附過程各煤樣應(yīng)變數(shù)據(jù)則均具有較高的擬合精度(均>0.99)，適用性較廣。

式(8)和改進(jìn)的Langmuir方程均對(duì)解吸過程煤樣應(yīng)變數(shù)據(jù)具有較高的擬合精度(均>0.99)。但不論是Langmuir方程還是改進(jìn)的Langmuir方程均是從試驗(yàn)現(xiàn)象角度描述煤樣應(yīng)變量與吸附平衡壓力的關(guān)系，沒有體現(xiàn)吸附量對(duì)煤樣膨脹變形的作用。綜上所述，筆者所建模型適用性較廣，能夠精確擬合煤吸附/解吸CO變形數(shù)據(jù)。

4 討 論

針對(duì)煤吸附CO后發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致煤層滲透率降低的工程難題，實(shí)際生產(chǎn)中通常采用間歇式注入方法提高CO可注性。相對(duì)于持續(xù)注入，CO間歇式注入方式能夠提升CO注入量，是目前生產(chǎn)中用的主要措施。牛慶合通過開展間歇注入CO的試驗(yàn)，提出在CO停注之后，其壓力會(huì)逐步衰減。而從圖4可以發(fā)現(xiàn)，壓力降低會(huì)導(dǎo)致煤樣發(fā)生收縮變形，進(jìn)而使煤樣因膨脹變形降低的滲透率得到一定程度的恢復(fù)，這是間歇式注入方式能夠提高煤層CO可注性的重要原因。

綜合分析氣煤、1/3焦煤、貧煤3種煤樣的吸附/解吸特征及變形特征，貧煤吸附能力最強(qiáng)，相同吸附量條件下膨脹變形能力最小，CO可注性最高。此外，貧煤等溫解吸應(yīng)變曲線表現(xiàn)出解吸應(yīng)變超前現(xiàn)象，相同平衡壓力下解吸過程體應(yīng)變小于吸附過程體應(yīng)變，煤樣較吸附過程收縮，說明貧煤受氣體壓力降低的影響最大，更易發(fā)生解吸收縮變形，進(jìn)而引起煤樣滲透率的改善，更適用于間歇式注入提高煤層可注性技術(shù)。

氣煤吸附能力較低，相同吸附量條件下膨脹變形能力大，會(huì)阻礙后續(xù)CO的注入，可注性較低。但其解吸滯后性最顯著，其不易解吸的特點(diǎn)更利于CO的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。此外，氣煤等溫解吸應(yīng)變曲線存在顯著的解吸應(yīng)變滯后現(xiàn)象，相同平衡壓力下解吸過程體應(yīng)變大于吸附過程體應(yīng)變，煤樣較吸附過程膨脹，氣煤受氣體壓力降低的影響較小，采用間歇式注入提高煤層可注性的效果不明顯。

1/3焦煤相對(duì)其他2種煤樣，不僅吸附能力較低，還具有較強(qiáng)的膨脹變形能力，可注性最差，解吸滯后性也明顯低于氣煤。針對(duì)該種煤樣CO注入和封存的適用性還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行深入考慮。

5 結(jié) 論

(1)3種不同變質(zhì)程度煤均具有解吸滯后特征，且隨煤階升高，煤樣解吸滯后特征減弱，促使煤解吸體應(yīng)變曲線由“滯后”向“超前”轉(zhuǎn)變。

(2)3種不同變質(zhì)程度煤吸附/解吸變形均存在各向異性。氣煤和1/3焦煤吸附/解吸變形離散性大，貧煤離散性小，3種煤樣吸附/解吸變形的離散性均隨著平衡壓力增大而減小。

(3)相同吸附量條件下煤樣吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系為氣煤>1/3焦煤>貧煤，但受吸附量影響，相同吸附平衡壓力條件下煤樣吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系為貧煤>1/3焦煤>氣煤，表明煤樣應(yīng)變量由吸附量和膨脹變形能力綜合決定。

(4)吸附/解吸過程煤樣的應(yīng)變量和吸附量呈三次函數(shù)關(guān)系，結(jié)合煤的等溫吸附模型(D-A方程)，建立了煤樣吸附/解吸變形模型，能夠精確擬合煤吸附/解吸CO變形數(shù)據(jù)，反映煤樣吸附/解吸變形與吸附量及平衡壓力關(guān)系。

(5)對(duì)比分析3種不同變質(zhì)程度煤的吸附/解吸及變形特征，貧煤CO可注性最好，更適用于間歇式注入提高煤層可注性技術(shù)；氣煤則更利于CO的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。