煤基质的气体渗透性与孔隙结构的关系及CBM/ECBM过程条件的影响

煤基质对气体的渗透性与孔隙结构的关系是CBM/ECBM过程模拟、运移规律分析的关键基础数据。遗憾的是，由于两者测量条件的差异，对这两项参数间对应关系的研究鲜有报道。外加应力和孔隙气体压力均会引起煤的孔隙结构的变化。本申请拟在确保煤结构不发生明显变化的条件下（无外加应力、低孔压差），测试不同已知孔结构特征样品的渗透性，建立煤基质孔隙结构特征与渗透率间的关系；在低气体压差条件下（降低孔压的影响），考察外加应力对渗透率的影响，结合已建立的煤基质孔结构特征与渗透率间的关系，反演外加应力造成的煤结构的变化；在尽可能低的应力条件下（降低应力的影响），考察气体压力对渗透率的影响，结合同比条件下的煤柱自由膨胀数据和已建立的煤基质孔结构特征与渗透率间的关系，分析煤基质的膨胀对孔隙结构带来的影响，借助膨胀与吸附的对应关系，研究吸附量的影响。完善有效应力、孔隙气体压力与渗透率的三参数数学模型。

气体在煤基质中的渗透性与煤物理/孔隙结构的关系是CBM/ECBM过程模拟、运移规律分析的关键基础数据。外加应力和孔隙气体压力均会引起煤物理结构的变化。本课题旨在研究不同条件下气体在煤中渗透率变化规律的基础上，研究有效应力、孔隙气体压力与渗透率间的关系，结合气体在煤中穿透和气体导致煤体膨胀机理的研究结果，提高对影响气体在煤基质中渗透性因素的认识，完善和构建相关数学模型。. 通过对样品施加不同约束应力，调整煤的物理/孔隙结构。从测量流体在不同约束状态煤岩中的渗透特性出发，研究了围压、裂隙及水的存在对渗透率测量值的影响。有效应力、孔隙气体压力与渗透率间关系的试验结果，证明了三参数数学模型对自约束条件渗透率预测的有效性。通过对气体穿透含水煤柱的机理分析，构建了驱替、溶解/扩散、自由态/扩散、吸附/扩散等模型。采用预测值与实验结果对比的方式，确定了气体在含水煤柱穿透的机理为吸附/扩散。通过研究不同煤种、不同颗粒度样品、不同气体的吸附动力学，获得了系列有效扩散系数，阐明了影响有效扩散系数的因素。通过对同时获取的煤柱吸附/膨胀数据的数学拟合和理论关联，揭示了不同煤种、不同吸附质、不同吸附条件归一化性质间的一致性，证明了吸附/表面能降低/煤结构膨胀机理的合理性。研究发现，当煤吸收气体量na接近改进BET吸附模型的单层吸附量nm时，体相浓度为吸附相浓度的～17%，此时的膨胀率是最大膨胀率的～93%。在na/nm=～0.37时，煤的膨胀率变化最大；在na/nm=～1.5时，煤的膨胀率变化趋于0。表明吸附质分子与煤接触程度，是制约吸附导致的煤物理结构变形程度的重要因素。