【正文】 rld and developments國家煤層氣資源（萬億方）煤炭資源量（萬億噸）煤層氣開發(fā)情況（億方/2014年）俄羅斯17113\加拿大676140中國118\23美國550澳大利亞81460合計(jì)98270\\我國雖然富含煤層氣資源，但是，抽采煤層氣是一項(xiàng)重大的技術(shù)難題，要求掌握復(fù)雜煤體結(jié)構(gòu)中瓦斯運(yùn)移的基本規(guī)律。當(dāng)煤體吸附氣體時(shí)，煤基質(zhì)產(chǎn)生膨脹變形；當(dāng)煤體解吸氣體時(shí)，煤基質(zhì)產(chǎn)生收縮變形?？梢哉J(rèn)為，煤體的吸附、解吸特性和煤體其它物性是一個(gè)動(dòng)態(tài)聯(lián)系過程，即相互耦合過程。綜合前人的研究成果，開展煤的吸附特性研究具有以下幾方面的意義。只有深刻認(rèn)識(shí)煤與瓦斯的相互作用規(guī)律，才能從根本上解決煤礦瓦斯災(zāi)害。長期以來，瓦斯被當(dāng)作“有害”氣體，然而從能源角度出發(fā)，瓦斯又是一種潔凈、方便、高效的新型能源,能夠解決我國能源短缺的問題，改善長期燃煤帶來的環(huán)境污染問題。最后，有利保護(hù)環(huán)境。研究煤的吸附特性有利于發(fā)展CO2在煤中的封存技術(shù)和CO2驅(qū)替CH4的全新抽采技術(shù)。 研究現(xiàn)狀 煤的吸附膨脹特性研究現(xiàn)狀（1）煤的吸附特性 煤層是由多孔固體介質(zhì)和瓦斯流體組成的平衡系統(tǒng)，相互之間發(fā)生作用，引起各種物理力學(xué)現(xiàn)象。由于吸附態(tài)瓦斯的存在，煤體與瓦斯相互作用使煤體的物理力學(xué)性質(zhì)變得非常復(fù)雜，不僅使含瓦斯煤體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，還將導(dǎo)致煤層中地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)發(fā)生變化。1)單組分氣體吸附模型 最著名的是法國化學(xué)家Langmuir在基于吸附劑表面是均勻的，吸附分子間無相互作用；吸附式單分子層的定位吸附的假設(shè)上，推導(dǎo)得出的固體表面單分子吸附狀態(tài)方程。Rubinin和Radushkevich[9]提出的吸附勢(shì)理論模型在煤儲(chǔ)層吸附研究中也有一定的作用，進(jìn)一步細(xì)化了瓦斯吸附理論。[11]等曾用四種不同吸附模型描述煤吸附甲烷過程。（2）煤的吸附膨脹機(jī)理周世寧、林柏泉等[4]提出煤體發(fā)生膨脹變形主要是瓦斯壓力驅(qū)使瓦斯分子進(jìn)入了煤中裂隙或孔隙空間乃至煤體膠粒內(nèi)部，使更多的吸著層楔開了與瓦斯分子直徑大小相近的微孔隙或微裂隙，以及吸附瓦斯表面張力共同作用的結(jié)果。蘇現(xiàn)波等[13]將吸附勢(shì)理論應(yīng)用于煤層瓦斯的吸附解吸過程，解釋了吸附解吸變形的現(xiàn)象。Karacan[16，17]的研究結(jié)果表明，含瓦斯煤體由于瓦斯的存在產(chǎn)生了一定的自由體積，從而使煤宏觀自由分子結(jié)構(gòu)可以在實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)發(fā)生馳豫或膨脹。 吸附膨脹實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀（1）吸附膨脹變形試驗(yàn)周世寧、林柏泉等[4，19]的試驗(yàn)研究表明，煤樣吸附氣體會(huì)發(fā)生膨脹變形，這種膨脹變形服從 Langmuir 方程。方志明、李小春等[20]提出了能同時(shí)測(cè)量吸附量、變形和滲透系數(shù)的試驗(yàn)裝置，并取得良好的效果。張遂安、葉建平等[22]從物理化學(xué)和界面化學(xué)以及現(xiàn)代煤層氣吸附理論的角度提出煤對(duì)氣體分子的物理吸附特性決定了吸附與解吸的可逆性，同時(shí)，解吸過程又會(huì)不同程度低滯后于吸附。吳世躍、趙文[24]進(jìn)行了含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力分析，分析表明裂隙中自由氣體的壓力對(duì)煤層中的狀態(tài)影響很小，在煤層內(nèi)部吸附膨脹應(yīng)力和吸附膨脹變形規(guī)律服從虎克定律。張小東等[25]對(duì)煤體破壞嚴(yán)重的糜棱煤和原生結(jié)構(gòu)煤的巖石學(xué)組成、吸附性和孔隙行測(cè)試表明，煤體破壞后，吸附、解吸能力增大。3)含水率桑樹勛等[27]研究了液態(tài)水對(duì)煤吸附甲烷的影響。潘一山等[28]利用核磁共振成像技術(shù)進(jìn)行了煤層中氣水兩相運(yùn)移的試驗(yàn)研究。周軍平、鮮學(xué)福等[30]基于吸附過程的熱動(dòng)力學(xué)和能量守恒原理，建立了計(jì)算煤巖吸附氣體引起的吸附膨脹應(yīng)變的理論模型。此外，還有不少學(xué)者從煤層氣開發(fā)的角度，研究了多組分氣體的吸附變形特征，如潘哲軍等[32]分析煤的膨脹和收縮在二氧化碳增產(chǎn)煤層甲烷過程中的影響；Goodman 等[32]研究了CO2吸附和擴(kuò)散機(jī)制引起的煤結(jié)構(gòu)變化；Majewska 和Zietek[33]利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè) CO2和CH4混合氣體與煤基質(zhì)間的相互作用效應(yīng)，研究指出在進(jìn)行煤層氣預(yù)測(cè)和CO2儲(chǔ)存時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮煤體膨脹效應(yīng)。孫培德[35]通過變化圍壓與孔隙壓力的作用，進(jìn)行含瓦斯煤體的三軸壓縮試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了含瓦斯煤體在變形過程中滲透率的變化規(guī)律。尹光志[38,39]研究了瓦斯壓力及型煤應(yīng)變對(duì)含瓦斯煤中瓦斯?jié)B流影響。彭永偉[41]研究表明，煤樣滲透率對(duì)圍壓敏感性存在著尺度效應(yīng)，即小尺度煤樣在圍壓加卸載條件下的滲透率變化比大尺度煤樣更為敏感。孫維吉[22]研究煤對(duì)瓦斯的吸附作用表明，不同加載方向和長時(shí)間加載作用對(duì)滲透率影響明顯，均不利于改善煤的滲透性能。李祥春等[45]在考慮煤骨架吸附變形特性的情況下研究了煤吸附膨脹變形與孔隙率、滲透率關(guān)系。周軍平[47]進(jìn)行了恒定有效應(yīng)力、不同氣體壓力條件下，煤巖吸附純COCHN2以及不同配比的CO2/N2混合氣體對(duì)滲透特性影響的試驗(yàn)研究。（2）研究煤體吸附瓦斯變形實(shí)驗(yàn)方法。（4）型煤吸附瓦斯變形規(guī)律研究。對(duì)比原煤和型煤在吸附瓦斯過程中煤體變形規(guī)律的區(qū)別與聯(lián)系。 本論文的技術(shù)路線本文通過查閱資料、試驗(yàn)室試驗(yàn)以及理論分析的研究方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理、繪圖和分析，分別得到原煤和型煤吸附瓦斯的橫向、縱向變形量與瓦斯氣體壓力，試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)溫度等條件的關(guān)系，進(jìn)而探究原煤和型煤在吸附瓦斯變形時(shí)的區(qū)別與聯(lián)系。 2 煤吸附理論固體物質(zhì)都具有或大或小的把周圍介質(zhì)中的分子、原子或離子吸附到自己表面的能力, 。內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)同周圍各個(gè)方面的相鄰的質(zhì)點(diǎn)都有聯(lián)系，因而它們之間的一切作用力都互相平衡，而表面上的質(zhì)點(diǎn)，表面以上的作用力沒有達(dá)到平衡而保留有自由的力場(chǎng)，借這種力場(chǎng)，物質(zhì)的表面層就能夠把同它接觸的液體或氣體的質(zhì)點(diǎn)吸住，它是固體表面最重要的性質(zhì)之一。但是在煤層氣領(lǐng)域，煤吸附氣體研究仍處于初級(jí)階段。由于吸附態(tài)瓦斯的存在，煤體與瓦斯相互作用使煤體的物理力學(xué)性質(zhì)變得非常復(fù)雜，不僅使含瓦斯煤體本身力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，還將導(dǎo)致煤層中地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)發(fā)生變化。如果界面兩側(cè)分別為氣體和固體，我們稱其為氣體—固體吸附。瓦斯在煤體中的儲(chǔ)存方式主要分為游離、吸附、吸收三種狀態(tài)。研究表明煤對(duì)瓦斯的吸附作用, 在一定瓦斯壓力下乃是物理吸附。然而煤表面的原子它們至少有一側(cè)是空的，也就是說它們的價(jià)力尚未達(dá)到完全飽和程度，因而煤具有了表面自由能并出現(xiàn)受力不平衡的情況，那么在其表面就會(huì)產(chǎn)生一種力場(chǎng)。瓦斯的凝結(jié)能力決定著它的被吸附能力, 煤分子對(duì)瓦斯氣體分子的吸引力越大, 煤對(duì)瓦斯氣體的吸附量越大。當(dāng)瓦斯壓力增大時(shí), 瓦斯氣體分子撞擊煤體孔隙表面的機(jī)率增加, 吸附速度加快, 瓦斯氣體分子在煤孔隙表面上排列的稠密度增加。 煤吸附瓦斯影響因素煤對(duì)于 CH4的吸附性是由于分子間存在的范德華力在煤內(nèi)部和表面分布不均勻所造成的，煤的吸附性主要與煤吸附氣體時(shí)所處的環(huán)境、煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被吸附氣體的種類等因素有關(guān)。另外隨著時(shí)間的推移，以及煤內(nèi)部自身結(jié)構(gòu)的不同，也影響著煤體吸附瓦斯量、及煤體變形大小的不同。溫度升高時(shí), 瓦斯氣體分子能量升高，熱運(yùn)動(dòng)速率加劇，因而其擴(kuò)散能力增加，瓦斯氣體分子在煤孔隙表面停留時(shí)間縮短，因而吸附能力下降。大量吸附試驗(yàn)表明，溫度對(duì)于氣體吸附量的規(guī)律為：吸附過程是放熱過程，溫度越高，壓力常數(shù)b越小，氣體的吸附量越小，因此可以看出溫度升高對(duì)于吸附的氣體具有脫附作用，溫度升高，氣體分子獲得較多的動(dòng)能，氣體分子變的更加活躍，氣體由吸附態(tài)分子轉(zhuǎn)化為游離態(tài)分子，吸附氣減少而游離氣增加（如圖21所示）。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度每升高1℃時(shí)，煤吸附CH4的能力約降低8%，原因是溫度的升高使吸附的CH4分子獲得更多動(dòng)能，變得更加活躍，更易于從煤體表面脫附出來，由吸附態(tài)分子變?yōu)橛坞x態(tài)分子，而原本游離的CH4動(dòng)能增加，活性增大，更加不易于被煤體表面吸附?？v向的變形大于橫向的變形量。圖22 等梯度加壓吸附膨脹變形曲線 Inflation deformation curves of increasing pressure adsorption圖23為不同壓強(qiáng)下縱向、橫向煤體吸附變形量與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。吸附膨脹變形過程基本分為3個(gè)階段：快速增長階段、緩慢增長階段和平衡階段。由大量實(shí)驗(yàn)得知：不同煤樣在4組壓力下的瓦斯平衡吸附量與壓力的關(guān)系曲線，如圖24。因此，初始瓦斯壓力越大，極限吸附量就越大。 時(shí)間對(duì)煤吸附瓦斯的影響如圖25是由大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同煤樣在4組壓力下吸附速率隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)曲線圖。由圖瓦斯吸附的壓力越大時(shí)，單位體積內(nèi)瓦斯分子數(shù)越多，相應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)撞擊在煤體表面的瓦斯分子數(shù)也就越多，那么單位時(shí)間內(nèi)被煤體吸附的瓦斯分子數(shù)也就越多；吸附壓力越大時(shí)，瓦斯?jié)B流或擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力越大，同樣可以使瓦斯分子更快的進(jìn)入煤體。 抽真空對(duì)煤吸附瓦斯的影響抽真空的目的是為了使煤試樣中的空氣和水分等排盡，盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，原煤和型煤在抽真空過程中都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形量。（a）原煤（b）型煤圖26 抽真空段煤試樣應(yīng)變對(duì)比圖 Vacuum stage coal sample strain parison chart如圖26，表示煤體縱向應(yīng)變，表示煤體橫向應(yīng)變。這是由于原煤煤體內(nèi)雖然富含大量空隙、裂隙，但是煤體內(nèi)部致密，煤塊內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，而且煤體內(nèi)部并沒有能夠連通整個(gè)煤體的空隙，空氣和水分主要存在于大孔隙、裂隙中。因此型煤內(nèi)能夠發(fā)生氣體滲透的通道多于原煤，型煤煤體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低于原煤。 二維吸附膜模型 此類模型是從吸附引起固氣界面能的降低出發(fā)，考查單位表面上的吸附量與平衡壓力的關(guān)系。表21 不同膜狀態(tài)方程和 Gibbs 吸附公式導(dǎo)出的吸附等溫式 Tab. 21 Different membrane equations of state and absorption isotherm by Gibbs absorption equation 定律名稱狀態(tài)方程吸附等溫式條件Henry定律低壓Volmer方程高壓表中：—表面壓或二維壓力；—表面積；—吸附質(zhì)面積；—?dú)怏w摩爾常數(shù)；—溫度；—吸附量；—平衡壓力；,—常數(shù)。該理論認(rèn)為氣體在固體表面的吸附作用可看作是氣相中的分子連續(xù)與表面碰撞，碰撞于裸露的空白表面上被短時(shí)間滯留，碰撞到滯留于表面上的氣體分子則為彈性碰撞，又還回相。顯然，氣體分子在表面停留的分子數(shù)取決于分子吸附停留時(shí)間和碰撞到表面上的分子數(shù)。其中吸附停留時(shí)間與吸附熱和溫度有關(guān)： （）式中，為吸附態(tài)分子的振動(dòng)時(shí)間，它與吸附劑的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。即為吸附量為時(shí)的表面覆蓋度。因此，發(fā)展了另一吸附等溫式Freundlich吸附等溫式。 BET多分子層吸附模型 BET多分子層吸附模型實(shí)質(zhì)上是對(duì)Langmuir單分子層吸附模型的擴(kuò)充。BET模型略加擴(kuò)充，認(rèn)為從每一連續(xù)層上的蒸發(fā)速率等于在前一層上的凝聚速率。BET公式為： （）式中，—吸附平衡壓力，MPa；—吸附溫度時(shí)的飽和蒸汽壓，MPa；—吸附平衡時(shí)吸附量，m3/t；—單分子飽和吸附量，m3/t；—吸附常數(shù)。另外總結(jié)了煤體吸附理論模型，如煤的二維吸附膜模型、Langmuir單分子層吸附模型、Freundlich吸附模型、BET多分子層吸附模型、DR吸附模型等物理吸附理論模型等，并結(jié)合煤層氣高壓吸附解吸裝置試驗(yàn)分析了各吸附模型。例如,煤結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、容重、孔隙度及含水率、風(fēng)化程度等。除此之外煤承載的氣體壓力、加載速率和流體性質(zhì)也是影響煤變形的重要因素。待解吸平衡后，調(diào)節(jié)吸附解吸室內(nèi)氣體壓力，使氣體壓力比上一組增加P2，繼續(xù)吸附試驗(yàn)。其中每次吸附后的解吸為恒定荷載解吸。該試驗(yàn)裝置包括高壓供氣子系統(tǒng)、高壓吸附/解吸子系統(tǒng)(高壓吸附/解吸室)、壓力調(diào)節(jié)與控制子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)釆集與記錄子系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖31。圖31 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig. 31 Schematic experimental setup圖32 試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig. 32 Experimental site（1）高壓供氣子系統(tǒng)高壓供氣子系統(tǒng)是由高壓氣瓶、壓力控制閥、高壓管線和高精度壓力表組成。壓力控制閥用于顯示和控制進(jìn)氣端與出氣端壓強(qiáng)以保證高壓吸附/解析裝置內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到試驗(yàn)要求。（2）高壓吸附/解吸子系統(tǒng)(高壓吸附/解吸室)高壓吸附/解吸子系統(tǒng)（如圖33）由高壓吸附/解吸室和吸附解/吸變形信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)組成。1—密封室,2—應(yīng)變片,3—導(dǎo)線,4—接線柱,5—管線接口,6—閥門,7—真空泵接口,8—“0”型圈圖33 吸附解吸室裝置Fig. 33 Device sketch of adsorption and desorption chamber(3)壓力調(diào)節(jié)與控制子系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)與控制子系統(tǒng)由減壓調(diào)壓閥(如圖34)、高精度電子壓力表、六通閥和高壓管線組成。試驗(yàn)使用的真空泵為2XZ4旋葉真空泵，可以使高壓吸附/解吸室中壓強(qiáng)達(dá)到近真空狀態(tài)。通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀將煤樣吸附/解吸過程中的煤體的應(yīng)變實(shí)時(shí)采集并傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。其中系統(tǒng)的氣密性、吸附/解吸室中氣體壓力的穩(wěn)定性對(duì)試驗(yàn)至關(guān)重要。圖35 真空泵Fig. 35 Vacuum pump圖36 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀Fig36 Dynamic data logger 試樣制作和實(shí)驗(yàn)裝置本試驗(yàn)采用的煤樣由沙曲礦中開采，試驗(yàn)樣品分為原煤和型煤兩種煤樣。再使用巖石取芯機(jī)（如圖3