含瓦斯煤非线性渗流参数的测试方法研究

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2017年4月

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矿业安全与环保

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Vol郾44No郾2Apr郾2017

程波,高月.含瓦斯煤非线性渗流参数的测试方法研究[J].矿业安全与环保,2017,44(2):1-6.文章编号:1008-4495(2017)02-0001-06

试验研究

含瓦斯煤非线性渗流参数的测试方法研究

程摇波1,2,高摇月2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037)

摘要:针对约束环形应变条件下煤样吸附气量—非线性渗流参数同步测量的问题,采用圆柱形煤样作为试件,利用进气与出气端设置的质量流量计测定试件气体含量,通过计算获取吸附气量;结合氦气与瓦斯气体的渗透测试结果,获取含瓦斯煤非线性渗流参数。重点介绍了该测试方法的原理、实验装置及实验步骤,并利用该方法和装置进行了相关测试,研究结果表明:该测试方法和装置能够同时测定煤样吸附气量与非线性渗流参数,实验效果较好。

关键词:瓦斯;吸附;非线性渗流;渗透系数;测试方法

中图分类号:TD712+.51摇摇摇文献标志码:A摇摇摇网络出版时间:2017-04-1110:15

网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1062.TD.20170411.1015.054.html

StudyofMeasuringMethodforNonlinearSeepageParametersofGassyCoal

(1.StateKeyLaboratoryofGasDisasterMonitoringandEmergencyTechnology,Chongqing400037,China;

CHENGBo1,2,GAOYue2

2.ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupChongqingResearchInstitute,Chongqing400037,China)

parametersofnonlinearseepageincaseoftheconstraintringstraincondition,cylindricalcoalsamplesweretakenasthespecimensandthemassflow-meterinstalledatthegasinletendandoutletendwasusedtodeterminethegascontentofspecimens,andthegasabsorptionamountwasobtainedbycalculation;basedontheseepagetestresultsofheliumandgas,thenonlinearseepageparametersofgassycoalweregot.Theprinciple,experimentalequipmentandproceduresofthismethodwereandequipmentcouldbesimultaneouslyusedtomeasurethegasabsorptionamountandnonlinearflowparametersofcoalsamples,andtheexperimentaleffectwasbetter.

Keywords:gas;adsorption;nonlinearseepage;permeabilitycoefficient;measuringmethod

emphaticallydescribed,andrelativetestsweremadewiththismethodandequipment.Researchresultsshowedthatthismethod

Abstract:Tocountertheproblemofsynchronousmeasurementofgasabsorptionamountofcoalsamplesandkey

摇摇随着我国能源产业结构调整工作的推进,“十三五冶期间我国煤层气勘探开发步伐将进一步加快,煤层气产业将发展成为重要的新兴能源产业。煤矿瓦斯(又称“煤层气冶)主要以吸附与游离的形态赋存于煤体内,一般认为,瓦斯在煤体内的吸附属单分子

收稿日期:2016-09-19;2017-02-20修订

基金项目:“十二五冶国家科技重大专项(2011ZX05040-003-003)

作者简介:程摇波(1985—),男,四川崇州人,硕士,工程

层物理吸附[1]。在煤矿瓦斯抽采过程中,煤体内的瓦斯含量逐渐降低,将引发煤体渗透特性的变化,而煤体渗透特性又决定了瓦斯在煤体内流动的难易程度。因此,研究含瓦斯煤的渗流规律及其渗透性系数的测试方法,对于指导矿井进行抽采工程设计及煤层气开发作业部署具有重要的现实意义。目前,20世纪60年代,周世宁院士创造性地将达西定律引入到煤层瓦斯流动中,为研究煤层瓦斯流动理论奠定了基础[1]。此后,随着对煤层瓦斯运移机理的进一步认识,又逐渐发展形成了非线性流动理论与

·1·

国内外学者已针对该问题开展了大量的研究[1-25]。

师,主要从事煤矿区煤层气开发及瓦斯灾害治理技术方面的研究工作。E-mail:cumtchengbo@163.com。

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固—气耦合理论体系[2-11]线性瓦斯渗流模型,均采用唯象学的方法。文献[2-5]所提出的非,从实验结果反映的宏观特征出发,对瓦斯在煤体内的运移状态进行描述,而未给出瓦斯在煤体内运移阻力的属性。瓦斯气体与煤固体表面存在着强烈的吸附作用,吸附本身是一个动态的过程,即在吸附的同时,也存在脱附,并且在瓦斯流动的过程中还存在传质。因此,研究煤层瓦斯运移规律,首先应从吸附作用对含瓦斯煤渗透特性影响的角度出发,文献[6,24]提出了考虑吸附作用影响的煤层瓦斯非线性渗流的数学模型,与文献[2-5]所提出的瓦斯渗流模型相比较,其表征的渗流阻力更清晰,物理意义更明确,并认为达西定律是该模型的特例。

与此同时,我国有关研究人员也针对煤与瓦斯的固—气耦合问题开展了大量理论与实验研究[7-18]动特性,,文献建立了相应的固[7-11]针对不同条件下的煤层瓦斯流—气耦合数学模型,但该类模型均以达西定律作为基础,而未考虑瓦斯在煤体内非线性流动的因素;所进行的实验与研制的渗透装置[12-22]体与煤之间的吸附特性等因素对煤体渗透特性的影,虽针对应力—应变、热固流耦合、测试气响展开了大量研究,但在实验过程中并未将吸附作用与其他影响含瓦斯煤渗透特性的因素进行严格区分。文献[23]针对该问题提出了煤岩吸附量—变形—渗透系数同时测量的方法并开发了试验装置,但其求取煤样吸附量的方法未剔除试件内部游离气量,换言之,文献[23]中求取的煤样吸附量实质为煤样内部的气体含量。由于煤与瓦斯气体之间吸附作用的存在,使得瓦斯在煤体内的压力分布有别于线性渗流时的二次函数特征,因此吸附量的获取应该结合相应条件下煤体内瓦斯压力的衰减特征。同时“,文献的有效密封抵消冶气压的方法[23]对煤样的密封仍然沿用了传统的液压,但同时也使得试件在测试过程中承载,该方法虽然能完成对煤样试件着围压的作用。因此,为更好地分析含瓦斯煤的非线性渗流特征,应保证煤样试件在约束环形应变的条件下密封。

鉴于此,笔者以含瓦斯煤非线性渗流的数学模型为基础,采用圆柱形煤样作为试件,通过对氦气的渗透测试,获取煤样的孔隙体积,利用设置于煤样进气与出气端的质量流量计、气体压力传感器测定吸附气量和含瓦斯煤非线性渗流参数。以下详细介绍该测试方法的原理、实验装置及实验步骤,并对实验结果进行分析。·2·

1摇含瓦斯煤非线性渗流参数的测试方法

1.1摇实验原理

文中涉及的含瓦斯煤非线性渗流参数分别为煤样极限渗透率与吸附影响因子,其理论基础为前期研究获得的煤层瓦斯非线性渗流数学模型[6,24]k:

滋0驻驻px=-væèç

1+滋

滋apwöø

÷

(1)

式中:w为煤样吸附气体量;k滋为气体黏度;驻p/驻x为煤样两端的气体压力梯0为煤样的极限渗透率;度;滋ap为吸附影响因子,是表征煤体中气体流动孔道特征的参数,反映了煤体渗透特性随吸附气体量改变的敏感性大小。

含瓦斯煤非线性渗流参数的测试原理见图1。

图1摇含瓦斯煤非线性渗流参数的测试原理示意图

测试煤样采用尺寸为椎50mm伊100mm的圆柱形标准试件,煤样试件的密封采用“密封剂+密封缸套冶的方法,对煤样试件实施约束环形应变下的密封。在装入煤样的渗透缸体的进气、出气端,分别设置质量流量计与气体压力控制器,并将渗透缸体放入到恒温水浴中。气体压力控制器的原理与减压阀类似,主要用于控制煤样进气、出气端的气体压力为恒定值。

实验前,首先将渗透缸体与真空脱气泵连接,开启真空泵对煤样进行脱气处理。对煤样试件充入一定量的氦气,用以标定煤样试件内的孔隙体积V测定极限渗透率kk和出气端的气体压力为恒定值0;设置气体压力控制器,并且进气端的气体压,使进气、力p开启真空脱气泵0大于出气端的气体压力p,对煤样及实验系统进行脱气1;连接实验系统管路。实,

验时,随即开启质量流量计,连续监测通过煤样的气体流量的变化,待两端流量计测得的气体流速数值相等,两端气体压力数值不再变化时,即判定瓦斯在煤样试件内的流动达到稳定状态。记录进气端总流量V空间j冶、出气端总流量VVc,二者之差即为实验系统“死s与煤样试件内的气体量。实验系统“死空第44卷摇第2期

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间冶包括:进气侧“死空间冶Vjs与出气侧“死空间冶Vcs。附量[25],即:

W=m

+Cnp)(1abp+bp

根据笔者提出的考虑吸附作用影响的煤层瓦斯非线性渗流数学模型,参考周世宁院士提出的比流量形式[25],则有:

q=

-2姿p驻p(1+琢w)驻x

(3)

煤样试件内的气体量包含孔隙体积Vk的游离量与吸

(2)

式中:W为煤样试件内的气体量,m3;m为煤样试件的质量,t;n为煤的孔隙率,即孔隙体积Vk与煤样体积的比值;C为压力系数,m3/(t·MPa),取值为1;MPa-1,其中a值已经过灰分、水分与温度的修正[25]。摇摇q=

p为瓦斯压力,MPa;a、b为煤的瓦斯吸附常数,m3/t、

1m2面积上流过的瓦斯量,m3/(m2·d);琢=滋ap/滋;压;w=abp/(1+bp)。积分:

式中:q为比流量,表示1个大气压、温度t(益)时,姿=Bk0/2滋pn,其中B为单位换算系数,pn为1个大气

设煤样试件的长度为L,展开方程(3),求取定

摇摇2(1+bp+琢abp)+ln|1+bp+琢abp|

-2姿1b1[(b+琢ab)p+1-ln|(b+琢ab)p+1|]+(1+bp+琢abp)2-23L(b+琢ab)(b+琢ab)2

{

摇摇由于氦气与煤之间无吸附作用,因此对k0的测试,可采用文献[23]中渗透系数的求取方法。在获取k0数值的基础上,将其代入任一测试工况下的方摇摇q=

]}

[

p0p1

(4)

程(4)中,即可获取吸附影响因子滋ap。x的瓦斯压力为px,因此有:

由于沿瓦斯在煤样试件内流动方向上任意位置

摇摇2(1+bp+琢abp)+ln|1+bp+琢abp|

-2姿1b1

(1+bp+琢abp)2-2[(b+琢ab)p+1-ln|(b+琢ab)p+1|]+3

x(b+琢ab)(b+琢ab)2

{

摇摇孔隙体积Vk的游离量可通过式(5)中煤样试件内部的瓦斯压力分布,结合方程(2)中的游离量计算式,进行积分获取。而后将煤样试件内的气体量减去孔隙体积Vk的游离量,即可获取煤样试件内部的吸附气量。文献[24]根据式(5)中煤样试件内部的瓦斯压力分布,结合Langmuir方程,积分获取煤样试件吸附气量。将笔者提出的方法与文献[24]中的计算方法相对比,若计算结果相对偏差小于5%,即可认为实验结果可靠。1.2摇实验装置

基于上述原理,笔者开发了含瓦斯煤非线性渗

]}

[

px

p1

(5)

流参数的测试装置,如图2所示。该装置主要包括:气源、管路系统、流量测定系统、压力测定系统、恒温水浴及渗透缸体。

采用“密封缸套+密封剂冶的方法,对煤样试件进行密封。密封剂为环氧树脂、糠酮树脂,通过共混复合制成,并加入聚氨酯改性增韧。待煤样试件装备完后,对实验系统进行泄漏检测。1.3摇实验步骤

1)脱气:将置入了煤样试件的渗透缸体与实验

图2摇含瓦斯煤非线性渗流参数测试装置示意图

3%,则可认为实验系统气密性满足实验要求。

测定24h内气体的压力,若压力下降值小于等于

3)煤样内部孔隙体积Vk的标定:实验系统泄漏

2)实验系统泄漏检测:检测气体采用氦气,连续

率达到测试标准后,再次进行脱气,脱气时间为2h;关闭渗透缸体的出气端阀门,将充入一定量及压力的氦气罐体与渗透缸体连接,记录氦气罐体的压力值,利用理想气体状态方程计算煤样内部孔隙体积Vk。

4)极限渗透率k0的测定:在标定煤样内部孔隙

·3·

系统的气体管路连接,而后接入真空脱气泵对实验系统进行脱气处理,脱气时间为2h。

体积Vk后,将渗透缸体的进气端与一定压力的氦气

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气源相连接,测定一定压差下的氦气流量,参考文献[23]中求取渗透系数的方法计算k0值。

5)吸附影响因子滋ap与煤样吸附气量的测定:待

2摇含瓦斯煤非线性渗流参数的测试实验

2.1摇实验参数

实验中,首先进行氦气条件下的渗透测试,在获取极限渗透率k0后,进行不同瓦斯压力的渗透测试线性渗流参数之间的关系,进一步分析吸附量对瓦斯气体流动特征的影响。

实验煤样取自山西晋城寺河煤矿、重庆綦江松藻煤矿、贵州金沙龙宫煤矿,煤样的工业分析结果及瓦斯吸附常数见表1。

实验。本次实验的目的在于测定煤的吸附性能与非

k0测试完成后,关闭渗透缸体进气端阀门,并将实验脱气时间为2h。脱气完毕后,调节渗透缸体进气端、出气端的气体压力控制器的数值,而后打开气源,并同时开启流量测定系统,对实验过程中进入煤样与流出煤样的气体流量进行测定。待瓦斯气体流动达到稳定状态后,记录总进气量与总出气量。利用方程(4)求取滋ap,利用方程(5)求取吸附气量。

煤样类别寺河煤样松藻煤样龙宫煤样

灰分/%11.5712.1112.22

挥发分/%11.6312.4212.34

系统与真空脱气泵连接,对实验系统进行脱气处理,

表1摇煤样试件的工业分析、吸附常数及质量

孔隙率/%9.399.409.40

极限吸附量a/(m3/t)

42.727330.918420.2395

吸附常数b/MPa-1

1.50061.21140.8992

质量/g310.45309.02309.61

摇摇文献[14]对型煤与原煤全应力—应变过程渗流特性进行了对比,认为型煤与原煤在发生破坏前的渗流特性相似。同时考虑到试件制作的因素,本实验选用型煤试件。对煤样进行粉碎、筛分,选取粒径为0.20~0.25mm的煤粉,冷压一次成型,成型后的试件尺寸为椎50mm伊100mm。实验时,首先对煤样试件进行真空烘干处理,以除去水分对瓦斯吸附的影响。为使实验结果具有可比性,严格控制煤样试件质量为(309.69依0.002)g。实验用氦气与甲烷气体的纯度均为99.99%。

实验测试时,首先进行氦气条件下的渗透测试,0.1MPa,进气端气体压力设置5个压力值,分别为:0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa。2.2摇实验结果及分析

而后以甲烷作为测试气体。出气端气体压力设定为

图4摇甲烷渗透测试结果

由图3可知,氦气条件下的渗透测试结果表明,煤样的极限渗透率为一恒定数值,虽存在一定的波动,但其波动幅度较小,因此取不同气体压力梯度下的平均值作为煤样的极限渗透率。由图4可知,本次实验中出气端气体压力为0.1MPa,随着压力梯度的增大,使得煤样试件吸附甲烷量增大,其中寺河煤样吸附性能最强,因而吸附甲烷量最大;松藻煤样次之,龙宫煤样吸附性能最差,其吸附甲烷量也最小。图4中,甲烷气体的流量随着压力梯度的增大,其变化曲线的斜率逐渐减小,反映出煤样的渗透性逐渐降低。

利用方程(4)求取煤样的滋ap,并取其不同压力

氦气及甲烷测试实验结果见图3和图4。

梯度下的平均值作为煤样的滋ap,而后将煤的吸附性能参数与非线性渗流关键参数进行比较,如图5和

·4·

图3摇氦气渗透测试结果

图6所示。

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图5摇极限吸附量a与非线性渗流关键参数的关系

图6摇吸附常数b与非线性渗流关键参数的关系

摇摇由于本次实验所采用的煤样质量相差较小,且孔隙率接近,因此造成非线性渗流关键参数差异的主要因素即为煤的吸附性能。从图5和图6中可以直观地看出,煤的极限吸附量a与吸附常数b的数值越大,则其极限渗透率k0的数值越小,而吸附影

响因子滋ap的数值越大。这是由于煤的极限吸附量a越大,反映了煤的固体表面积越大,氦气在煤体内的运移阻力也越大,因而体现出极限渗透率k0数值也越小。吸附常数b表示煤吸附能力的强弱程度,其数值越大,吸附能力越强,其大小与温度、吸附剂和

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吸附质的本性有关。吸附影响因子滋渗透特性随吸附气体量改变的敏感性大小ap反映了煤体,煤的吸附性能越强,因而煤体渗透特性随吸附量改变而越敏感、滋。并且极限吸附量a与非线性渗流关键参数k0ap之间分别存在着较为明显的负、正幂函数关系;吸附常数b与极限渗透率k,与吸附影响因子滋0之间存在着良好的线性关系的幂函数关系。

ap之间存在着较为明显3摇结语

流模型1),基于考虑吸附作用影响的煤层瓦斯非线性渗

提出了含瓦斯煤非线性渗流关键参数—吸附气量同步测量的方法试方法计算煤样的吸附气量更为准确2)利用提出的含瓦斯煤非线性渗流关键参数测,并开发了相应的实验装置。

,通过调节气体压力控制器可实施不同气体压差下的渗透测试,为研究吸附作用对含瓦斯煤渗透特性的影响奠定了技术基础煤的吸附性能越强3)通过对不同吸附性能煤样的渗透测试。

,则其极限渗透率k0的数值越,发现

小,而吸附影响因子滋量a与极限渗透率kap的数值越大;并且极限吸附在着较为明显的负、正幂函数关系0、吸附影响因子;吸附常数滋ap之间分别存b与极限渗透率k0之间存在着良好的线性关系,与吸附影响因子滋ap之间存在着较为明显的幂函数关系。

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