孟召平，張 昆，沈 振

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012)

我國自20 世紀(jì)80 年代以來，采用美國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發(fā)理論與技術(shù)，對我國煤層氣資源進行了勘探開發(fā)研究[1]。截至2020 年底，在我國施工各類煤層氣井達18 000 余口，煤層氣地面開發(fā)產(chǎn)量63.7 億m3、利用量59.4 億m3，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進入規(guī)?；a(chǎn)階段，初步形成了適宜于原生結(jié)構(gòu)煤的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)體系，但是，在構(gòu)造煤區(qū)煤層氣開發(fā)地質(zhì)理論與技術(shù)研究相對薄弱，在構(gòu)造煤區(qū)煤層氣開發(fā)仍未取得實質(zhì)性突破，特別是對構(gòu)造煤中氣體吸附-解吸和擴散-滲流機理的認識仍然不足，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)展的問題亟待解決。因此，開展構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤中甲烷擴散性能差異性分析，對于合理有效開發(fā)我國構(gòu)造煤區(qū)煤層氣資源具有理論和實際應(yīng)用意義。

我國大多數(shù)沉積盆地在成煤過程中或成煤期后煤層受到多期次構(gòu)造運動的作用，造成原生結(jié)構(gòu)煤破壞嚴(yán)重，形成了不同結(jié)構(gòu)類型構(gòu)造煤[1-3]。不同類型的構(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]。

對于不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷吸附/解吸與擴散性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的實驗研究，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]通過對不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣進行液氮吸附和甲烷等溫吸附實驗，認為隨著煤體結(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)造煤吸附性增強的主要原因。陳亮等[5]通過實驗認為，微孔對于比表面積的貢獻率可高達71%，控制著煤體吸附氣含量。簡闊[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理。姜波[8]、屈爭輝[9]等揭示了構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)及其煤儲層物性特征以及構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)對瓦斯特性的控制機理。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者進一步探討了煤中氣體擴散性能及其控制機理。孟召平等[10]分析了低煤階煤中甲烷吸附、擴散能力主要受溫度和壓力條件影響機制。M.Pillalamarry 等[11]認為：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)中的運移規(guī)律。單孔擴散模型和雙孔擴散模型的提出，可以通過擴散系數(shù)定量表征甲烷在孔隙中的運移特性[12-14]；盡管此2 種模型在邊界條件設(shè)定及使用對象上仍存在一定偏差，但是可以用來分析煤中氣體擴散能力的大小。構(gòu)造煤中氣體的初始擴散系數(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、中孔和過渡孔的容積遠大于原生結(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。

筆者通過采取沁水盆地東部趙莊井田3 號煤層原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤樣品進行甲烷等溫吸附實驗、低溫液氮和二氧化碳吸附實驗，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)擴散模型，揭示原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤中甲烷擴散差異性及控制機理，為我國構(gòu)造煤區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 實驗方法與計算模型

1.1 樣品選擇及預(yù)處理

原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤樣品來自沁水盆地趙莊井田同一口煤層氣開發(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 號煤層，埋深在844.90～850.75 m。樣品經(jīng)過繩索取心到達地面后，立即封入解吸罐中，按照USBM 直接法測量含氣量。煤巖類型以半亮煤、光亮煤為主。煤樣類型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表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/解吸與擴散特性時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，說明構(gòu)造煤中含氣量要高于原生結(jié)構(gòu)煤。

1.2 等溫吸附/解吸實驗

為了研究原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤的吸附/解吸與擴散性能，本次實驗研究采用Terra-Tek 公司生產(chǎn)的ISO-300 等溫吸附/解吸實驗儀器，按照高壓容量法進行甲烷等溫吸附實驗。按照GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》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，整個過程中保持在恒溫油浴中(25、35、45℃)，實驗壓力在1～10 MPa。由于篩分過的煤顆粒的尺寸比煤基質(zhì)的孔徑大多個數(shù)量級，對煤中孔隙影響較小[12]，因此，忽略樣品制備過程對煤基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

1.3 擴散計算模型

擴散過程主要發(fā)生在煤基質(zhì)孔隙系統(tǒng)，當(dāng)儲層壓力低于臨界解吸壓力時，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)動下由孔隙向裂隙運移。由于煤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和CH4氣體分子的不規(guī)則熱運動，導(dǎo)致擴散是一種效率極低的物質(zhì)運移方式。目前，為了對煤層甲烷擴散效應(yīng)進行定量描述，通過采用等溫吸附實驗記錄的甲烷吸附/解吸過程中氣體壓力隨時間的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合單孔或者雙孔數(shù)學(xué)擴散模型表征氣體在多孔介質(zhì)中擴散性能的大小。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)擴散模型，考慮了擴散過程中氣體濃度隨時間的變化關(guān)系：

式中：D為擴散系數(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為擴散時間，s；D/r2為有效擴散系數(shù)，s-1。

理想條件下，式(1)的解析解可表示為：

式中：Vt為在時間t內(nèi)擴散氣體的總量；V∞為無限時間內(nèi)的總解吸氣體量；ra為擴散路徑長度。

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)以評估擴散率[12]，且可以相對準(zhǔn)確地評估擴散過程。

煤作為多孔介質(zhì)固體，其孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強，在單孔擴散模型中的一個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，通常呈現(xiàn)多峰分布，此時，單孔擴散模型就不能較為準(zhǔn)確地模擬甲烷的擴散過程。鑒于單孔擴散模型的局限性，許多學(xué)者在單孔擴散模型的基礎(chǔ)上提出了可以有效模擬大孔和微孔分布的雙孔擴散模型(圖1)。

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

雙孔擴散模型模擬儲層擴散過程，將基質(zhì)孔隙分為一個快速擴散的大孔階段和一個擴散極慢的微孔擴散階段[17]。對于大孔擴散階段，其數(shù)學(xué)表達式為：

微孔擴散階段表達式：

式中：Va為在時間t內(nèi)大孔中氣體吸附/解吸的總量，cm3/g；Vi為在時間t內(nèi)微孔中氣體吸附/解吸的總量，cm3/g；Da為大孔擴散系數(shù)，m2/s；Di為微孔擴散系數(shù)，m2/s；Va,∞和Vi,∞分別為在平衡壓力點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散過程中對于甲烷運移效率的貢獻程度，Pan Zhejun 等(2010)[17]提出比例系數(shù)β來表征大孔和微孔在整個擴散階段的貢獻率，其數(shù)學(xué)表達式如下：

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤等溫吸附/解吸實驗結(jié)果

25℃條件下等溫吸附實驗結(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)率的差異性對煤吸附性影響，此次研究中選取干燥無灰基數(shù)據(jù)進行分析研究。4 種煤體結(jié)構(gòu)Langmuir 體積VL較高，Langmuir 壓力pL相對較低，說明4 種煤體結(jié)構(gòu)煤有較強的吸附能力。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，順序為：原生結(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，說明構(gòu)造煤達到最大吸附量所需能量較低，吸附性增強。煤中甲烷解吸是吸附的逆過程，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。這是由于大孔中毛細凝聚作用的發(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，解吸壓力相對滯后，也說明煤層氣開發(fā)過程中產(chǎn)能主要集中于開發(fā)的中后期。

圖2 25℃時不同煤體結(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)煤的擴散特征

2.2.1 原生結(jié)構(gòu)煤

在煤層氣開發(fā)過程中，隨著儲層壓力降低，氣體首先開始解吸隨后進入擴散階段。因此，為了真實模擬煤儲層壓力下降過程中甲烷分子在煤孔隙中的擴散效應(yīng)，本文選取等溫吸附實驗過程中甲烷解吸動力學(xué)數(shù)據(jù)隨時間的變化關(guān)系分析不同煤體結(jié)構(gòu)擴散特征。圖3 為初始解吸壓力下，實驗樣品缸中壓力變化，可以間接反映不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷吸附/解吸和擴散特性。圖3 中壓力的變化隨著煤破碎程度的增強而升高，表明構(gòu)造煤中解吸出來的甲烷要高于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤的吸附量升高，同時構(gòu)造煤甲烷的擴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散率隨時間的增加逐漸增大，并在后期逐漸達到擴散平衡狀態(tài)。整個擴散過程可以劃分為3 個階段：快速擴散階段(S1)，衰減階段(S2)和緩慢擴散階段(S3)。原生結(jié)構(gòu)煤中甲烷擴散效率受控于前期快速擴散階段(S1)和衰減階段(S2)，這兩個階段甲烷擴散率約占總的擴散率的80%。此外，單孔擴散模型對原生結(jié)構(gòu)煤的衰減階段(S2)和緩慢擴散階段(S3)擬合度較低，而雙孔擴散模型對整個擴散過程擬合度均較高。

圖3 初始解吸壓力條件下甲烷解吸-擴散速率變化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)的擴散過程與原生結(jié)構(gòu)煤相似，包含3 個階段(圖4)。但是，構(gòu)造煤的擴散率在快速擴散階段(S1)和衰減階段(S2)都高于原生結(jié)構(gòu)煤，可以達到90%左右，煤在破壞后擴散效率明顯提高。構(gòu)造煤中雙孔擴散模型與實測數(shù)據(jù)擬合度也相對較高，可以準(zhǔn)確描述不同破壞程度煤中甲烷擴散的動態(tài)變化。

2.3 煤中甲烷擴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)中的擴散模式可分為[15]：菲克型擴散(Kn＜0.1)、過渡型擴散(0.1≤Kn≤10) 和克努森型擴散(Kn＞10)?？伺拖禂?shù)定義為：

式中：d為分子運移特征長度，一般為孔隙直徑，m。λ為分子平均自由程，計算表達式為：

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散系數(shù)。不同煤體結(jié)構(gòu)煤的有效擴散系數(shù)均隨壓力的降低而減小，表明隨著壓力降低甲烷在運移過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 單孔擴散模型不同煤體結(jié)構(gòu)煤的有效擴散系數(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 種不同擴散阻力的擴散模型。隨著煤儲層壓力的降低，甲烷的分子平均自由程增大，擴散模型逐漸由菲克型擴散、過渡型擴散轉(zhuǎn)變?yōu)榭伺蛿U散。初始解吸平衡壓力在6 MPa 左右時，4 種煤體結(jié)構(gòu)煤的擴散系數(shù)均最高，其中糜棱結(jié)構(gòu)煤的有效擴散系數(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，分子自由程較小，氣體分子與孔壁碰撞的次數(shù)降低，菲克型擴散控制了煤孔隙的整個擴散過程。隨著壓力的進一步降低，分子自由程升高，主要擴散模式逐漸向過渡型擴散轉(zhuǎn)變。在1.5 MPa 壓力以下，不同煤體結(jié)構(gòu)的有效擴散系數(shù)隨壓力變化存在一定程度波動性。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]，對應(yīng)于克努森系數(shù)計算的孔徑則是10～50 nm，說明在此壓力區(qū)間中孔是過渡型擴散的主要場所。

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，解吸擴散主要發(fā)生在較小的孔隙中(＜10 nm)，擴散類型主要為克努森型擴散，氣體分子與孔壁的碰撞更加頻繁，氣體運移阻力達到最大。通?？伺蛿U散階段的擴散系數(shù)較低，但圖5 顯示，4個樣品的有效擴散系數(shù)在低壓下均顯示了相似的忽高忽低的波動性，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 左右的細瓶頸孔的發(fā)育有關(guān)[19]，在平衡壓力下，細瓶頸孔隙中充滿的氣體處于過飽和狀態(tài)，一旦孔口壓力降低，細瓶頸孔內(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，擴散系數(shù)突然增大。

構(gòu)造煤的甲烷擴散系數(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，擴散系數(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)間的擴散系數(shù)大小順序為：糜棱結(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。初始最大擴散系數(shù)表明，碎裂結(jié)構(gòu)煤中直徑大于50 nm 孔隙相對較多，有利于菲克型擴散的發(fā)生。但初始壓力后，碎裂結(jié)構(gòu)煤的擴散速率降低，說明碎裂結(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，隨著破壞強度的增加，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，導(dǎo)致甲烷難以從孔隙表面解吸。在低壓階段，此時各煤樣的氣體擴散系數(shù)波動異常。這也說明低壓下，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散系數(shù)說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)造煤孔隙中氣體運移路徑的長度比原生結(jié)構(gòu)煤短，因此擴散系數(shù)相對較高。

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

圖7 雙孔擴散模型不同煤體結(jié)構(gòu)煤的有效擴散系數(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

擴散系數(shù)是表征擴散能力的量化參數(shù)，選取相同壓力下不同溫度解吸數(shù)據(jù)，根據(jù)單孔理論擴散模型計算出不同煤體結(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，溫度越高有效擴散系數(shù)越大，45℃條件下明顯高于其他2 個溫度，說明高溫環(huán)境下溫度對甲烷擴散的影響要高于壓力。但是到了低壓區(qū)(1 MPa)，有效擴散系數(shù)與溫度關(guān)系出現(xiàn)波動性，無單調(diào)變化規(guī)律。在較低壓力下甲烷的擴散主要發(fā)生在微孔，其不規(guī)則變化規(guī)律影響了甲烷的擴散速率，壓力和孔隙結(jié)構(gòu)對擴散影響超過了溫度。

圖8 不同溫度下不同煤體結(jié)構(gòu)煤有效擴散系數(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，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、雙孔擴散模型分析不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷擴散性能及其差異性，發(fā)現(xiàn)雙孔擴散模型對擴散數(shù)據(jù)擬合度較高，更適合于模擬構(gòu)造煤中氣體擴散效應(yīng)；揭示了煤中氣體擴散呈3 個階段變化規(guī)律，即：快速擴散階段(S1)，衰減階段(S2) 和緩慢擴散階段(S3)。

c.不同煤體結(jié)構(gòu)煤中甲烷的擴散系數(shù)均隨壓力的降低而減小，在整個擴散階段構(gòu)造煤的擴散系數(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，氣體擴散主要發(fā)生在大孔、中孔和微孔中，分別對應(yīng)菲克型擴散、過渡型擴散和克努森型擴散。

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；有效擴散系數(shù)與溫度表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，溫度越高有效擴散系數(shù)越大，但是到了低壓階段孔隙結(jié)構(gòu)對煤中甲烷擴散性影響高于溫度。