孟召平，張 昆，沈 振

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012)

我國(guó)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，采用美國(guó)以煤層氣井水力壓裂和排水降壓采氣為特征的地面煤層氣開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)，對(duì)我國(guó)煤層氣資源進(jìn)行了勘探開(kāi)發(fā)研究[1]。截至2020 年底，在我國(guó)施工各類(lèi)煤層氣井達(dá)18 000 余口，煤層氣地面開(kāi)發(fā)產(chǎn)量63.7 億m3、利用量59.4 億m3，我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)階段，初步形成了適宜于原生結(jié)構(gòu)煤的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，但是，在構(gòu)造煤區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)理論與技術(shù)研究相對(duì)薄弱，在構(gòu)造煤區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)仍未取得實(shí)質(zhì)性突破，特別是對(duì)構(gòu)造煤中氣體吸附-解吸和擴(kuò)散-滲流機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然不足，導(dǎo)致煤層氣井排采控制不合理，地面煤層氣井普遍產(chǎn)量低、不穩(wěn)定，現(xiàn)有技術(shù)難以支撐產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的問(wèn)題亟待解決。因此，開(kāi)展構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤中甲烷擴(kuò)散性能差異性分析，對(duì)于合理有效開(kāi)發(fā)我國(guó)構(gòu)造煤區(qū)煤層氣資源具有理論和實(shí)際應(yīng)用意義。

我國(guó)大多數(shù)沉積盆地在成煤過(guò)程中或成煤期后煤層受到多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，造成原生結(jié)構(gòu)煤破壞嚴(yán)重，形成了不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型構(gòu)造煤[1-3]。不同類(lèi)型的構(gòu)造煤在孔隙結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征、煤物理力學(xué)性質(zhì)、吸附/解吸、擴(kuò)散性能和滲透性等方面明顯地不同于原生結(jié)構(gòu)煤，且存在較大的差異性[4-8]。

對(duì)于不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷吸附/解吸與擴(kuò)散性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了煤層遭受構(gòu)造變形破壞后其煤中氣體吸附/解吸能力受到煤的孔隙結(jié)構(gòu)、溫度、壓力和物理化學(xué)性質(zhì)等多種因素影響規(guī)律[4-10]。如孟召平等[4]通過(guò)對(duì)不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣進(jìn)行液氮吸附和甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加，煤中微孔比表面積的升高是造成構(gòu)造煤吸附性增強(qiáng)的主要原因。陳亮等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，微孔對(duì)于比表面積的貢獻(xiàn)率可高達(dá)71%，控制著煤體吸附氣含量。簡(jiǎn)闊[6]、張小東[7]等從溫度、分子結(jié)構(gòu)和煤巖煤質(zhì)的變化角度分析了構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤吸附甲烷能力的差異性及控制機(jī)理。姜波[8]、屈爭(zhēng)輝[9]等揭示了構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)及其煤儲(chǔ)層物性特征以及構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯特性的控制機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步探討了煤中氣體擴(kuò)散性能及其控制機(jī)理。孟召平等[10]分析了低煤階煤中甲烷吸附、擴(kuò)散能力主要受溫度和壓力條件影響機(jī)制。M.Pillalamarry 等[11]認(rèn)為：構(gòu)造煤初始瓦斯放散速率明顯高于原生結(jié)構(gòu)煤，氣體分子在煤孔壁上的解吸是瞬間完成的，煤中氣體在孔隙中的運(yùn)移需要克服一定的阻力，研究發(fā)現(xiàn)，菲克定律能夠很好地描述甲烷在煤等多孔介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律。單孔擴(kuò)散模型和雙孔擴(kuò)散模型的提出，可以通過(guò)擴(kuò)散系數(shù)定量表征甲烷在孔隙中的運(yùn)移特性[12-14]；盡管此2 種模型在邊界條件設(shè)定及使用對(duì)象上仍存在一定偏差，但是可以用來(lái)分析煤中氣體擴(kuò)散能力的大小。構(gòu)造煤中氣體的初始擴(kuò)散系數(shù)要大于原生結(jié)構(gòu)煤，其主要是由于構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，大孔、中孔和過(guò)渡孔的容積遠(yuǎn)大于原生結(jié)構(gòu)所致[15]。由此可以看出，原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤中甲烷的吸附/解吸和擴(kuò)散能力將發(fā)生明顯變化，一定程度上影響煤層氣的富集與產(chǎn)出規(guī)律。

筆者通過(guò)采取沁水盆地東部趙莊井田3 號(hào)煤層原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤樣品進(jìn)行甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)、低溫液氮和二氧化碳吸附實(shí)驗(yàn)，揭示構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的吸附-解吸性能及孔隙結(jié)構(gòu)特征；應(yīng)用單孔和雙孔非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型，揭示原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤中甲烷擴(kuò)散差異性及控制機(jī)理，為我國(guó)構(gòu)造煤區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算模型

1.1 樣品選擇及預(yù)處理

原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤樣品來(lái)自沁水盆地趙莊井田同一口煤層氣開(kāi)發(fā)井，構(gòu)造煤包括碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤[1,4]。目標(biāo)煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3 號(hào)煤層，埋深在844.90～850.75 m。樣品經(jīng)過(guò)繩索取心到達(dá)地面后，立即封入解吸罐中，按照USBM 直接法測(cè)量含氣量。煤巖類(lèi)型以半亮煤、光亮煤為主。煤樣類(lèi)型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 樣品工業(yè)分析、顯微組分及煤體結(jié)構(gòu)劃分Table 1 Proximate analysis, macerals and coal structure classification of samples

不同煤體結(jié)構(gòu)之間煤巖煤質(zhì)及變質(zhì)程度的差異性較小，因此，在研究不同煤體結(jié)構(gòu)的吸附/解吸與擴(kuò)散特性時(shí)可排除這些影響因素。不同煤體結(jié)構(gòu)含氣量變化范圍為10.41～15.45 cm3/g，且含氣量隨著煤破壞程度的增大而呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，說(shuō)明構(gòu)造煤中含氣量要高于原生結(jié)構(gòu)煤。

1.2 等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)

為了研究原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤的吸附/解吸與擴(kuò)散性能，本次實(shí)驗(yàn)研究采用Terra-Tek 公司生產(chǎn)的ISO-300 等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)儀器，按照高壓容量法進(jìn)行甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)。按照GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》將樣品粉碎研磨至60～80 目(0.2～0.3 mm)，各樣品質(zhì)量100～120 g，整個(gè)過(guò)程中保持在恒溫油浴中(25、35、45℃)，實(shí)驗(yàn)壓力在1～10 MPa。由于篩分過(guò)的煤顆粒的尺寸比煤基質(zhì)的孔徑大多個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)煤中孔隙影響較小[12]，因此，忽略樣品制備過(guò)程對(duì)煤基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

1.3 擴(kuò)散計(jì)算模型

擴(kuò)散過(guò)程主要發(fā)生在煤基質(zhì)孔隙系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，煤孔隙表面吸附態(tài)CH4分子隨即脫附成游離態(tài)，并在濃度差的驅(qū)動(dòng)下由孔隙向裂隙運(yùn)移。由于煤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和CH4氣體分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致擴(kuò)散是一種效率極低的物質(zhì)運(yùn)移方式。目前，為了對(duì)煤層甲烷擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行定量描述，通過(guò)采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)記錄的甲烷吸附/解吸過(guò)程中氣體壓力隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合單孔或者雙孔數(shù)學(xué)擴(kuò)散模型表征氣體在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散性能的大小。單孔模型和雙孔模型都是基于菲克第二定律的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型，考慮了擴(kuò)散過(guò)程中氣體濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系：

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；r為均質(zhì)球粒半徑，m；c為CH4氣體質(zhì)量濃度，g/cm3；t為擴(kuò)散時(shí)間，s；D/r2為有效擴(kuò)散系數(shù)，s-1。

理想條件下，式(1)的解析解可表示為：

式中：Vt為在時(shí)間t內(nèi)擴(kuò)散氣體的總量；V∞為無(wú)限時(shí)間內(nèi)的總解吸氣體量；ra為擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度。

式(2)是經(jīng)典的“單孔模型”，一些研究人員已將其應(yīng)用于擬合吸附數(shù)據(jù)以評(píng)估擴(kuò)散率[12]，且可以相對(duì)準(zhǔn)確地評(píng)估擴(kuò)散過(guò)程。

煤作為多孔介質(zhì)固體，其孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)，在單孔擴(kuò)散模型中的一個(gè)必要條件是不考慮孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)分布，假定煤中甲烷擴(kuò)散邊界條件為均質(zhì)球形和均勻的孔隙分布特征。但是，研究表明煤中孔隙結(jié)構(gòu)分布復(fù)雜性較強(qiáng)，通常呈現(xiàn)多峰分布，此時(shí)，單孔擴(kuò)散模型就不能較為準(zhǔn)確地模擬甲烷的擴(kuò)散過(guò)程。鑒于單孔擴(kuò)散模型的局限性，許多學(xué)者在單孔擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上提出了可以有效模擬大孔和微孔分布的雙孔擴(kuò)散模型(圖1)。

圖1 雙孔擴(kuò)散模型概念圖[16]Fig.1 Conceptual diagram of the bidisperse model[16]

雙孔擴(kuò)散模型模擬儲(chǔ)層擴(kuò)散過(guò)程，將基質(zhì)孔隙分為一個(gè)快速擴(kuò)散的大孔階段和一個(gè)擴(kuò)散極慢的微孔擴(kuò)散階段[17]。對(duì)于大孔擴(kuò)散階段，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

微孔擴(kuò)散階段表達(dá)式：

式中：Va為在時(shí)間t內(nèi)大孔中氣體吸附/解吸的總量，cm3/g；Vi為在時(shí)間t內(nèi)微孔中氣體吸附/解吸的總量，cm3/g；Da為大孔擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Di為微孔擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Va,∞和Vi,∞分別為在平衡壓力點(diǎn)大孔和微孔中的最大氣體吸附量，cm3/g；ri為微孔半徑，m。

根據(jù)大孔和微孔在整體擴(kuò)散過(guò)程中對(duì)于甲烷運(yùn)移效率的貢獻(xiàn)程度，Pan Zhejun 等(2010)[17]提出比例系數(shù)β來(lái)表征大孔和微孔在整個(gè)擴(kuò)散階段的貢獻(xiàn)率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

25℃條件下等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，甲烷在不同煤體結(jié)構(gòu)煤中的吸附/解吸規(guī)律符合Langmuir 模型(圖2)。

為了排除不同煤體結(jié)構(gòu)中水分和灰分產(chǎn)率的差異性對(duì)煤吸附性影響，此次研究中選取干燥無(wú)灰基數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。4 種煤體結(jié)構(gòu)Langmuir 體積VL較高，Langmuir 壓力pL相對(duì)較低，說(shuō)明4 種煤體結(jié)構(gòu)煤有較強(qiáng)的吸附能力。從原生結(jié)構(gòu)煤到糜棱結(jié)構(gòu)煤，隨著煤體破碎程度的增加，煤的吸附性增強(qiáng)，順序?yàn)椋涸Y(jié)構(gòu)＜碎裂結(jié)構(gòu)＜碎粒結(jié)構(gòu)＜糜棱結(jié)構(gòu)，且Langmuir 體積VL值為25.97～35.59 cm3/g，平均31.93 cm3/g；Langmuir壓力pL值變化介于2.00～3.21 MPa，平均2.59 MPa（表2），且隨著煤體破壞程度增加而減小，說(shuō)明構(gòu)造煤達(dá)到最大吸附量所需能量較低，吸附性增強(qiáng)。煤中甲烷解吸是吸附的逆過(guò)程，原理上吸附曲線和解吸曲線應(yīng)該重合。但是圖2 中顯示，4 種煤體結(jié)構(gòu)對(duì)于甲烷的解吸均存在明顯的滯后現(xiàn)象，且隨著煤破碎程度增加滯后環(huán)有減小的趨勢(shì)。這是由于大孔中毛細(xì)凝聚作用的發(fā)生使得孔隙中凝聚的甲烷凹液面的飽和蒸氣壓力低于水平液面，因此在相同的吸附量，解吸壓力相對(duì)滯后，也說(shuō)明煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)能主要集中于開(kāi)發(fā)的中后期。

圖2 25℃時(shí)不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷等溫吸附/解吸曲線Fig.2 CH4 adsorption/desorption curves of different coal structures

2.2 構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的擴(kuò)散特征

2.2.1 原生結(jié)構(gòu)煤

在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著儲(chǔ)層壓力降低，氣體首先開(kāi)始解吸隨后進(jìn)入擴(kuò)散階段。因此，為了真實(shí)模擬煤儲(chǔ)層壓力下降過(guò)程中甲烷分子在煤孔隙中的擴(kuò)散效應(yīng)，本文選取等溫吸附實(shí)驗(yàn)過(guò)程中甲烷解吸動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化關(guān)系分析不同煤體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散特征。圖3 為初始解吸壓力下，實(shí)驗(yàn)樣品缸中壓力變化，可以間接反映不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷吸附/解吸和擴(kuò)散特性。圖3 中壓力的變化隨著煤破碎程度的增強(qiáng)而升高，表明構(gòu)造煤中解吸出來(lái)的甲烷要高于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤的吸附量升高，同時(shí)構(gòu)造煤甲烷的擴(kuò)散率也要高于原生結(jié)構(gòu)煤。初始解吸壓力下不同煤體結(jié)構(gòu)甲烷擴(kuò)散速率和單、雙孔模型擬合數(shù)據(jù)如圖4 所示，圖中顯示煤中甲烷擴(kuò)散率隨時(shí)間的增加逐漸增大，并在后期逐漸達(dá)到擴(kuò)散平衡狀態(tài)。整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程可以劃分為3 個(gè)階段：快速擴(kuò)散階段(S1)，衰減階段(S2)和緩慢擴(kuò)散階段(S3)。原生結(jié)構(gòu)煤中甲烷擴(kuò)散效率受控于前期快速擴(kuò)散階段(S1)和衰減階段(S2)，這兩個(gè)階段甲烷擴(kuò)散率約占總的擴(kuò)散率的80%。此外，單孔擴(kuò)散模型對(duì)原生結(jié)構(gòu)煤的衰減階段(S2)和緩慢擴(kuò)散階段(S3)擬合度較低，而雙孔擴(kuò)散模型對(duì)整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程擬合度均較高。

圖3 初始解吸壓力條件下甲烷解吸-擴(kuò)散速率變化Fig.3 Variations of the desorption-diffusion rate of methane under the initial desorption pressure

圖4 煤體結(jié)構(gòu)單、雙孔擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)擬合Fig.4 Data fitting diagram of unipore and bidisperse models

表2 不同煤體結(jié)構(gòu)煤Langmuir 參數(shù)Table 2 Langmuir parameters of different coal structures

2.2.2 構(gòu)造煤

構(gòu)造煤中不同煤體結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散過(guò)程與原生結(jié)構(gòu)煤相似，包含3 個(gè)階段(圖4)。但是，構(gòu)造煤的擴(kuò)散率在快速擴(kuò)散階段(S1)和衰減階段(S2)都高于原生結(jié)構(gòu)煤，可以達(dá)到90%左右，煤在破壞后擴(kuò)散效率明顯提高。構(gòu)造煤中雙孔擴(kuò)散模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度也相對(duì)較高，可以準(zhǔn)確描述不同破壞程度煤中甲烷擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)變化。

2.3 煤中甲烷擴(kuò)散性能差異性的受控因素

2.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)和氣體壓力

根據(jù)氣體分子平均自由程與多孔介質(zhì)孔隙大小關(guān)系，通常采用克努森系數(shù)(Kn)表征氣體分子在孔隙中的運(yùn)移效率。依據(jù)克努森系數(shù)的大小，氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散模式可分為[15]：菲克型擴(kuò)散(Kn＜0.1)、過(guò)渡型擴(kuò)散(0.1≤Kn≤10) 和克努森型擴(kuò)散(Kn＞10)?？伺拖禂?shù)定義為：

式中：d為分子運(yùn)移特征長(zhǎng)度，一般為孔隙直徑，m。λ為分子平均自由程，計(jì)算表達(dá)式為：

式中：KB為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為氣體溫度，K；d0為分子有效直徑，nm；p為氣體壓力，MPa。

圖5 是單孔模型計(jì)算得到的不同煤體結(jié)構(gòu)煤在不同解吸平衡壓力下的有效擴(kuò)散系數(shù)。不同煤體結(jié)構(gòu)煤的有效擴(kuò)散系數(shù)均隨壓力的降低而減小，表明隨著壓力降低甲烷在運(yùn)移過(guò)程中所受阻力逐漸增大。這是由于在不同壓力階段多孔介質(zhì)中甲烷分子平均自由程與孔徑的分布關(guān)系不同造成的。

圖5 單孔擴(kuò)散模型不同煤體結(jié)構(gòu)煤的有效擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律Fig.5 Variations of effective diffusion coefficients of different coal structures

根據(jù)分子平均自由程與孔徑的比值，通常采用Knudsen 系數(shù)表征3 種不同擴(kuò)散阻力的擴(kuò)散模型。隨著煤儲(chǔ)層壓力的降低，甲烷的分子平均自由程增大，擴(kuò)散模型逐漸由菲克型擴(kuò)散、過(guò)渡型擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榭伺蛿U(kuò)散。初始解吸平衡壓力在6 MPa 左右時(shí)，4 種煤體結(jié)構(gòu)煤的擴(kuò)散系數(shù)均最高，其中糜棱結(jié)構(gòu)煤的有效擴(kuò)散系數(shù)最大，為8.76×10-5s-1，其次是碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤和原生結(jié)構(gòu)煤，分別為8.73×10-5、7.84×10-5和5.5×10-5s-1。當(dāng)壓力約大于6 MPa 時(shí)，分子自由程較小，氣體分子與孔壁碰撞的次數(shù)降低，菲克型擴(kuò)散控制了煤孔隙的整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程。隨著壓力的進(jìn)一步降低，分子自由程升高，主要擴(kuò)散模式逐漸向過(guò)渡型擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。在1.5 MPa 壓力以下，不同煤體結(jié)構(gòu)的有效擴(kuò)散系數(shù)隨壓力變化存在一定程度波動(dòng)性。研究發(fā)現(xiàn)甲烷在1～6 MPa 的平均自由程在1～5 nm 變化[18-19]，對(duì)應(yīng)于克努森系數(shù)計(jì)算的孔徑則是10～50 nm，說(shuō)明在此壓力區(qū)間中孔是過(guò)渡型擴(kuò)散的主要場(chǎng)所。

隨著氣體壓力和濃度的降低，氣體分子與孔壁分子碰撞逐漸加劇，導(dǎo)致有效擴(kuò)散系數(shù)在1.5～6.0 MPa之間逐漸降低。壓力降低至1.5 MPa 后，氣體分子平均自由程＞5 nm，解吸擴(kuò)散主要發(fā)生在較小的孔隙中(＜10 nm)，擴(kuò)散類(lèi)型主要為克努森型擴(kuò)散，氣體分子與孔壁的碰撞更加頻繁，氣體運(yùn)移阻力達(dá)到最大。通?？伺蛿U(kuò)散階段的擴(kuò)散系數(shù)較低，但圖5 顯示，4個(gè)樣品的有效擴(kuò)散系數(shù)在低壓下均顯示了相似的忽高忽低的波動(dòng)性，例如原生結(jié)構(gòu)煤增高至3.86×10-5s-1，碎裂結(jié)構(gòu)煤6.52×10-5s-1，碎粒結(jié)構(gòu)煤7.52×10-5s-1，糜棱結(jié)構(gòu)煤7.74×10-5s-1。這可能與煤中4 nm 左右的細(xì)瓶頸孔的發(fā)育有關(guān)[19]，在平衡壓力下，細(xì)瓶頸孔隙中充滿的氣體處于過(guò)飽和狀態(tài)，一旦孔口壓力降低，細(xì)瓶頸孔內(nèi)大量氣體瞬間解吸沖出孔口并造成連鎖效應(yīng)，導(dǎo)致孔隙周邊氣體濃度迅速增高，流速加快，擴(kuò)散系數(shù)突然增大。

構(gòu)造煤的甲烷擴(kuò)散系數(shù)在1.5～6.0 MPa 間高于原生結(jié)構(gòu)煤(圖5)，平均甲烷擴(kuò)散系數(shù)是原生結(jié)構(gòu)煤的1.53 倍。在初始解吸壓力約6 MPa 時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)最高的是碎裂結(jié)構(gòu)煤。隨著壓力的降低，碎裂結(jié)構(gòu)煤的擴(kuò)散系數(shù)急劇下降，在1.5～5.0 MPa 范圍內(nèi)，各煤體結(jié)構(gòu)間的擴(kuò)散系數(shù)大小順序?yàn)椋好永饨Y(jié)構(gòu)煤＞碎粒結(jié)構(gòu)煤＞碎裂結(jié)構(gòu)煤＞原生結(jié)構(gòu)煤。初始最大擴(kuò)散系數(shù)表明，碎裂結(jié)構(gòu)煤中直徑大于50 nm 孔隙相對(duì)較多，有利于菲克型擴(kuò)散的發(fā)生。但初始?jí)毫?，碎裂結(jié)構(gòu)煤的擴(kuò)散速率降低，說(shuō)明碎裂結(jié)構(gòu)煤中孔的分布低于碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤，當(dāng)氣體壓力低于1.5 MPa 時(shí)，隨著破壞強(qiáng)度的增加，構(gòu)造煤中形成更多的超微孔和微孔，相應(yīng)的比表面積明顯增大(圖6)，氣體吸附性增強(qiáng)，導(dǎo)致甲烷難以從孔隙表面解吸。在低壓階段，此時(shí)各煤樣的氣體擴(kuò)散系數(shù)波動(dòng)異常。這也說(shuō)明低壓下，構(gòu)造煤具有突然增高的解吸率，易發(fā)生瓦斯突出。構(gòu)造煤克努森階段較高的擴(kuò)散系數(shù)說(shuō)明較大的孔隙或封閉的孔隙易被破壞成較小的孔隙(微孔或超微孔)，并具有良好的連通性，而且構(gòu)造煤孔隙中氣體運(yùn)移路徑的長(zhǎng)度比原生結(jié)構(gòu)煤短，因此擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較高。

圖6 不同煤體結(jié)構(gòu)煤的比表面積隨孔徑變化規(guī)律Fig.6 Variations of specific surface area with pore size of different coal structures

圖7 為雙孔擴(kuò)散模型大孔和微孔中擴(kuò)散系數(shù)隨壓力變化，整體上變化規(guī)律和單孔模型相似，有效擴(kuò)散系數(shù)均隨壓力降低而變小，且微孔中擴(kuò)散系數(shù)明顯低于大孔。

圖7 雙孔擴(kuò)散模型不同煤體結(jié)構(gòu)煤的有效擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律Fig.7 Variations of effective diffusion coefficients of coal structure by the bidisperse model

2.3.2 溫 度

擴(kuò)散系數(shù)是表征擴(kuò)散能力的量化參數(shù)，選取相同壓力下不同溫度解吸數(shù)據(jù)，根據(jù)單孔理論擴(kuò)散模型計(jì)算出不同煤體結(jié)構(gòu)在解吸壓力約為6、3 和1 MPa 下的有效擴(kuò)散系數(shù)(圖8)。

圖8 顯示不同煤體結(jié)構(gòu)在6 MPa 和3 MPa 條件下，有效擴(kuò)散系數(shù)與溫度表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，溫度越高有效擴(kuò)散系數(shù)越大，45℃條件下明顯高于其他2 個(gè)溫度，說(shuō)明高溫環(huán)境下溫度對(duì)甲烷擴(kuò)散的影響要高于壓力。但是到了低壓區(qū)(1 MPa)，有效擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系出現(xiàn)波動(dòng)性，無(wú)單調(diào)變化規(guī)律。在較低壓力下甲烷的擴(kuò)散主要發(fā)生在微孔，其不規(guī)則變化規(guī)律影響了甲烷的擴(kuò)散速率，壓力和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散影響超過(guò)了溫度。

圖8 不同溫度下不同煤體結(jié)構(gòu)煤有效擴(kuò)散系數(shù)Fig.8 Effective diffusion coefficients of different coal structures at different temperatures

3 結(jié) 論

a.隨著煤破壞程度增強(qiáng)，煤的吸能力增加，Langmuir體積VL值逐漸增大，表現(xiàn)為：原生結(jié)構(gòu)煤＜碎裂結(jié)構(gòu)煤＜碎粒結(jié)構(gòu)煤＜糜棱結(jié)構(gòu)煤，且構(gòu)造煤的解吸效率要高于原生結(jié)構(gòu)煤。

b.采用了單孔、雙孔擴(kuò)散模型分析不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷擴(kuò)散性能及其差異性，發(fā)現(xiàn)雙孔擴(kuò)散模型對(duì)擴(kuò)散數(shù)據(jù)擬合度較高，更適合于模擬構(gòu)造煤中氣體擴(kuò)散效應(yīng)；揭示了煤中氣體擴(kuò)散呈3 個(gè)階段變化規(guī)律，即：快速擴(kuò)散階段(S1)，衰減階段(S2) 和緩慢擴(kuò)散階段(S3)。

c.不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷的擴(kuò)散系數(shù)均隨壓力的降低而減小，在整個(gè)擴(kuò)散階段構(gòu)造煤的擴(kuò)散系數(shù)高于原生結(jié)構(gòu)煤。在高于5.0 MPa、1.5～5.0 MPa 和低于1.5 MPa 的壓力區(qū)間，氣體擴(kuò)散主要發(fā)生在大孔、中孔和微孔中，分別對(duì)應(yīng)菲克型擴(kuò)散、過(guò)渡型擴(kuò)散和克努森型擴(kuò)散。

d.構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤相比，孔徑減小，比表面積增大，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增強(qiáng)；有效擴(kuò)散系數(shù)與溫度表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，溫度越高有效擴(kuò)散系數(shù)越大，但是到了低壓階段孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤中甲烷擴(kuò)散性影響高于溫度。