劉 健，范家文

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

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量巨大，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，對(duì)于埋深在2000m以內(nèi)的煤層氣儲(chǔ)量與天然氣儲(chǔ)量接近，可達(dá)35×1012m3，故煤層氣的安全高效開采對(duì)緩解我國(guó)能源緊張以及改善環(huán)境保護(hù)問(wèn)題具有重要的意義[1-3]。目前，我國(guó)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(guò)井下抽采技術(shù)開采得到的煤層氣濃度低，同時(shí)該技術(shù)開采難度高、成本巨大，而利用地面鉆采技術(shù)抽采的煤層氣濃度可達(dá)90%以上，經(jīng)濟(jì)效益明顯，故該技術(shù)得到廣泛倡導(dǎo)和應(yīng)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(guò)程中的力學(xué)特征會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)煤所處的地層條件不同時(shí)，煤體所受的壓力和溫度就不同，即在不同地質(zhì)賦存條件下的煤體對(duì)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(duì)甲烷的吸附特性對(duì)礦井瓦斯防治和瓦斯鉆采技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。但總體上對(duì)于煤體吸附甲烷特性的研究還處于定性研究和理論推導(dǎo)階段，基于此，本文進(jìn)行不同溫度和壓力下煤體對(duì)甲烷的吸附試驗(yàn)，從而對(duì)不同因素作用下煤體對(duì)甲烷的吸附量和吸附過(guò)程中煤體表現(xiàn)出的變形特征進(jìn)行定量研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)裝置主要包括氣瓶、手動(dòng)泵、中間容器、高精密驅(qū)替泵以及耐高壓反應(yīng)釜。設(shè)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(jìn)行不同溫度和孔隙壓力下煤體吸附甲烷特性的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 煤體吸附甲烷特性的試驗(yàn)裝置示意圖

1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1)首先進(jìn)行試驗(yàn)裝置的氣密性檢測(cè)。將密封套裝好的標(biāo)準(zhǔn)煤樣置于耐高壓反應(yīng)釜內(nèi)，設(shè)置水浴溫度為20℃，為了模擬煤層所處的地應(yīng)力環(huán)境，通過(guò)高精密驅(qū)替泵和空氣壓縮機(jī)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(guò)觀察是否有氣體排出進(jìn)行氣密性判定。

2)對(duì)裝置進(jìn)行抽真空工作，然后關(guān)閉反應(yīng)釜的進(jìn)出氣口，打開中間容器的進(jìn)氣口和甲烷氣瓶，以便甲烷氣體充入中間容器內(nèi)，當(dāng)中間容器壓力達(dá)到4MPa時(shí)關(guān)閉中間容器的進(jìn)氣口，此時(shí)中間容器和反應(yīng)釜組成一個(gè)密閉裝置，則煤樣處于4MPa 的氣體壓力下進(jìn)行吸附。

3)打開釜的進(jìn)氣口，從而進(jìn)行煤體吸附甲烷的試驗(yàn)，當(dāng)中間容器的壓力幾乎不再變化時(shí)說(shuō)明煤體吸附甲烷達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)煤體吸附甲烷過(guò)程中產(chǎn)生變形時(shí)，驅(qū)替泵會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的吸液和排液工作，通過(guò)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(yàn)完成后，通過(guò)調(diào)整手動(dòng)計(jì)量泵設(shè)置中間容器壓力為下一孔隙壓力，從而進(jìn)行不同孔隙壓下的吸附試驗(yàn)。升高水浴槽內(nèi)溫度至下一溫度點(diǎn)，按照同樣方法進(jìn)行不同溫度下的煤體吸附甲烷試驗(yàn)。

1.2 煤體吸附量計(jì)算

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

吸附瓦斯體積Va可用公式(2)計(jì)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(jì)算

此次試驗(yàn)所用的煤樣是直徑50mm、高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)煤樣。在煤體吸附甲烷的過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)驅(qū)替泵的吸排液量來(lái)進(jìn)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(yīng)變的計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

ε1=4ΔV/πD2L

(3)

式中，ΔV為在軸向的驅(qū)替泵液量變化大小，mL；D和L分別為測(cè)試煤樣的徑向和軸向長(zhǎng)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(duì)甲烷吸附量隨時(shí)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(duì)甲烷的吸附量也在增加；另一方面，當(dāng)孔隙壓不變時(shí)，吸附量與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)溫度為20℃時(shí)，孔隙壓分別為4MPa、5MPa和6MPa下煤體對(duì)甲烷的吸附量分別為4.165mL/g、4.695mL/g以及5.162mL/g；當(dāng)溫度為80℃時(shí)，孔隙壓分別為4MPa、5MPa和6MPa下煤體對(duì)甲烷的吸附量分別為2.413mL/g、3.486mL/g以及3.948mL/g；由此可見(jiàn)，溫度對(duì)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(kuò)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(kuò)散的氣體達(dá)到飽和；在吸附后期(380min～試驗(yàn)階數(shù))吸附量趨于平穩(wěn)，說(shuō)明煤體的吸附量基本達(dá)到平衡狀態(tài)。

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

圖2 煤體對(duì)甲烷吸附量的變化

圖3 煤體對(duì)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(duì)應(yīng)圖中相應(yīng)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(guò)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(shì)。溫度越低，孔隙壓越高，則吸附量越大，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(yīng)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(yīng)變量在增大，究其原因，孔隙壓越大，煤體內(nèi)部基質(zhì)對(duì)甲烷分子的吸附難度越小，表現(xiàn)為效果越好；同時(shí)，孔隙壓力越大，意味著有效應(yīng)力越小，有效應(yīng)力產(chǎn)生的變形效果逐步削弱，煤體吸附達(dá)到變形穩(wěn)定需要的時(shí)間越長(zhǎng)，煤體的塑形應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)。

軸向應(yīng)變隨著溫度的升高而逐步減小。溫度對(duì)煤體吸附甲烷效應(yīng)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(zhì)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(huì)發(fā)生膨脹，由此可見(jiàn)溫度對(duì)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(yīng)變與溫度間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。溫壓作用下煤體軸向應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。

圖5 煤體吸附甲烷軸向應(yīng)變的分布云圖

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，軸向應(yīng)變低于700×10-6區(qū)間所占比例較大，對(duì)應(yīng)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(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

4 等溫吸附特性研究

迄今為止，對(duì)于單組份氣體的等溫吸附模型最為常用的為L(zhǎng)angmuir模型[8，9]，該理論認(rèn)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(shè)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(duì)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(guān)系增大，符合Langmuir模型。當(dāng)溫度為80℃時(shí)，煤體對(duì)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(zhì)表層；同時(shí)在反應(yīng)釜約束應(yīng)力作用下煤體內(nèi)部的弱面等結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)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(qiáng)，在80℃的高溫下煤體在外圍三軸應(yīng)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(kuò)散運(yùn)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(shí)，在60℃下貫通煤體的裂隙閉合，整個(gè)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(jìn)行。

5 結(jié) 論

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

1)隨著溫度的增加，煤體對(duì)甲烷的吸附量減小，而且煤體吸附甲烷的過(guò)程較為緩慢，溫度對(duì)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(yīng)變?cè)酱蟆囟葘?duì)甲烷吸附的影響效果要顯著于煤體骨架的膨脹效應(yīng)，這樣才使得煤體應(yīng)變與溫度間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)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(guān)系增大。

4)當(dāng)溫度為80℃時(shí)，煤體對(duì)甲烷的吸附量受溫度的影響最為顯著。當(dāng)溫度為80℃、孔隙壓為4MPa時(shí)煤體對(duì)甲烷的吸附量?jī)H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。