（环境工程专业论文）声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究.pdf

摘要 摘要 温室效应导致了全球气候变化异常，环境地质灾害频繁发生，严重影响了人 类的生活环境。甲烷是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的2 l 倍，二氧化氮 的7 倍，对生态环境破坏极强，是大气污染中的主要危害源。据统计，我国每年 从矿井中开采煤层时排放的甲烷量约为7 0 亿m 3 - - 9 0 亿m ? ，约占世界甲烷总排放 量的3 0 。由于我国大部分煤层渗透性较差，瓦斯抽采难度大，煤层开采过程中 仍有大量瓦斯被排放到大气中，煤层瓦斯抽采效率低下问题仍然是制约大气环境 污染控制的瓶颈之一。研究煤与瓦斯固气耦合动力学特征及声波场作用下瓦斯解 吸和放散特征，目的是试图改善煤体瓦斯解吸和放散的外部条件。 通过自制煤体瓦斯动力作用模拟实验系统，研究了非声场和声场作用条件下 煤体的应力场、煤体瓦斯渗透速度和瓦斯解吸放散特征。研究结果表明：假设 围岩不变形，在煤体瓦斯从游离态向吸附态转变过程中，煤体总压力呈下降趋势， 瓦斯压力随时问按照对数规律减小，有效应力随时间按照对数规律增大；假设 围岩不变形，在煤体瓦斯处于向大气放散过程中，煤体总压力和瓦斯压力分别随 时间按照负指数规律减小，瓦斯放散速度随时间按照对数规律减小；煤体瓦斯 在放散过程中对深部高应力区的卸载作用或应力释放效应明显强于低应力区； 声波作用于煤体，能够破坏煤体内部的粘结力，增加煤体裂隙宽度，提高煤体的 渗透性：当裂隙发育终止后，声波提高煤体渗透性的作用不再明显；稳定持续 的声波作用于煤体过程中，煤体有效应力按照对数规律降低。声波振动器产生 的周期性动力效应有利于瓦斯的解吸和运移；声波在传播过程中有部分能量转 化为热能以及声波振动器的散热效应，一方面使游离瓦斯具有膨胀趋势，一方面 使煤体中的吸附态瓦斯解吸，从而增加了煤体内部的瓦斯压力，促进了瓦斯向煤 体外的空间运移。 针对声波作用于煤体提高煤体瓦斯的解吸和放散能力研究，本文根据自己的 实验结果提出了一些新的认识，对于提高瓦斯抽采效率，从而减少矿井瓦斯排放 造成的大气污染具有重要的环境意义。 图7 9 表9 参1 5 9 关键词：声波；煤体；瓦斯；吸附；放散；有效应力 分类号：6 1 0 3 0 1 5 ；4 4 0 7 5 安徽理工大学博士学位论文 a b s t r a c t g r e e n h o u s ee f f e c tr e s u l t si na b n o r m a lg l o b a lc l i m a t e c h a n g e s ，f r e q u e n t l y o c c u r r e d e n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，a n di n f l u e n c e sh u m a nr i v i n ge n v i r o n m e n ts e r i o u s l y c o a lb e d m e t h a n ei sak i n do fg r e e n h o u s eg a sa f f e c t i n ga t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t i t se f f e c ti s2 1t i m e so f t h a to fc 0 2 ，a n d7t i m e so ft h a to fn 0 2 a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，c h i n e s ec o a lm i n ed i s c h a r g e a p p r o x i m a t e l y7 0 。9 0m i l l i o nm 3o fg a se v e r yy e a r , a c c o u n t e df o ra b o u t3 0 o ft h et o t a le m i t t e d v o l u m eo fm e t h a n eo ft h ew o r l d b e c a u s eo fl o wp e r m e a b i l i t yo fm o s tc o a lb o d yi nc h i n a , t h e e f f i c i e n c yo fc o a lg a se x t r a c t i o ni ss t i l lab o t t l e n e c ko fa t m o s p h e r i cp o l l u t i o nc o n t r 0 1 i no r d e rt o i m p r o v et h ee x t e r n a lc o n d i t i o no fc o a lg a sd e s o r p t i o na n de m i s s i o n ，c o a l - g a sc o u p l i n gd y n a m i c m e c h a n i c sa n ds o n i cw a v e s e f f e c to ng a sd e s o r p t i o na n de m i s s i o na 把s t u d i e d as e to fl a r g e s c a l es i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sf i e l d ， s e e p a g ev e l o c i t ya n dc o a lg a sd e s o r p t i o na n de m i s s i o nu n d e rn o n a c o u s t i cf i e l da n dt h ea c o u s t i c f i e l d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：a s s u m p t i n gt h e r ei sn od e f o r m a t i o ni ns u r r o u n d i n gr o c k , t h et o t a ls t r e s sd e c l i n e ss l i g h t l yw i t ht i m e ，g a sp r e s s u r ed e c r e a s e sw i t ht i m ei na c c o r d a n c ew i t ht h e l a wo fl o g a r i t h m ，e f f e c t i v es t r e s si n c r e a s e sw i t ht i m ei na c c o r d a n c ew i t ht h el a wo fl o g a r i t h m d u r i n gt h ep r o c e s so ff r e eg a sb e i n gt r a n s m i t t e dt oa b s o r p t e dg a s a s s u m p t i n gt h e r ei sn o d e f o r m a t i o ni ns u r r o u n d i n gr o c k , t o t a ls t r e s sa n dg a sp r e s s u r ed e c r e a s ew i t ht i m ei na c c o r d a n c e w i t ht h el a wo fe x p o n e n t ，g a se m i s s i o ns p e e dd e c l i n e sw i t ht i m ea c c o r d i n gt ot h el o g a r i t h m i cl a w d u r i n gt h ep r o c e s so fg a se m i s s i o n i nt h ep r o c e s so fc o a lg a se m i s s i o n ，t h eu n l o a d i n ge f f e c to r s t r e s sr e l e a s i n ge f f e c ti nh i 。g hs t r e s sa r e aa r es t r o n g e rt h a nt h a ti nl o ws t r e s sa r e a u n d e rt h e e f f e c to fa c o u s t i cw a v e sp r o p a g a t i o n , c o a lc e m e n t i n gs t r e n g t hi sd e s t r o y e d ，i n t e r n a lc o a lf r a c t u r e s i sp r o l o n g e da n dw i d e n e d , a n dt h ep e r m e a b i l i t yo fc o a li si m p r o v e d t h ew a v e sh a v en om o r e o b v i o u se f f e c to nc o a lp e r m e a b i l i t yw h e nf r a c t u r e sa r ef u l l yo p e n e d u n d e rt h ea c t i o no f s t a b l e a c o u s t i cw a v e s ，e f f e c t i v es t r e s so fc o a lb o d yd e c r e a s ew i t ht i m ea c c o r d i n gt ol o g a r i t h m i cl a w s o n i cw a v e sp r o d u c ed y n a m i ce f f e c ta n dp r o m o t eg a sd e s o r p t i o na n dm i g r a t i o n ；i nt h e p r o c e s so fs o u n dp r o p a g a t i o n , p a r to ft h ee n e r g yi sc o n v e r t e di n t oh e a t o no n eh a n d ，f r e eg a s v o l u m es w e l l e da n dc o a lg a sp r e s s u r ei n c r e a s e ，o nt h eo t h e rh a n d , g a sd e s o r p t i o na n dm i g r a t i o ni s p r o m o t e d t h i ss t u d ya i m e da th o wt op r o m o t ec o a lg a sd e s o r p t i o na n de m i s s i o n , a n dp r o p o s e ds o m e n e wv i e w so nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s i th a sc e r t a i nt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c yo f c o a lg a se x t r a c t i o na n df o rt h ec o n t r o lo f a i rp o l l u t i o nc a u s e db ym i n eg a se m i s s i o n i i 摘要 f i g u r e7 9t a b l e9 r e f e r e n c e15 9 k e y w o r d s ：s o n i cw a v e s ，c o a l ，g a s ，s o r p t i o n , e m i s s i o n ，e f f e c t i v es t r e s s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：6 1 0 3 0 1 5 ；4 4 0 7 5 引言 引言 全球气候变暖( 温室效应) 、臭氧层破坏和酸雨等三大问题是当前大气环境的 主要问题。其中，温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形 成的保温效应；当太阳短波辐射透过大气射入地面，地面增暖后放出的长波辐射 被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。除二氧化碳以外， 对温室效应产生重要作用的气体还有甲烷、臭氧、氯氟烃以及水气等。 煤层瓦斯是产生温室效应的重要来源之一。煤层瓦斯是煤层本身自生自储式 的非常规天然气，其主要成分包括甲烷、氮气等。全球埋深浅于2 0 0 0 米的煤层瓦 斯资源约为2 4 0 万亿立方米，我国煤层瓦斯资源丰富，继俄罗斯和加拿大之后， 居世界第三。据煤层瓦斯资源评价，我国埋深2 0 0 0 m 以浅煤层瓦斯地质资源量约 3 6 万亿m 3 ，主要分布在华北和西北地区。其中，华北地区、西北地区、南方地区 和东北地区赋存的煤层瓦斯地质资源量分别占全国煤层瓦斯地质资源总量的 5 6 3 、2 8 1 、1 4 3 、1 3 。1 0 0 0 m 以浅、1 0 0 0 , - 一1 5 0 0 m 和1 5 0 0 - - 2 0 0 0 m 的煤 层瓦斯地质资源量，分别占全国煤层瓦斯资源地质总量的3 8 8 、2 8 8 和3 2 4 。 世界主要产煤国都十分重视开发煤层瓦斯。美国、英国、德国、俄罗斯等国 煤层瓦斯开发利用起步较早，主要采用煤炭开采前抽放和采空区封闭抽放方式抽 放煤层瓦斯，产业发展较为成熟。8 0 年代初美国开始试验应用常规油气井( 即地 面钻井) 开采煤层瓦斯并获得突破性进展，标志着世界煤层瓦斯开发进入一个新 阶段；9 0 年代初，我国引进美国的煤层瓦斯开发技术；2 0 0 6 年，中国将煤层瓦斯 开发列入了“十一五”能源发展规划，并制定了具体的实施措施。 我国煤层瓦斯开发存在的问题。丰富的煤炭资源和煤层瓦斯资源为发展我国 的经济提供了坚实的物质基础，但是也应当看到，由于资源开发技术水平和地质 条件的限制，也产生了部分资源的浪费和大气环境的污染问题。其中，我国大部 分煤层的低渗透性是制约我国煤层瓦斯抽采效率的一个瓶颈因素，且地质条件复 杂，以及高强度高速度的煤层开采的客观要求，使得我国煤层瓦斯资源抽采率不 足5 0 ，从矿井中释放的瓦斯除有5 左右能够回收利用外，其余全部被排放到大 气中。 本文从声波作用产生的煤体动力损伤效应作为研究的切入点，采用物理模型 实验研究了声波增加煤体渗透性和促进瓦斯解吸和放散的特征和机理。通过采用 可控振源激发能量和频率可控的声波，对煤体产生扰动，破坏煤体的初始应力状 态，改变煤体内部结构，尤其是构造煤的结构，使原来粘结能力不强并且处于闭 安徽理工大学博士学位论文 合状态的裂隙重新张开，从而提高煤层的透气性，促进瓦斯的解吸、扩散和运移。 我国煤层瓦斯开发利用前景展望。我国煤层瓦斯产业一旦发展起来，将会带 动相关产业的发展，包括土建、环保、钻进机械( 钻机) 、煤层气抽取及输送设备 ( 真空泵及压缩机) 、输送管道、监测监控设备、煤层瓦斯发电设备、利用煤层瓦 斯生产化工原料的设备等。 由于作者水平的限制，论文中难免有错误和疏漏的地方，恳请读者给予批评 和指正。 2 l 绪论 1绪论 1 1问题的提出 煤体瓦斯的主要成分是甲烷、氮气等，甲烷是一种温室气体，其温室效应是 二氧化碳的2 1 倍，二氧化氮的7 倍，对生态环境破坏极强，我国每年从矿井开采中 排放的甲烷量约占世界甲烷总排放量的3 0 ，除5 左右的集中回收利用以外，其 余全部被排放到大气中【旧。我国“富煤、少油、缺气 的资源特点，决定了我国 必须继续大量开发煤炭资源【3 1 ，在这种形势下，如何控制这种大气污染源，减少煤 炭资源开发对大气环境的破坏，是摆在我们面前的必须要解决的难题。我国目前 已经开始实施“煤与瓦斯共采 方案，在开发煤炭资源的同时，对煤体瓦斯进行 抽采利用。但是，由于大部分煤层渗透性很差，而我国煤层瓦斯资源又很丰富【4 ，卯， 目前抽采率又不足5 0 ，在这些条件影响下，势必造成矿井中的瓦斯被大量排放 到大气中，增加了对大气的污染。因此，应该采取更加有效的措施，增加煤层的 渗透性，促进瓦斯在煤层内的流动，以达到提高煤层甲烷抽采效率的要求，减少 煤炭资源开采产生的大气污染，缓解资源开发与大气环境保护之间的矛盾。基于 这种严峻的形势，作者试图开辟新的研究方向和内容，借鉴石油开采中的低频振 动采油技术理论和超声波作用于煤体的作用机理，通过对含瓦斯煤体进行声波振 动作用下的解吸和放散特征与机理进行了研究，为大气污染物的控制提供新的解 决方法和途径。 1 2 研究的目的和意义 研究声波场作用和非声波场作用两种条件下煤体中瓦斯的解吸和放散特征， 目的是了解和掌握声波振动是否可以增加煤体的渗透性能，是否可以加速煤体瓦 斯的解吸和放散过程，从而缩短煤体中瓦斯的放散时间，加速煤体瓦斯的抽采速 度，从而缓解煤层开采时矿井瓦斯对大气环境的污染。 在非声场作用研究的基础之上，对声波振动条件下煤体瓦斯的解吸和放散特 征及其机理进行研究，可以增加煤层瓦斯抽采理论的内容，对提高煤层瓦斯抽采 效率，降低煤层开采危险性、节约能源和减少对大气的污染排放，都将产生巨大 的经济效益和社会效益。 1 3 国内外的研究现状 国内外从事煤体瓦斯吸附与解吸特征研究开始于上个世纪6 0 年代，至今已有 3 安徽理：t = 大学博士学位论文 半个多世纪。尽管研究的内容为煤中瓦斯吸附与解吸，但研究的理论基础与技术 方法各不相同，有从煤的物质组成与结构特征方面对瓦斯吸附与解吸的影响进行 研究的；有从煤的吸附解吸外部环境条件方面研究的。前者主要从煤的物质组成、 显微组分构成、变质程度、孔隙和裂隙发育特征等方面来研究煤中瓦斯的吸附、 解吸、扩散和渗透特征及规律；后者主要包括采用某些气态和液态的物质对煤体 进行改性，改变煤层瓦斯的吸附条件进行研究；例如，利用多种成分的气体进行 吸附对比实验研究或改变煤体中水分含量进行研究；或者是改变煤体的其他物理 环境条件，如改变温度场、应力场、电磁场和振动波场等条件来研究煤体瓦斯的 吸附、解吸、扩散和渗流特征。 对煤的孔、裂隙结构以及瓦斯的吸附、解吸、扩散和渗透的研究现状如下： 1 3 1 煤的孔隙和裂隙特征的认识 c l o s ejc ( 1 9 9 3 a ) 提出煤储层是由天然裂隙( 割理) 和煤基质孔隙组成的双重 孔隙结构模型【6 】，g a m s o n ( 1 9 9 8 a ) 提出了在上述二者之间还存在过渡类型的显微孔 隙，即煤储层是由割理、显微裂隙和煤基质孔隙组成的三元结构体系【7 1 。 端割理 面割理 图i 煤的内生裂隙示意图 f i g 1e n d o g e n e t i ec r a c ki nc o a l 基质孔隙可定义为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间。对煤的孔 隙成因、大小、形状和分布特征进行研究的成果如下： 琚宜文( 2 0 0 5 a ) 【8 】按照成因将煤的孔隙分为气孔、残留植物组织孔、溶蚀孔、 晶粒间孔等。 煤的孔隙结构示意图如下： 4 一 1 绪论 图2 煤的孔隙结构示意图【3 8 j f i g 2s k e t c ho fp o r o u ss t r u c t u r eo fc o a l x o z i o t 根据工业吸附剂的研究对煤的孔隙大小进行了详细分类【9 】，吴俊在采 用x o 皿o t 分类方案的基础上，对各类孔隙的特征、与油气运移和储集关系以及 气体扩散特性进行了概括和总结n o l ，见下表： 表1 煤中基质孔隙的类型及特征【1 0 1 t a b l e1s t y l ea n dc h a r a c t e ro fp o r e si nc o a l 根据陈萍等的研究，煤孔隙的形状可划分为3 种类型：i 类孔为两端开口圆 5 安徽理工人学博士学位论文 筒形孔及四边开放的平行板状孔；i i 类孔为一端封闭的圆筒形孔、平行板状孔、 楔形孔和锥形孔；类孔为细颈瓶形孔。孔的形状的判断以压汞实验的退汞蓝线 或液氮吸附回线的形态特征为依据。 _ 、 、 名 u 跖 蛙 2 5 6 1 9 2 1 2 8 甚 蓉0 6 4 0 20 4 o 6o 81 0 相对压力( p p o ) 图3 煤的低温氮等温吸附曲线类型【1 2 】 f i g 3i s o t h e r m a ls o r p t i o nt y p e sb yl o wt e m p e r a t u r en i t r o g e n 图3 表明，a 类为一种特殊形态的孔，即墨水瓶类孔，其特点是在回线上有 一明显的陡降点；b 类为开放性透气性孔，包括两端开放的圆筒形孔和四边开放 的平行板孔，这类开放性孔产生吸附回线；c 类为一端封闭的不透气性孔，这类孔 不能产生吸附回线【1 2 】。 傅雪海( 2 0 0 1 a ) 1 1 3 的研究表明，煤中的孔隙从纳米级到毫米级均有分布，目前 采用的电子显微镜技术、密度法、压汞法和吸附法都不能够定量描述煤孔径的空 间分布特征。傅雪海( 2 0 0 1 玛2 0 0 5 a ) 1 3 , 1 4 1 根据谢和平( 1 9 9 6 a ) 嗍关于岩石孔隙和粒 度的分形理论及m e n g e r ( 1 9 8 7 a ) t 1 6 】的海绵构造思想提出了煤孔隙的分形分类方法。 煤中的裂隙包括内生裂隙、继承性裂隙和外生裂隙。内生裂隙的称谓主要用 于采矿和煤田地质学领域，在煤层气领域又多称之为割理；a m i l l o s o v ( 1 9 6 3 a ) 1 7 】、 l e v i n e ( 1 9 9 6 a ) 【1 引、l a u b a c h ( 1 9 9 8 a ) 1 9 1 、毕建军( 2 0 0 1 a ) 1 2 0 、钟玲文( 2 0 0 4 a ) 【2 1 】的研究表明，煤中割理的形成与存在状态受3 个方面的因素控制：其一是弱氧 化环境中的凝胶化作用形成凝胶体，凝胶体在流体排出后收缩而产生内张力，形 成割理；二受变质作用过程中的流体压力影响：三受地质构造应力作用的影响。 研究表明，割理的密度从褐煤到焦煤是逐渐增加的，到焦煤阶段达到最大值，焦 煤阶段以后具有降低的趋势。继承性裂隙是内生裂隙后期改造后的产物；外生裂 6 1 绪论 隙是构造应力作用的产物。苏现波( 2 0 0 2 a ) 2 2 1 对煤中内生裂隙和外生裂隙特征进 行了区分，如下表： 表2 割理和外生裂隙的区别瞄】 t a b l e 2d i f f e r e n e eb e t w e e nc l e a t sa n de x t e m a lf i s s u r e s 割理外生裂隙 力学性质以张性为主 发育在镜煤和亮煤中，遇暗煤和丝炭终止 垂直或近似垂直于层理面 无擦痕，一般比较平整 充填方解石、褐铁矿及粘土，极少有碎煤粒 张性、剪性、张剪性 发育不受煤体类型限制 可以任何角度与层理面相交 有擦痕、阶步和反阶步 除方解石、褐铁矿及粘土外，还有碎煤粒 1 3 2 煤中瓦斯吸附和解吸的认识 煤吸附气体基本上为物理吸附，且吸附与解吸可逆。煤吸附与解吸瓦斯特征 受4 个因素的影响：吸附气体的特征、煤的特征、温度和气体压力。 物理吸附力主要为v a nd e rw a a l s 力，是吸附剂、吸附质分子间的作用力，不 产生电子的转移【2 3 2 7 1 ；通常情况下v a nd e rw a a l s 力是指l o n d o n 力( 色散力) ，在 原子尺度上，当两分子靠近到一定距离r r o 后，电子云产生远程吸引力；当吸附质和吸附剂 原子间距离为r o 时，吸附质和吸附剂分子的总势能降到最低；根据能量守衡原理， 当吸附质和吸附剂分子间距离从h 移动到f r o 时，吸附放出的热量被称为吸附 热( 或吸附能) 。根据量子力学推导出的两原子间的总势能表达式为 s ( ，) = 一c r 。6 + b r 一1 2 ( 1 ) 式中： ( r ) 是两原子的总势能；b 、c 是常数；r 是原子间距离。用图表示如下： 安徽理工大学博士学位论文 e r e p 、 r 0 r 、 一过一 图4e r 与r 的关系示意图【2 s 】 f i g 4s k e t c ho f e ra n d rr e l a t i o n s h i p 量子化学计算得出，甲烷分子直径在0 4 1 n m 左右，当甲烷分子距离煤基质分 子表面0 5 n m 时，吸附势能已接近为零 2 9 1 ，说明煤基质孔隙表面对甲烷的吸附以 单分子层吸附为主【3 0 】，符合朗格缪尔单分子层吸附理论【3 1 1 ，降文萍( 2 0 0 8 a ) 3 2 , 3 3 1 对甲烷分子间的结合力的研究表明，甲烷分子间的最大结合能( 或离解能) 为 i 8 1 k j m o l ，煤基质表面和甲烷分子吸附势限大小为k j m o l ，因为甲烷液化的 临界温度为1 9 5 ，因此煤层甲烷的吸附作用以煤孔隙表面吸附为主，气体分子间 吸附可忽略不计。 艾鲁尼( 1 9 9 2 a ) 3 4 l 、俞启香( 1 9 9 2 a ) 3 5 】、唐修义( 1 9 9 6 a ) 3 6 】、赵志根( 2 0 0 1 a ) 【3 7 1 认为，甲烷赋存在煤的四种部位里：第一种部位是大孔、裂隙和块体空间内， 其中甲烷以游离和吸着( a d s o r p t i o n ) 状态赋存，在总甲烷含量中前者只占5 1 2 ， 后者占8 1 2 ；第二种部位是分子之间的空间内，甲烷以吸收( a b s o r p t i o n ) 方式 充满空间，也可以称为“固溶”方式，这样的甲烷量最多，占总量的7 5 8 0 ；第 三种部位是晶体的芳香层缺陷内，甲烷以置换方式固溶体存在，占总量的1 5 ； 第四种部位是芳香碳晶体内，甲烷以渗入固溶体形式存在，占总量的5 1 2 。 煤对气体的吸附与气体性质相关。聂百胜( 1 9 9 8 a ) 研究表明，煤对不同的气 体具有不同的吸附热，煤对气态水的吸附热最大，其次是c 0 2 ，再次是c h 4 ，煤 对n 2 的吸附热最小【3 8 】；煤对不同气体吸附热不同，反映出煤对不同气体的吸附能 力不同，吸附热越大，吸附能力越强；因此，煤对水的吸附能力最强，其次是c 0 2 ， 再次是c n 4 1 3 9 1 ，煤对n 2 的吸附能力最小。崔永君( 2 0 0 5 a ) 实验进一步表明，对 于气煤而言，c 0 2 与c h 4 吸附量比值介于2 和4 之间，c h 4 与n 2 吸附量比值介于 2 和3 之间，且比值随平衡气体压力的增加而降低【柏】。根据p o l a n y i 吸附势理论， l m o l 的游离态气体被吸附到固体表面所做的功称为吸附势，吸附势与伦敦色散力 8 1 绪论 相关，与温度无关1 4 1 4 5 】；但是应该强调的是，根据何学秋( 2 0 0 0 a ) 的研究，虽然 吸附势与温度无关，但是煤与瓦斯体系的温度是影响瓦斯气体吸附的一个重要因 素州。 煤对气体的吸附能力与煤的变质程度相关。研究表明，从长焰煤到无烟煤， 随变质程度的增高，吸附能力增强。钟玲文( 1 9 9 0 a ) 4 7 1 、瓦斯地质概论( 1 9 9 1 a ) 【4 8 1 、瓦斯地质( 1 9 9 2 a ) 4 9 1 及崔永君( 2 0 0 3 a ) 1 5 0 1 、张庆玲( 2 0 0 4 a ) 5 1 1 对于瓦斯 吸附量与煤变质程度关系的描述是一致的，见图5 和图6 ： 挥发分( 约 图5 不同煤级对瓦斯的吸附能力示意图【4 8 j f i g 5s e h e t c ho f s o r p t i o nc a p a b i l i t yo f d i f f e r e n tc o a lr a n k 9 安徽理工大学博十学位论文 图6 各煤种甲烷吸附容量变化示意图嗍 f i g 6s c h e t c ho fs o r p t i o nv o l u m eo fd i f f e r e n tc o a lr a n k 降文萍( 2 0 0 7 a ) 根据吸附势理论解释了吸附量与煤级变化的正相关性【5 2 1 。傅 雪海( 2 0 0 5 a ) 的实验表明，由于惰质组比镜质组的吸附能力强1 5 3 j ，朗缪尔体积随 镜质组含量的增加呈现出减小的趋势，随惰质组含量的增加呈现增加的趋势。 煤对气体的吸附与煤的含水量相关。煤储层中含有两种类型的水，即煤基质 中的束缚水和裂隙系统中的游离水。苏现波( 2 0 0 5 a ) 5 4 1 、张丽萍( 2 0 0 6 a ) 5 5 j 对 含水煤样吸附能力的研究表明，从褐煤到长焰煤的煤储层吸附能力也是增加的， 并强调了前人得出“从褐煤到长焰煤吸附能力降低”的前提是干燥煤样。j o u b e r t ( 1 9 7 3 a ) 1 5 6 1 、崔永君( 2 0 0 3 a ) 5 7 1 、郭淑敏( 2 0 0 4 a ) l s s 】、降文萍( 2 0 0 7 a ) 5 9 1 研 究表明，含水煤样比干燥煤样的吸附能力低；傅雪海( 2 0 0 5 a ) 对低阶煤在平衡水 条件下的吸附研究表明，由于低阶煤分子排列不规则，结构疏松，单位内表面的 碳原子密度小，且含氧官能团多，吸附的水分多，一方面减少了煤吸附甲烷的有 效面积，另一方面阻塞了甲烷分子进入微孔隙的通道；并且由于水分子与煤表面 分子之问的作用力比较强【删，因此煤中水分的存在导致煤对气体的吸附能力降低。 聂百胜( 2 0 0 4 a ) 的研究也表明，煤吸附水的微观机理1 6 l j 与煤吸附其它气体的作用 机理接近。根据桑树勋( 2 0 0 5 a ) 等的研究，向煤中注入高压水浸润煤基质会增加 煤对气体的吸附能力，甚至会高于干燥煤样 6 2 1 。 煤对气体的吸附与温度和压力相关。赵志根( 2 0 0 1 a ) 1 6 引、钟玲文( 2 0 0 2 如2 0 0 4 a ) 6 4 , 6 5 】、张庆玲( 2 0 0 4 a ) 脚】对平衡水煤样吸附气体的实验表明，煤对甲烷的吸附量 1 0 暑【占喇肆嫠昏鳝旺 1 绪论 与温度负相关，与气体压力正相关。 煤对气体的吸附与煤孔隙结构相关。钟玲文( 2 0 0 2 a ) 对干燥抽真空后的低温 氮吸附实验表明，煤对甲烷的吸附能力与总孔容、总比表面积和微孔比表面积正 相关【6 7 1 。 赵志根( 2 0 0 2 a ) 【6 8 】针对l a n g m u i r 方程进行了理论推导，结果表明，虽然该 方程理论前提为单分子层吸附，不符合煤吸附甲烷的充填理论，但该方程物理意 义明确，因而该方程是可行的。张庆玲( 2 0 0 3 a ) 6 9 1 通过大量等温吸附实验数据和 煤层实测含气量分析比较后认为，l a n g m u i r 方程描述煤的等温吸附过程是比较准 确的、符合实际的，没有必要进行吸附量校正，有些校正后的公式更偏离实际。 张遂安( 2 0 0 4 a ) 研究了煤中瓦斯的解吸作用类型，并划分为降压解吸、升温 解吸、置换解吸和扩散解吸四种类型【7 0 1 。张遂安( 2 0 0 5 a ) 对c i - 1 4 、c 0 2 、n 2 的吸 附解吸实验表明，煤对气体的吸附过程和解吸过程是可逆的【7 l 】，李育辉( 2 0 0 5 a ) 【1 7 2 】对平衡水条件下无烟煤的吸附解吸实验得到了同样的结论。 综上所述，煤对瓦斯的吸附解吸特征受煤本身的变质程度、孔隙特征( 大小、 形状、分布特征) 、含水性、气体性质以及外部条件( 如温度、压力) 的影响。 1 3 3 煤体中瓦斯的运移特征 1 ) 扩散煤吸附解吸瓦斯动力学过程包括渗流、表面扩散、体扩散、吸附和 解吸，其中扩散对煤吸附气体动力学过程起着重要控制作用【| 7 3 】。何学秋( 1 9 9 5 a ) 研究表明，当孔隙直径大于甲烷分子的平均自由程时，煤层甲烷在煤孔隙中的运 动形式是渗流，随着孔道直径的增加可出现稳定层流、剧烈层流和紊流；当孔道 直径小于甲烷分子的平均自由程时，甲烷分子在煤孔隙中的运动方式为扩散，随 着孔径的减小，可出现克努森型扩散、表面扩散和晶体扩散【j 7 4 】，聂百胜、何学秋 ( 2 0 0 0 a ，2 0 0 1 a ) 根据努森数( 孔隙直径与气体分子的平均自由程的比值，即 七。= d r ) 的大小对煤中瓦斯的扩散规律进行了研究后进一步提出，瓦斯在煤体 中的扩散有以下几种模式：菲克扩散、努森扩散、过渡扩散、表面扩散和晶体扩 散；当努森数七。1 0 时，孔隙直径远大于气体分子的平均自由程，气体分子的碰 撞主要发生在气体分子之间，气体分子与孔道壁之间作用较小，符合菲克扩散定 律，为菲克扩散；当后。0 1 时，分子的平均自由程大于孔隙直径，气体分子与孔 道壁之间作用增强，而气体分子间作用居于次要地位，为努森扩散；当0 1 七。1 0 时，两种作用同样重要，为介于菲克扩散和努森扩散之间的过渡型扩散；煤是良 好的吸附剂，当气体分子被强烈吸附于固体表面时，就产生表面扩散；当孔隙直 安徽理工大学博士学位论文 径和瓦斯气体分子直径相差不大，在压力足够大的情况下，瓦斯气体分子可以进 入微孔中以固溶体存在，发生晶体扩散，晶体扩散在所有扩散中所占的比重很小 7 5 , 7 6 1 。聂百胜( 2 0 0 1 a ) x r 煤粒( 平均粒径为0 4 7 3 m m ) 的扩散实验【7 7 1 表明，煤粒瓦 斯的扩散量随时间变化呈现负指数规律，即 1 一q f q = 1 = a e 砌 ( 2 ) 式中： q f 扩散量； 姨最大扩散量： a 、卜常数； 卜_ 扩散时间。 曹成润( 2 0 0 4 a ) 的研究表明，煤层气开发过程中压力平衡状态的改变产生煤 基质孔隙内外浓度差，为扩散提供了前提条件；扩散的速度或能力用扩散系数表 征，扩散系数与气体性质、煤基质性质、孔隙结构、温度和压力相关；浓度梯度 与解吸速度、解吸量、含气量及裂隙压力降有关7 羽。 2 ) 渗流邓英尔( 2 0 0 5 a ) 7 9 , 8 0 1 对多孔隙介质的渗流特征研究表明，渗流流量与 流体压力平方差梯度相关曲线为凸形正相关曲线，渗流速度与流体压力梯度相关 曲线为凹形正相关曲线，反映了典型的多孔介质渗流的共性，两曲线特征也反映 了流体压力对孔裂隙介质渗流的影响和作用机理：根据渗透率公式 七：2 p o f q v o p 下l ，前者曲线说明渗透率随测试流体压力的增加而降低，这实际上就 么( p i p ；) 是著名的i n k e n b e 玛眦根据渗透率公式变形后为盟a2 尼等半， 后者曲线说明渗流速度随流体压力差的增加而迅速增加。 张力( 2 0 0 1 a ) 对粒煤与块煤的吸附解吸实验表明，在同等实验温度和压力下， 粒煤堆积体的吸附和放散时间比块煤大大缩短，根本原因是瓦斯运移通道不同。 煤粒的瓦斯吸附与放散速度取决于扩散速度，对于同样的煤，扩散速度的差别取 决于浓度梯度，由于粒煤在吸附与解吸过程中孔隙内外浓度梯度变化大，扩散速 度就快，吸附解吸时间就短；块煤由孔隙和裂隙系统组成，块煤中瓦斯的运移受 控于裂隙发育程度和扩散通道中的浓度梯度，其渗流能力的强弱对扩散的浓度梯 度有着直接的控制作用 8 1 , 8 2 , 8 3 l ，因此块煤中瓦斯的运移速度远小于粒煤。 1 2 1 绪论 1 3 4 煤体渗透性能的影响因素 煤层的渗透性是指在一定的压力差条件下，允许流体通过其连通孔隙的性质， 用渗透率表示。 实验表明，单相流通过介质，沿孔隙通道呈层流时，符合达西线性渗流定律 七：盟丝( 3 ) 彳卸 式中： g 任一流体通过多孔介质时的体积流量，c m 3 s ； 卸样品两端压力差，m p a ； 彳样品横断面积，c i n 2 ； 三样品长度，c m ； 流体粘度，c p ( p a s ) ； 后渗透率，d ，d = a n 2 。 对气体而言，在利用达西公式计算渗透率时，必须引入平均体积流9 。 按气体状态方程： p o q v o = p l q v i = p 2 q v 2 = r ( 4 ) 式中：p 。、p ：样品前后两端的气体压力；q v 。、绋：在p 。、p ：压力 下气体体积流量；风1 0 1 x 1 0 5 p a ；绋。在p o 下气体体积流量 令万= 生墨 ( 5 ) 又g ：_ p o q v o ( 6 ) p 代入公式( 3 ) ，则七2 j 2 p i o 两q v o a , ( 7 ) 煤体中瓦斯的渗透能力影响因素如下： 1 ) 煤基质解吸收缩对渗透能力的影响 根据傅雪海踟的研究，在煤层气开发过程中，随着煤储层压力的降低，煤层 气发生解吸，煤基质出现收缩，且随着煤级的增加，煤基质收缩系数减小。理论 和实践证明，煤储层在排水降压过程中，随着甲烷的解吸、扩散和排出，煤基质 收缩，煤储层渗透率得到改掣8 5 ，8 6 ，8 7 1 ，煤储层的绝对渗透率越大，煤基质收缩效应 越明显，且收缩效应引起的渗透率增量与流体压力呈现对数关系【8 8 】。 1 3 安徽理工大学博士学位论文 2 ) 有效应力对渗透能力的影响 有效应力等于作用于煤储层的地应力与其孔隙和裂隙内的流体压力之差。煤 储层流体压力降低后，在围压不变的情况下，有效应力必然增加。有： 吒= p f p j ( 8 ) 式中：a o 。为有效应力增量，p ，和p j 分别是前一状态和后一状态的流体压力。 由此，单位体积煤体的孔隙、裂隙的压缩量为： 丸= q ( p ；一p ，) ( 9 ) 式中：e 为体积压缩系数。 因此，在只考虑储层压力降低的情况下，随着有效应力的增加，煤体被压缩， 孔隙率降低，导致煤体渗透性降低【8 9 1 。冯增朝( 2 0 0 3 a ，2 0 0 5 a ) 的研究进一步表 明，有效应力对裂隙的变形影响比孔隙的影响要灵敏的多 9 0 l ，在煤体的孔隙裂隙 双重孔隙系统中，裂隙是决定煤体渗透性强弱的主导因素【9 l j 。 m c k e ecr ( 1 9 8 8 a ) 睇】、张新民( 2 0 0 2 a ) 9 3 1 、董敏涛( 2 0 0 5 a ) 9 4 1 的研究表 明，煤层的渗透率与有效应力呈幂指数的负相关关系，而s o m e r t o n ( 1 9 7 4 a ) 一引、 谭学术( 1 9 9 4 a ) 9 6 1 、王宏图( 1 9 9 9 a ) 阳、孙培德( 2 0 0 0 a 、2 0 0 1 a ) 9 8 , 9 9 、鲜学 福( 2 0 0 7 a ) 1 0 0 l 的研究表明，煤层的渗透率与有效应力呈负指数关系。 3 ) 孔隙瓦斯压力对煤体渗透率测试的影响 傅雪海( 2 0 0 2 a ) 1 0 l 】的研究表明，在有效应力不变的情况下，测试采用的流 体压力越小，滑脱效应( 或克林伯格效应) 越明显，引起的渗透率增量越大。 4 ) 煤体力学性质( 如强度、弹性模量等) 对渗透能力的影响 陈金刚( 2 0 0 4 a ) 的研究表明，煤基质收缩能力与其力学参数具有良好的负指 数关系，并进一步提出煤基质收缩的根本控制因素是煤本身固有的力学参数，强 度大的煤体在开发煤层气过程中的基质收缩变形量较小，煤储层渗透性能改善较 弱【1 0 2 1 。 5 ) 煤体结构破坏类型对煤层渗透能力的影响 钟玲文( 2 0 0 4 a ) t 0 3 1 的研究表明，煤体结构破坏类型对煤层渗透性的影响大于 裂隙发育程度的影响，碎裂煤的渗透性最好，其次是原生结构煤，碎粒煤的渗透 性差，糜棱煤渗透性最差。对于原生结构煤，煤体结构几乎没有受到构造破坏， 煤层的原始结构、构造保存完整，以割理为主，这类煤的渗透能力较好，特别是 割理最为发育的中变质阶段煤；碎裂煤中割理依然存在，外生裂隙和继承性裂隙 增多，构造应力改造后的裂隙系统可能使渗透率提高，也可能降低，与裂隙发育 的方向和充填程度有关；碎粒煤以外生裂隙多组、多方向发育为特征，渗透能力 1 4 1 绪论 较差，其渗透率一般在1 1 0 。a n 2 以下；糜棱煤由发育劈理的鳞片状煤和无任何裂 隙的土状煤组成，渗透性极差，渗透率在0 1 1 0 - 3 z m 2 以下。 1 3 5 构造煤应力应变、孔隙结构和吸附解吸的特征 构造煤在地质学领域称为“构造变形煤 ，在采矿领域称为“软煤 ，是指原 始沉积的煤层在构造应力作用下遭到破坏后形成的煤。 煤田地质方面的专家学者在构造煤的物性特征方面开展了大量的研究【1 0 4 】。 张红日( 1 9 9 5 a ) 1 0 5 1 研究了构造煤的孔隙形状和吸附特征，其结果表明，构造 煤孔隙多为封闭型孔和墨水瓶状孔，且吸附量远大于非构造煤。重庆煤研所等【1 0 6 研究了构造煤的吸附特性，研究结果表明，构造煤平均极限吸附量a 值比原生结 构煤大。郭德勇等( 1 9 9 8 a ) f l o t 研究了构造煤的透气性，结果表明，总体上随着破 坏程度增加，透气性降低。吕绍林( 1 9 9 9 a ) 1 0 8 1 的研究表明，构造煤的抗压强度、 抗拉强度远远小于原生结构煤，单轴抗压