学术报告

研究基本信息

本文的主要作者为Yang Bai、Hai-Fei Lin、Shu-Gang Li等，他们隶属于西安科技大学（Xi’an University of Science and Technology）安全科学与工程学院（School of Safety Science and Engineering），以及矿山瓦斯智能抽采西部工程研究中心（Western Engineering Research Center of Mine Gas Intelligent Extraction），研究成果发表在国际期刊《Energy》上，文章编号为《energy 254 (2022) 124251》。文章接收日期为2022年5月10日，在线发表日期为2022年5月14日。

学术背景

该研究属于煤层气（Coalbed Methane，CBM）及其开采研究领域。煤层气作为一种主要成分为甲烷（CH4）的非常规天然气资源，在全球能源体系中占据着重要位置。由于煤层特性的限制，中国大多数采矿区域的煤层渗透性较低，传统钻探方法的预抽效果不理想，导致预抽时间延长，进而影响生产效率。近年来，注入气体促进瓦斯解吸的技术备受关注，被认为是提高煤层气预抽效果的重要方法之一。然而，关于气体注入促使瓦斯解吸扩散过程中的动力学特性以及注入气体分子与煤中瓦斯相互作用机制的研究尚需完善。本文的研究目标是利用实验手段分析氮气（N2）注入条件下甲烷的解吸扩散动力学特征，进一步明确N2注入对含瓦斯煤作用的机理，为低渗透性煤层中瓦斯的高效与安全抽采提供理论支持。

研究流程与方法

实验煤样与处理方法

实验用煤样取自中国新疆艾维尔沟煤矿1930巷4号煤层的采样点。其中，煤样通过真空密封以防氧化，并制成60-80目颗粒后，使用真空干燥箱在333K温度下干燥超过6小时。随后，通过排除孔隙中残余气体，确保煤样适用于高压吸附实验。根据实验分析，煤样主要成分为：固定碳69.85%、水分0.28%、灰分8.49%、挥发分23.45%，镜质组比率为87.6%，镜质体最大反射率为1.25%。

实验设备与系统

实验使用的是PCTPro高压吸附仪（PCTPro High Pressure Adsorption Instrument）以及Trace 1300气相色谱仪（Gas Chromatograph）。该实验系统包括以下八个主要部分：

1. 称重系统：由高精度电子称、筛网、煤样粉碎机和采样袋组成。
2. 气体存储系统：配备高压气体存储容器以适应实验需求。
3. 脱气系统：采用程序化PID自动压力控制装置进行排气。
4. 压力控制系统：配备高精度压力传感器，支持高低量程自动切换。
5. 气体存储系统：包含不同体积（5ml至1200ml）的校准气体存储罐。
6. 温控系统：温控范围为13K至773K，确保实验设备和气体路径温度恒定。
7. 数据采集系统：实现实验数据的准确采集与处理。
8. 安全系统：使用高灵敏度可燃气体检测传感器进行泄漏监控。

实验设计与步骤

1. 不同温度下气体吸附与解吸的动态变化规律
   首先在不同温度（303K至343K）下，煤样在1×10⁶ Pa的气体吸附饱和压力条件下进行等温吸附实验。达到吸附平衡状态后，启动解吸实验，记录解吸平衡点的气体成分及浓度。

2. 氮气注入条件下气体动力学特性实验
   在相同的温度范围内，向饱和煤样中注入1×10⁶ Pa氮气，随后进行解吸实验，分析解吸平衡点气体中氮气与甲烷的浓度变化，对比解吸量随温度和压力的动态变化规律。

数据分析方法

基于实验结果，研究团队使用扩散模型计算气体扩散系数，描述气体分子在煤样颗粒内部扩散的规律。理论计算与实验结果结合，评估氮气注入促进瓦斯解吸的效果及动力学特性。研究特别建立了煤层气扩散修正模型（Modified Coal Gas Diffusion Dynamics Model），以动态描述扩散系数随时间变化的特性。

主要研究结果

1. 解吸动力学规律

   • 在不同温度下，甲烷解吸量与平衡压力呈负相关，其变化规律符合幂函数曲线。
   • 氮气的部分压力对煤中甲烷具有解吸促进作用，实验表明氮气可竞争性占据煤样的吸附位点，从而提高甲烷的解吸量。

2. 扩散系数计算与分析

   • 303K至343K温度范围内，甲烷扩散系数在4.390×10⁻¹⁰ m²/s 至 5.625×10⁻¹⁰ m²/s 之间；在氮气注入条件下，该数值增加至6.555×10⁻¹⁰ m²/s 至 8.388×10⁻¹⁰ m²/s。
   • 甲烷扩散系数随温度升高而增大，这与煤样孔隙结构的扩散通道变化及气体分子热运动增强相关。

3. 扩散模型的修正与验证

   • 在气体注入的不同时间阶段，甲烷的扩散系数迅速衰减至稳定状态，符合d(t) = d₀×e⁻ᵇᵗ的关系。
   • 修正模型与实验数据高度一致，相关系数平均值达到0.988，表明该模型在描述瓦斯解吸扩散动力学特性方面具备较高的精确性与稳定性。

研究结论与应用价值

本文通过实验研究揭示了氮气注入对煤层瓦斯解吸的动力学规律，并提出新的扩散模型对实验结果进行高稳定性验证，为煤层气的高效开发和安全抽采提供了理论依据。研究的应用价值主要体现在以下方面：

1. 提升煤层气的抽采效率：通过明确注入气体的动力学促进作用，可优化预抽措施，缩短预抽时间。
2. 改善低渗透性煤层的瓦斯抽采技术性能：为含瓦斯煤的实地应用提供支持。
3. 提供煤层气热力学与动力学的交叉研究平台：为后续研究注入气体类型（如二氧化碳与混合气体）对瓦斯解吸扩散的影响研究奠定实验和理论基础。

研究亮点

1. 提出了修正动力学扩散模型，弥补了传统固定扩散模型在描述时变扩散特性上的不足。
2. 采用高精尖实验设备与系统化分析流程，为研究瓦斯解吸扩散规律提供了强有力的数据支持。
3. 明确了注入氮气对瓦斯解吸扩散的作用机制，揭示了温度在动力学增强中的重要影响。

总结

该研究通过系统化实验与修正模型分析，推进了对煤层气精细化开发的重要认知，并为未来研究提供了可参考的理论与方法。