不同温压作用下煤体对甲烷吸附量及其变形的试验研究

刘 健，范家文

(1.山西能源学院，山西 太原 030600；2.山西煤炭运销集团 晋能煤矿工程公司，山西 太原 030031)

我国煤层气储量巨大，据相关资料统计，对于埋深在2000m以内的煤层气储量与天然气储量接近，可达35×1012m3，故煤层气的安全高效开采对缓解我国能源紧张以及改善环境保护问题具有重要的意义[1-3]。目前，我国煤层气开采的主要方式可分为井下抽采和地面开采两部分，通过井下抽采技术开采得到的煤层气浓度低，同时该技术开采难度高、成本巨大，而利用地面钻采技术抽采的煤层气浓度可达90%以上，经济效益明显，故该技术得到广泛倡导和应用。

瓦斯在煤体中的赋存形态主要为吸附和游离，其中绝大部分的瓦斯是以吸附态赋存于煤体中的[4，5]，煤体在吸附瓦斯过程中的力学特征会发生改变。当煤所处的地层条件不同时，煤体所受的压力和温度就不同，即在不同地质赋存条件下的煤体对甲烷的吸附特性主要受到温度和压力的影响，因此，研究不同温压下煤体对甲烷的吸附特性对矿井瓦斯防治和瓦斯钻采技术的发展具有重要的意义。但总体上对于煤体吸附甲烷特性的研究还处于定性研究和理论推导阶段，基于此，本文进行不同温度和压力下煤体对甲烷的吸附试验，从而对不同因素作用下煤体对甲烷的吸附量和吸附过程中煤体表现出的变形特征进行定量研究。

1 实验方案

本次试验装置主要包括气瓶、手动泵、中间容器、高精密驱替泵以及耐高压反应釜。设置温度分别为20℃、40℃、60℃以及80℃，孔隙压力分别为4MPa、5MPa和6MPa，从而进行不同温度和孔隙压力下煤体吸附甲烷特性的试验研究，试验装置如图1所示。

图1 煤体吸附甲烷特性的试验装置示意图

1.1 实验步骤

1)首先进行试验装置的气密性检测。将密封套装好的标准煤样置于耐高压反应釜内，设置水浴温度为20℃，为了模拟煤层所处的地应力环境，通过高精密驱替泵和空气压缩机施加大约8MPa的静水压力，打开气瓶向釜内通入气体，2h后通过观察是否有气体排出进行气密性判定。

2)对装置进行抽真空工作，然后关闭反应釜的进出气口，打开中间容器的进气口和甲烷气瓶，以便甲烷气体充入中间容器内，当中间容器压力达到4MPa时关闭中间容器的进气口，此时中间容器和反应釜组成一个密闭装置，则煤样处于4MPa 的气体压力下进行吸附。

3)打开釜的进气口，从而进行煤体吸附甲烷的试验，当中间容器的压力几乎不再变化时说明煤体吸附甲烷达到饱和状态。当煤体吸附甲烷过程中产生变形时，驱替泵会进行相应的吸液和排液工作，通过吸排液量的变化可以得到煤体的变形量。

4)孔隙压力为4MPa下煤体吸附甲烷的试验完成后，通过调整手动计量泵设置中间容器压力为下一孔隙压力，从而进行不同孔隙压下的吸附试验。升高水浴槽内温度至下一温度点，按照同样方法进行不同温度下的煤体吸附甲烷试验。

1.2 煤体吸附量计算

煤体吸附甲烷的试验处于一个密闭系统中，而且水浴槽控制温度，使得试验环境为恒温条件，故甲烷气体满足理想气体方程[6，7]，见式(1)。

V0×(P1-P2)=Va×P0

(1)

式中，V0为中间容器内部气体体积，mL；P1为中间容器的初态压力，MPa；P2为试验完成后中间容器压力，MPa；Va为吸附瓦斯体积，mL；P0为大气压强，MPa。

吸附瓦斯体积Va可用公式(2)计算。

Va=V1+V2

(2)

式中，V1为釜内体积，mL；V2为煤吸附体积，mL。

1.3 煤体变形计算

此次试验所用的煤样是直径50mm、高度100mm的标准煤样。在煤体吸附甲烷的过程中，通过监测驱替泵的吸排液量来进行煤体变形的分析，此次分析不同因素作用下煤体轴向的变形量，煤体轴向应变的计算公式见式(3)。

ε1=4ΔV/πD2L

(3)

式中，ΔV为在轴向的驱替泵液量变化大小，mL；D和L分别为测试煤样的径向和轴向长度，m。

2 不同温压作用下煤体吸附量变化特征的研究

不同温度和孔隙压下煤体对甲烷吸附量随时间的变化规律如图2所示，从2图中可以发现，在同一温度下，随着孔隙压的增大，煤体对甲烷的吸附量也在增加；另一方面，当孔隙压不变时，吸附量与温度呈现负相关关系。当温度为20℃时，孔隙压分别为4MPa、5MPa和6MPa下煤体对甲烷的吸附量分别为4.165mL/g、4.695mL/g以及5.162mL/g；当温度为80℃时，孔隙压分别为4MPa、5MPa和6MPa下煤体对甲烷的吸附量分别为2.413mL/g、3.486mL/g以及3.948mL/g；由此可见，温度对煤体的吸附能力起抑制作用。

整体上，在吸附前期(0～30min)吸附量的增加速率较快，在该阶段甲烷快速扩充到密闭装置各处；在吸附中期(30～380min)吸附量的增大速率较缓，在该阶段在装置内部各处扩散的气体达到饱和；在吸附后期(380min～试验阶数)吸附量趋于平稳，说明煤体的吸附量基本达到平衡状态。

为了直观地分析温压作用下煤体对甲烷吸附量的分布情况，通过origin软件进行绘制得到吸附量分布的云图，如图3所示。

图2 煤体对甲烷吸附量的变化

图3 煤体对甲烷吸附量的分布云图

在图3中，不同的吸附量分布范围对应图中相应的颜色分布区，从中可以发现，在吸附量逐步增大的过程中，吸附量分布范围先增大后减小，几乎表现为正态分布趋势。温度越低，孔隙压越高，则吸附量越大，对应于图中的左上角部分；温度越高，孔隙压越低，则吸附量越小，对应于图3中的右下角部分。

3 温压作用下煤体吸附变形特征的研究

不同温度和孔隙压力下煤体吸附甲烷的最终的轴向应变量如图4所示。

从图4中可以发现，在同一温度下，随着孔隙压力的增大，煤体吸附甲烷的轴向应变量在增大，究其原因，孔隙压越大，煤体内部基质对甲烷分子的吸附难度越小，表现为效果越好；同时，孔隙压力越大，意味着有效应力越小，有效应力产生的变形效果逐步削弱，煤体吸附达到变形稳定需要的时间越长，煤体的塑形应变增强。

轴向应变随着温度的升高而逐步减小。温度对煤体吸附甲烷效应的抑制作用，温度越高，甲烷气体越不容易吸附于煤体内部基质表面，吸附引起的变形就越小。另一方面，煤体内部孔洞裂隙发育较多，则在温度的作用下会发生膨胀，由此可见温度对甲烷吸附的影响效果要显著于热膨胀效果，这样才使得煤体应变与温度间表现为负相关关系。温压作用下煤体轴向应变如图5所示。

图5 煤体吸附甲烷轴向应变的分布云图

从图5中可以发现，轴向应变低于700×10-6区间所占比例较大，对应于温度处于40～80℃以及孔隙压4～5MPa范围。从图5中更加直观发现，温度越低，孔隙压越高，则煤体吸附所表现出的轴向应变越大。

4 等温吸附特性研究

迄今为止，对于单组份气体的等温吸附模型最为常用的为Langmuir模型[8，9]，该理论认为，在固体表面存在着能够提供气体分子吸附的吸附位并假设其吸附层数为单分子层吸附[10]，其方程为：

式中，V为压力P下煤体对单组份气体的吸附量，mL/g；PL为压力常数，即Langmuir压力，Pa；VL为最大单层容量，即Langmuir体积，mL/g。

不同温度和孔隙压力下甲烷在煤体中的等温吸附曲线如图6所示。

图6 甲烷在煤体中的等温吸附曲线图

从图6可以看出，随着孔隙压力的增大，甲烷在煤体中的吸附量几乎呈线性关系增大，符合Langmuir模型。当温度为80℃时，煤体对甲烷的吸附量受温度的影响最为显著，在此温度下甲烷的吸附量减小显著。究其原因，甲烷分子在较高温度作用下活性提高，该类型的单组份气体分析难于附着于煤体内部的基质表层；同时在反应釜约束应力作用下煤体内部的弱面等结构会进一步被压缩，减小了内部吸附空间的比表面积，吸附量减少；另一方面，煤体的塑性特性很强，在80℃的高温下煤体在外围三轴应力的作用下表现为明显的压缩变形，降低了渗透率，增加了甲烷分子在煤体内部通道扩散运移的难度。

图7 不同温度下煤体吸附解吸瓦斯后CT灰度图

在CT灰度图中(图7)，黑色位置密度最小，为裂隙所处位置。可以发现，温度为80℃时，在60℃下贯通煤体的裂隙闭合，整个图像显示裂隙的规模数量都减小了，由此证明了上文中得到了在高温下煤体发生压缩，渗透率减小，内部吸附空间得到缩减，不利于煤体吸附甲烷的进行。

5 结 论

本文进行不同温度和压力下煤体对甲烷的吸附试验，从而得到了不同温压条件下煤体对甲烷气体的吸附量以及吸附过程中表现出的变形，得到结论如下：

1)随着温度的增加，煤体对甲烷的吸附量减小，而且煤体吸附甲烷的过程较为缓慢，温度对煤体的吸附水平起抑制作用。

2)温度越低，孔隙压越高，则煤体吸附所表现出的轴向应变越大。温度对甲烷吸附的影响效果要显著于煤体骨架的膨胀效应，这样才使得煤体应变与温度间表现为负相关关系。

3)在同一温度下，随着孔隙压力的增大，甲烷在煤体中的吸附量几乎呈线性关系增大。

4)当温度为80℃时，煤体对甲烷的吸附量受温度的影响最为显著。当温度为80℃、孔隙压为4MPa时煤体对甲烷的吸附量仅为2.413mL/g。高温下甲烷分子的活性提高，而且煤体发生显著的压缩变形。