含瓦斯煤的吸附量與孔隙率及變形的映射規(guī)律研究

程 波，顏文學，孫炳興，劉 輝

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

瓦斯氣體與煤的固體表面存在著強烈的氣固反應[1-2]，且大部分斯氣體是以吸附的形態(tài)賦存于煤的孔隙系統(tǒng)內(nèi)。大量研究成果表明：煤吸附瓦斯將使得煤的物性參數(shù)發(fā)生改變，并伴隨產(chǎn)生不同程度的變形[3]。該種變形將改變煤的孔隙結構，從而使得煤的孔隙率隨之而發(fā)生變化。目前，我國相關學者已針對煤吸附瓦斯過程中孔隙率演化特征進行了大量的研究[4-9]，并在煤吸附瓦斯過程與變形、孔隙演化規(guī)律方面取得了豐富的成果，為進一步揭示煤與瓦斯氣體間的吸附作用對煤孔隙結構的影響奠定了堅實的基礎。然而，目前的研究受到試驗設備、方法的限制，部分研究成果僅停留在理論分析的階段，針對含瓦斯煤的吸附量與孔隙率、變形的映射規(guī)律的研究鮮見報道。但隨著應用數(shù)字圖像技術的不斷發(fā)展，諸多學者已將其成功應用于巖石細觀力學特性的研究中[10]。鑒于此，以含瓦斯煤為研究對象，針對煤樣在不同瓦斯壓力的作用下，吸附量對煤孔隙率、變形的影響進行了分析；利用工業(yè)CT 技術與高壓容量法相結合的方法，研究含瓦斯煤的吸附量與孔隙率、變形的映射規(guī)律，旨在為科學評價儲層煤層氣資源提供理論依據(jù)。

1 理論分析

為研究含瓦斯煤的吸附量與孔隙率、變形的映射規(guī)律，針對高壓容量法測定煤吸附瓦斯量的的實驗條件[11]，對瓦斯壓力與煤孔隙率、變形之間關聯(lián)進行分析，并做如下基本假設：

1）假設煤的初始總體積為V0，并且其固體骨架部分是由若干固體顆粒組成的，為彈性介質(zhì)；固體骨架的初始總體積為Vs0，初始孔隙率為φ0。

2）煤體內(nèi)的水含量為0，即剔除煤體內(nèi)的水分對其吸附瓦斯性能的影響。

3）將煤樣放置于樣品罐后，隨即充入瓦斯氣體，而后煤樣在瓦斯氣體氛圍下與其充分反應，待吸附平衡后，其吸附平衡瓦斯壓力為p。

4）煤體在吸附平衡的過程中，受瓦斯氣體壓力的影響，將發(fā)生變形，且變形包括2 個部分：整體的體積應變，以及煤的骨架在瓦斯壓力的作用下引起的變形[12]。

定義煤吸附瓦斯時的體積應變?yōu)棣舦，則根據(jù)體積應變的定義可知：

式中：Vc為煤體內(nèi)氣體壓力為p 時的整體體積。

若εv＞0，則煤體在瓦斯壓力的作用下發(fā)生膨脹變形；若εv＜0，則煤體在瓦斯壓力的作用下發(fā)生收縮變形；若εv＝0，此時煤體未發(fā)生變形。

進一步由式（1）可得：

根據(jù)孔隙率的定義可知：

則吸附平衡瓦斯壓力為p 時，煤的孔隙率φc為：

式中：Vcs為瓦斯壓力為p 時煤體的骨架體積。

將式（2）、式（3）代入式（4）中可得：

將式（6）代入到式（5）中可得：

研究的含瓦斯煤的變形特征是以高壓容量法測試煤吸附瓦斯等溫曲線的過程為條件，處于樣品罐內(nèi)的煤樣試件在吸附不同壓力的瓦斯氣體后，煤樣將產(chǎn)生不同程度的變形。與此同時，氣體壓力的作用，亦將作用于煤體而產(chǎn)生一定程度的收縮變形[8]。實際在煤吸附瓦斯的過程中，煤基質(zhì)之間亦將相互作用，該種特性也是構成含瓦斯煤變形的重要因素之一[12]。應用高壓容量法進行吸附量的測定時，實際并未考慮煤樣在瓦斯氣體壓力作用下產(chǎn)生的變形對孔隙率的影響，因而將注入氣體量與游離瓦斯量相減所得到的吸附量則勢必與實際存在著一定偏差。

2 煤吸附瓦斯量與變形及煤孔隙率的同步測定試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

針對煤吸附瓦斯量、變形與煤孔隙率的同步測定問題，采用CT 技術與高壓容量法相結合的方法，進行不同瓦斯壓力條件下煤樣吸附瓦斯量、變形與孔隙率的同步測定，試驗系統(tǒng)圖如圖1。其中，吸附瓦斯過程中的煤樣孔隙率測定采用ACTIS（300-320KV/225KV）CT 試驗系統(tǒng)，選擇不同能量的X 射線進行測試。

圖1 試驗系統(tǒng)圖Fig.1 Test system diagram

2.2 試驗步驟

1）煤樣的制備。將煤樣切割成直徑25 mm，高度50 mm 的圓柱體形。而后進行脫氣、除水處理。

2）粘貼電阻應變片。待煤樣表面擦拭后，將應變片粘貼于煤樣表面。煤樣的體積應變εv為：

式中：εz為煤樣的軸向應變；εr為煤樣的環(huán)向應變。

3）脫氣。開啟真空脫氣泵對吸附罐內(nèi)的煤樣試件進行脫氣處理，時間保持在4 h 以上；脫氣完畢后，測定吸附罐內(nèi)煤樣試件的εz、εr。并應用CT 實驗系統(tǒng)進行不同層位孔隙率的測定，確定煤樣的初始孔隙率φ0。

4）充入瓦斯氣體。將瓦斯氣體充入至標準罐內(nèi)，并記錄標準罐內(nèi)的瓦斯氣體壓力p1；所述標準罐與連接管路在試驗前需進行標定，記錄其體積為Vb；而后，使瓦斯氣體進入至吸附罐內(nèi)。

5）測定吸附瓦斯平衡狀態(tài)下的吸附量、孔隙率與變形：吸附罐上的氣體壓力示數(shù)連續(xù)2 h 無變化后，則可判定煤樣吸附瓦斯已至平衡狀態(tài)，此時開啟CT 試驗系統(tǒng)獲取吸附平衡壓力p1p對應的含瓦斯煤平均孔隙率φ1；并同步測定應變εz1、εr1，進而得到吸附平衡壓力p1p對應的體積應變εv1=εz1+2εr1；進一步計算此時煤樣的體積Vm1=（1+εv1）Vm，則吸附平衡壓力p1p對應的吸附瓦斯摩爾量為：

式中：Z1、Z1p分別為壓力為p1、p1p時，瓦斯氣體的壓縮因子；n1為吸附平衡壓力p1p對應的吸附瓦斯摩爾量。

吸附平衡壓力p1p對應的煤樣吸附瓦斯量Vxp1=22.4×n1×1 000。

6）持續(xù)充入瓦斯氣體。持續(xù)向標準罐內(nèi)充入瓦斯氣體，并記錄充入瓦斯氣體后標準罐內(nèi)的氣體壓力p2。

重復步驟5）、步驟6），即可獲取相應吸附平衡瓦斯壓力條件下的吸附量、孔隙率與變形的數(shù)據(jù)。

3 試驗結果

采集山西晉城礦區(qū)3#層與忻州保德煤礦8#層的煤樣作為試驗研究對象，煤樣的工業(yè)分析及高壓容量法測定的瓦斯吸附常數(shù)結果見表1。

試驗前，應用CT 試驗系統(tǒng)分別測得晉城3#層與保德8#層煤的初始孔隙率為4.64%、12.16%。應用試驗方法測定的不同吸附瓦斯平衡壓力下的吸附瓦斯量與孔隙率、煤體積應變，不同吸附平衡壓力下的吸附瓦斯量與孔隙率變化曲線如圖2，不同吸附瓦斯量下的孔隙率與體積應變變化曲線如圖3。

表1 工業(yè)分析及高壓容量法測定的瓦斯吸附常數(shù)結果Table 1 Results of gas adsorption constant measured byindustrial analysis and high pressure capacity method

圖2 不同吸附平衡壓力下的吸附瓦斯量與孔隙率變化曲線Fig.2 Variation curves of adsorbed gas volume and porosity under different adsorption equilibrium pressure

圖3 不同吸附瓦斯量下的孔隙率與體積應變變化曲線Fig.3 Variation curves of porosity and volumetric strain under different adsorbed gas amount

由圖2 可以看出：煤樣在吸附瓦斯平衡狀態(tài)時，其孔隙率與未吸附瓦斯時截然不同，且隨著吸附平衡瓦斯壓力的增大，煤樣的孔隙率逐漸降低，其中晉城3#層煤樣的孔隙率在瓦斯壓力至某一閾值后，趨于穩(wěn)定；而保德8#層煤樣的孔隙率則呈現(xiàn)近似于線性降低的趨勢。采用高壓容量法計算煤吸附瓦斯量時，未考慮煤孔隙演化的計算值實際小于考慮煤孔隙演化時的計算值。采用的晉城3#層煤樣屬典型的高變質(zhì)無煙煤，保德8#層煤樣為變質(zhì)程度較低的低階煤。煤吸附瓦斯的過程中，由于其自身孔隙結構對基質(zhì)膨脹效應控制的作用不同，故表現(xiàn)為晉城3#層煤樣采用高壓容量法計算的煤吸附瓦斯量與考慮煤孔隙演化時計算值的相對偏差較保德8#層煤樣小[7]。因此，煤吸附瓦斯過程中的孔隙率變化對自身吸附性能極強的晉城3#層煤樣吸附瓦斯量計算值的影響較小。

由圖3 可知：試驗煤樣的體積應變與吸附量之間較好的符合線性函數(shù)的關系；且煤樣的孔隙率隨著吸附量的增大，而逐漸降低。所不同之處在于，晉城3#層煤樣的孔隙率下降幅值較保德8#層煤樣小，這是由于晉城3#層煤樣屬高變質(zhì)的無煙煤，其孔隙體積較保德8#層小，煤吸附瓦斯引發(fā)的體積膨脹對其孔隙結構改變的作用強度較低。因而，晉城3#層煤樣孔隙率隨吸附量變化下降的趨勢較緩。在實際的煤層氣藏資源的評價中，實際均以煤層瓦斯含量為依據(jù)。故將不同吸附平衡瓦斯壓力下煤孔隙中的游離量與對應的吸附量相加，得到了相應的煤層瓦斯含量；進一步與未考慮孔隙率演化時的煤層瓦斯含量進行對比，不同方法計算煤層瓦斯含量的差異如圖4。

圖4 不同方法計算煤層瓦斯含量的差異Fig.4 Difference of gas content in coal seam calculated by different methods

由圖4 可知：隨著吸附平衡瓦斯壓力的增加，試驗煤樣全含量計算值的差異亦隨之而增加，其中保德8#層煤樣的增加幅值大于晉城3#層煤樣。在考慮現(xiàn)場工程實際應用的前提下，可忽略晉城3#層煤樣瓦斯含量的差異。但在瓦斯壓力超過一定4.3 MPa時，保德8#層煤樣2 種計算方法的煤層瓦斯含量相對偏差則大于10%，該種差異對于中、低階煤層氣的開發(fā)至關重要[13]。大量研究表明：中、低階儲層的氣藏壓力大、資源的豐度高、孔隙容積大，最大孔隙率接近30%[13]。故在開展中、低階儲層煤層氣資源量的評價時，應關注不同壓力下煤孔隙率的演化對煤吸附性能參數(shù)以及氣體含量計算的影響。

4 結 語

1）應用工業(yè)CT 技術獲取吸附瓦斯平衡狀態(tài)下煤樣不同層位的孔隙率，以此為基礎，結合高壓容量法的技術原理，對煤樣吸附瓦斯量進行計算，并同時測定煤樣的體積應變，實現(xiàn)了含瓦斯煤的吸附量-孔隙率-變形的同步測定。

2）采用高壓容量法計算煤吸附瓦斯量時，未考慮煤孔隙演化的計算值實際小于考慮煤孔隙演化時的計算值；吸附性能強的高階煤瓦斯含量計算可忽略該現(xiàn)象的影響，但孔隙容積大的中、低階煤則需考慮不同壓力下煤孔隙率的演化對煤吸附性能參數(shù)以及氣體含量計算的影響。

3）隨著吸附瓦斯量的增加，煤的孔隙率逐漸降低，并趨于穩(wěn)定值；且煤的變質(zhì)程度越高，其孔隙率演化的趨勢越緩；煤的體積應變呈現(xiàn)近似于線性增長的特征。