含瓦斯煤体渗透规律的实验研究

张志刚

（煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆 400037）

含瓦斯煤体渗透规律的实验研究

张志刚

（煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆 400037）

利用自行研制的出入口压差可调煤岩渗透实验系统，测定了在不同压差和气体介质条件下，不同吸附性能煤样的渗透性，对含瓦斯煤体的渗透规律进行了研究。研究结果表明，煤对瓦斯的吸附作用是影响煤体渗透特性的主要因素，同时通过对实验数据的分析，建立了煤岩的渗透率与瓦斯吸附量的关系模型。

煤;瓦斯;渗透;吸附

煤是一种特殊的多孔物质，其特殊的孔裂隙二重性和对瓦斯的强吸附作用，使得瓦斯在其内部的渗透过程极其复杂，包括了渗流、解吸、扩散，直接套用达西定律来描述煤层中瓦斯的流动存在较大的误差［1－5］。含瓦斯煤体渗透规律的研究对于瓦斯涌出量预测和煤层气开发利用的基础理论研究具有重要的现实意义。本文拟通过实验分析的方法，对含瓦斯煤体的渗透规律进行研究。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置与煤样的制备

实验装置采用煤炭科学研究总院重庆研究院自行研制开发的“出入口压差可调煤岩渗透测试装置”，见图1。该装置主要由真空管路系统、气体压力控制器、流量测定系统和渗透罐体组成。渗透罐体两端的流量系统自实验开始便记录气体流量，待气体渗透达到稳态时，将入口段总流量减去出口端总流量即可求得煤样吸附气体量。

根据研究目的，实验煤样取自贵州省龙宫煤矿、河南省平煤十矿。龙宫煤矿煤样为无烟煤，煤化程度高，平煤十矿煤样为烟煤，煤化程度较无烟煤低，孔隙较发育，煤样放散瓦斯能力较强。利用专用的岩样制备装置将所取煤样制备成φ50mm× 100mm的标准试件。

图1 煤岩渗透测试装置

1.2 实验方法

在恒温情况下，实验采用不同气体、不同孔隙压力、不同吸附性能煤样在不同压差条件下测量试件稳态时气体渗透流量的方法测定渗透率。采用排水法与气体微流量计相结合的方法测量气体流量。具体步骤如下:

（1）将恒温水浴加热到30℃，对试件恒温脱气6h。

（2）恒温状态下通入测试气体，调节渗透装置的进、出口气体压力控制器，吸附24h后，测量稳态时气体渗透流量。

（3）测试顺序为:He，CH4，CO2。

2 数据处理方法

式中，Kc为煤样的实测渗透率，10－3μm2;μ为气体的绝对黏度，Pa·s;p0为实验室大气压，MPa;Q0为稳态时气体渗透量，cm3/s;L为煤样试件长度，cm;F为煤样端面面积，cm2;p1，p2分别为煤样试件入口、出口压力，MPa。

3 实验结果及分析

3.1 不同吸附性能气体下渗透率的测定

同一煤样对不同的气体，其吸附性能差异很大。在30℃，1个标准大气压下，煤对CO2的吸附性能大于CH4，一般认为煤对He基本没有吸附性（如图2所示）。

图2 煤吸附不同气体能力比较

为分析吸附作用和煤岩结构的不均质性对气体在煤体中渗透规律的影响，本次实验保持煤样试件出口端气压一定，改变入口端气压，对同一煤样分别测定不同吸附性能气体下的渗透率，结果表明:在相同平均气体压力下，通入He时渗透率大于CH4，通入CH4时渗透率大于CO2，见图3。

图3 渗透率与气体压力的关系

通过本次实验，可以得出:煤体的渗透特性与其气体介质间的吸附作用有着密切的关系。实验中的He与煤样试件无吸附作用，测定结果显示:He条件下测定的渗透率随气体压力的增大略有降低（最大偏差4%），呈现出良好的线性渗流特征，因此可以认为He在煤体中的渗流过程较好地服从达西定律，而通入与煤体有吸附作用的CH4和CO2时，则表现出明显的非线性特征。这就直接证明了吸附作用对煤体渗透特性有着很大的影响，并且从本次通入He时的渗透率测定中还可以得出煤体结构的不均质性和气体的可压缩性对瓦斯在煤体中渗流非线性特征的产生作用较小，基本可以忽略不计，分子滑脱效应在本次实验中体现的亦不明显。

3.2 不同瓦斯吸附量下渗透率的测定

为了进一步研究吸附作用对煤体渗透特性的影响规律，本次实验通过调节出入口气体压力控制器，保持煤样试件出入口两端压差一定，改变试件平均气体压力进行了渗透率测定。一般认为，煤吸附瓦斯符合Langmuir方程，即:

式中，Q为吸附瓦斯量，m3/t;a，b为吸附常数;p为吸附平衡压力，MPa。

由（2）式可知:气体在煤样中渗透的进出口两端压差一定，平均气体压力越高，则吸附量越大。本次实验结果表明，随着煤样中吸附量的增高，煤样的渗透率呈下降趋势，见图4。并且通过对煤样渗透率K与单位质量煤吸附瓦斯量q的回归分析，发现K与q之间呈现出良好的负幂函数关系（见图5）即:

式中，A，B为实验回归系数。

图4 渗透率与气体压力的关系

图5 渗透率与吸附量之间的关系

3.3 原煤和型煤对比实验

利用渗透实验系统对平顶山煤样进行相同平均气体压力、不同压差下渗透率的测定，比较了型煤样和原煤样渗透特性的差异。由图6可看出，粒度0.2mm以下，型煤成型压力约100MPa，其渗透率较原煤大，渗透率随压差变化的规律与原煤相似。

图6 渗透率与气体压力变化关系

型煤的制作由颗粒煤通过加压使其内部煤粒间形成铰链结构，本实验中型煤的粒径为0.2mm以下，手搓已无粒度感，加压至250kN后成型。从本次实验的结果可得出，煤的胶结状的结构不利于瓦斯的流动，通过对实验数据的分析，发现渗透率与吸附量之间较好的符合负幂函数的关系，这与3.2实验中得出的结论一致，见图7。

图7 渗透率与吸附量之间的关系

3.4 实验结果分析

从实验可以得出:煤本身结构的不均质性和气体的可压缩性对于瓦斯在煤体中流动的非线性特征的产生起着微小的作用，基本可以忽略不计。而影响瓦斯在煤体中渗透规律的主控因素是煤对瓦斯气体的吸附作用，对实验结果的分析，认为吸附作用对瓦斯在煤体中渗透规律影响的机理为:

（1）一般认为瓦斯在煤体裂隙中的流动属于层流，而任何一种流体 （气体或液体），在固体表面上流动时，都存在一个流动滞缓的边界层。边界层的流速远低于内部流体的流速。边界层的存在，是固体表面对流体分子亲和作用的结果。边界层通常很薄，对于管道流动来说，几乎不影响管径的大小，但对于细小的煤岩孔裂隙来说，边界层的影响就不能忽略了。边界层的存在，使孔径变小，渗透率将降低。实验中He测量的渗透率比CH4高，而CH4的测量结果又比CO2高。这是因为极性固体表面对非极性气体He的吸附作用最弱，边界层也最薄，因而渗透率最高。CO2的极性最强，边界层也最厚，因而渗透率也最低。

（2）实验过程中，由于煤样试件吸附瓦斯量的增加使得煤基质产生膨胀，降低了煤体孔隙率，从而造成瓦斯在煤体中的流动通道面积减少，直接增加了瓦斯在煤体中的流动阻力。

（3）在瓦斯流向上，将煤体划分为若干个膜传质单元 （如图8所示），根据Langmuir界面动态吸附理论［7］知，固体表面吸附是个动态平衡的过程，当瓦斯渗透过煤体定向传递时，煤体表面吸附应是吸附速度、脱附速度与传递速度三者的平衡过程，因此，煤体的每个膜单元传质过程包括:瓦斯1侧膜表面的动态吸附过程、膜内部的扩散过程、瓦斯2侧膜表面的动态脱附过程，如图9所示。

图8 一维瓦斯流向上煤体传质单元的划分

图9 膜单元瓦斯动态吸附传递过程

因此，煤体膜单元的动态吸附传质阻力为界面吸附阻力、内部渗透阻力及界面脱附阻力的串联。无吸附作用时气体在煤体中的渗透阻力只来自于煤体结构本身，而无界面吸附与脱附阻力。瓦斯气体在煤体中渗透时“吸附－脱附－传递”的动态过程也是影响煤体渗透特性的重要因素之一。

4 结论

（1）煤体本身结构的不均质性和渗透气体的可压缩性，对于气体在煤体中渗流的非线性特征的产生起着微小的作用，基本可以忽略不计。

（2）影响煤体渗透特性的主控因素是煤对气体介质的吸附作用。

（3）由于煤对瓦斯的吸附作用，使得瓦斯在煤体中的流动呈现出特有的非线性特征。吸附瓦斯对煤体渗透特性起着决定性的作用，吸附量大，渗透率小，瓦斯在煤体中流动的阻力大，并且通过对实验数据的拟合，发现煤岩渗透率与单位质量煤吸附瓦斯量之间具有较好的负幂函数关系。

［1］林柏泉，周世宁.煤样瓦斯渗透规律的实验研究［J］.中国矿业大学学报，1987，16（1）:21－28.

［2］孙培德.变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究［J］.岩石力学与工程学报，2001（S1）:1801－1804.

［3］梁 冰，章梦涛，潘一山.瓦斯对煤的力学性质及力学响应影响的试验研究［J］.岩土工程学报，1995，17（5）.

［4］贺振华，邓英尔，刘树根，等.岩石弹性参数对渗流测试分析的影响［J］.天然气工业，2006，26（6）:44－46.

［5］徐曾和，徐小荷，徐继军.可变形多孔介质渗透系数的测定方法［J］.实验力学，1998，13（3）:314－319.

［6］中华人民共和国行业标准编写组.岩芯常规分析方法 （SY/ T5336－1996）［S］.北京:石油工业出版社，1996.

［7］赵振国.界面化学基础［M］.北京:化学工业出版社，1996.

Experimental Research on Seepage Rule of Coal-body Absorbed by Methane

ZHANG Zhi-gang

（Chongqing Research Institute，China Coal Research Institute，Chongqing 400037，China）

Permeability of coal sampleswith different absorption ability was tested and penetrative rule was researched under different pressure differentials and gasmediums by applying self-developed coal-rock seepage experiment system，whose inlet pressure differential was adjustable Results showed that the absorption action of coal onmethane was important factor of influencing coal permeability By analyzing test data，relationship model of coal-rock permeability and methane absorbance was set up.

coal;methane;seepage;absorption

TD712.2

A

1006-6225（2011）05-0015-04

2011－02－21

重庆市科委自然科学基金计划资助项目 （CSTC，2010BB6118）

张志刚 （1978－），男，山西忻州人，硕士，高级工程师，现从事煤矿瓦斯治理研究工作。

［责任编辑:施红霞］