煤层瓦斯抽采是矿井瓦斯防治最根本的技术手段。中国大多数高瓦斯、突出矿井所开采的煤层属于低透气性、难抽采煤层^[1]，人们采用了多种技术手段增加煤层透气性，以不断提高煤层瓦斯抽采效率。受石油系统“气驱油”技术的启发，20世纪末，美国圣胡安盆地将CO₂注入煤层以提高煤层气采出率(CO₂-ECBM)实验^[2]取得成功，并逐渐将这种技术推广应用于煤层注气增产(ECBM，enhanced coal bed methane)领域。之后世界各国也尝试将煤层注气置换-驱替技术应用于煤层瓦斯强化抽采领域，并且取得了较好的效果^[3-4]。煤层注气实质是“气驱气”，其作用机理与石油系统的“水驱油”、“气驱油”有着很大的区别，它不存在两相介质统一的驱替面，且弱吸附性气体(N₂)能表现出对强吸附性气体(CH₄)的良好的置换-驱替效应，这与经典的吸附理论存在较大的差异。为此，国内外学者针对煤层注气置换-驱替煤层瓦斯机理进行了大量研究^[5-7]。

通常用作注源气体的N₂和CO₂，其吸附性相对于CH₄有着明显的差异，因此在置换-驱替煤层甲烷的机理上也存在较大的差异。在定容变压的置换系统(向密闭容器中充入高压气体)中，N₂之所以能够置换比自己吸附性强的CH₄，主要是因为注入的N₂改变了系统总压及N₂吸附引起总吸附饱和度增加所致；而CO₂能够置换CH₄则主要是依靠其对吸附位的竞争优势^[8-14]。而在定容恒压的渗流系统(一端充气另一端排气的渗流系统)中，其作用机理非常复杂，是吸附置换(发生在吸附位上的置换)、扩散置换(发生在微孔自由空间的置换)、驱替(渗流携载)及增压充填等多重作用机理的耦合效应。笔者在煤层注N₂模拟实验中发现，注源气体在煤体中的置换-驱替效应会表现出分时分段特征，其突破时间随着注气压力增加而减小^[15]。

然而，在煤层注气过程中，注源气体吸附性强弱会对总突破时间造成多大的差异？气体动力粘性的差异又会对渗流突破时间造成多大差异？造成总突破时间差异的主要因素是气体吸附吸附性还是动力粘性呢？为此，作者进行了不同气体的煤层注气实验室模拟实验。

为了便于理解，这里需要澄清两个概念：总突破时间和纯渗流突破时间。总突破时间是指注源气体置换-驱替含瓦斯煤中甲烷的模拟实验中，从排气口能够检测到注源气体的最短时间。纯渗流突破时间是指不考虑煤对注源气体的吸附性(或使用与实验煤体相同的非吸附性相似材料)的前提下，注源气体渗流通过煤体(或相似材料)的最短时间。

1 煤层注气模拟实验 1.1 实验装置

实验装置由煤样腔体(内尺寸为400 mm×300 mm× 300 mm)、抽真空系统、应力加载系统、压力采集系统、流量监测系统、注气控制系统及气体组分分析系统等组成，如图 1所示。煤样腔体内气压通过预埋小管径的中空管外接压力传感器的方式监测，通过钢瓶减压阀和高压流量计对注源气体压力和流量进行控制和监测，用煤气表测定出口低压气体的流量，用气样袋收集出口气样并通过气相色谱仪分析气体组分体积分数。

1.2 实验方法和条件

实验流程包括煤样分层预压装载→抽真空→充入甲烷吸附平衡→高压游离甲烷自然泄压排放→注气置换-驱替实验→注气结束后残留自由气体的自然泄压排放和煤中吸附气体的常压解吸等。

实验所采用的煤样取自河南郑州矿区的华泰煤矿二₁煤层，煤种属于无烟煤，实验煤样粒径 < 1 mm，水分为2.44%、灰分为12.47%、挥发分为8.43%、真相对密度为1.72 t/m³、视相对密度为1.65 t/m³，装样量均为39.85 kg，实验温度为室温。垂直应力加载控制在(150±2) kN(相当于垂直应力1.25 MPa)；实验前先对煤样抽真空，使真空度小于500 Pa，然后充入CH₄使其吸附平衡压力为0.7 MPa。注气前先将腔体内的游离CH₄排放。实验过程中实时监测出口气体的流量、体积分数、腔体内气体压力等参数。注气结束时间为出口气体甲烷体积分数降低到10%左右，注气结束后继续自然排放实验腔体内的气体。

需要解释的是，一方面考虑到大部分煤层注气工程背景条件一般受地质构造应力的影响较小，另一方面是受实验设备加载能力的限制，本实验是在垂直应力较小、水平刚性约束(没有加载围压)的条件下进行的，其研究成果对浅部或卸压区煤层注气有理论指导意义。

2 煤对CO₂，CH₄，N₂，He吸附性差异

实验室测定了在30 ℃时煤样对单组分CO₂，CH₄，N₂的等温吸附曲线，如图 2所示。计算得出常数分别为a_CH4=31.82 cm³/g，b_CH4=2.42 MPa^-1，a_N2=25.15 cm³/g，b_N2=1.37 MPa^-1，a_CO2=59.23 cm³/g，b_CO2=2.15 MPa^-1。实验证明，煤对He没有吸附性，所以a_He=0 cm³/g，b_He= 0 MPa^-1。因此，煤样对实验气体的吸附能力大小为CO₂>CH₄>N₂>He。

3 煤层注气过程的特征分析 3.1 注源气体的突破时间

注气实验过程中，注源气体往往在注气后滞后一段时间才能从出口气体中检测出来，这一滞后时间就是突破时间。在注气开始到突破时间之前，出口气体组成均为100%的CH₄气体；达到突破时间之后，出口才可以检测到注源气体，并且体积分数不断增大，同时CH₄体积分数开始降低。当采用不同气源进行注气时，由于注源气体吸附性的差异，其总突破时间存在极大的差异。根据实验结果，煤层注He，N₂，CO₂的总突破时间分别为0.92，14，46 min。注气模拟实验中出口气体体积分数变化规律如图 3所示。

3.2 注气过程中的分时分段特征

从煤层注气模拟实验的出口气体体积分数变化规律可以看出，煤层注气过程表现出明显的分段特征，并且总体上可以分为三个阶段。

第一阶段：注源气体没有突破到出口，即注气时间小于突破时间。这一阶段的特征是随着注气时间的增加原吸附气体CH₄的出口流量不断增加，并趋于平衡，而体积分数却保持100%不变。在这段时间内，出口检测不到注源气体流出，其体积分数始终保持为0。

第二阶段：注源气体已经突破到出口，并且其体积分数逐渐增大。这一阶段的特征是原吸附气体流出的体积分数逐渐减小，而注源气体流出的体积分数不断增大，二者最终达到平衡状态。

第三阶段：原吸附气体和注源气体体积分数均达到平稳状态。注气实验经过一段较长的时间后，出口各组分体积分数均达到平稳状态，体积分数基本保持不变。

在注气置驱煤层CH₄的过程中，与注CO₂产出CH₄机理不同，N₂的吸附性比CH₄要弱，不能依靠自身的吸附能力把CH₄从吸附位上置换下来。但当N₂注入到煤体之后会稀释煤体中的CH₄，使CH₄的分压降低，其吸附平衡状态被打破，从而使吸附态的CH₄发生解吸，并通过气体流动的携载作用把其“带”出煤体。综上所述，注N₂产出CH₄的机理主要有注入气体的稀释扩散作用及气体的携载作用。而注非吸附性He产出CH₄也有类似的作用机理。

4 突破时间差异性的定量分析 4.1 纯渗流的突破时间

假设气体流经煤体时没有吸附和置换作用，或假设注源气体流过的是没有吸附性的煤体相似材料，那么气体在煤体或相似材料中的流动以渗流运动为主，其突破时间仅与煤体的渗透率、气体的粘性和注气压力有关。由于实验条件下煤体均质性较好，除了边界效应(实验中作专门处理后降到最小)外其透气性分布均匀，符合线性渗流特征，服从达西定律：

$ v =-\frac{K}{\mu } \cdot \frac{{{\rm{d}}p}}{{{\rm{d}}x}}, $

(1)

式中：v为流速，m/s；μ为气体动力粘度系数，Pa·s；K为煤层的渗透率，m²；dp/dx为流体沿x方向压力梯度，Pa/m。

腔体内煤体可看作是水平、等厚、条带状均质地层，其长L=0.4 m，宽W=0.3 m，高H=0.3 m。由于煤对He没有吸附性，因此可以将He在煤中的运动简化成流速在各断面上均匀分布的纯线性渗流运动，注He时两端压力差为0.9 MPa。当注气后期He体积分数达97.5%时，可近似看做是纯He的稳定渗流，此时流量为2.65 L/min，垂直于流速的断面上平均流速为0.007 2 m/s。He的动力粘度为1.98×10^-5 Pa·s，则根据达西计算的实验煤体渗透率K为6.355 6×10^-8 m²。

在相同条件下注N₂和CO₂时，假设煤中也不存在吸附置换作用，N₂和CO₂的动力粘度分别取1.780 5×10^-5 Pa·s和1.493×10^-5 Pa·s时，则按式(1)可以计算出气体的流速，进而结合煤体长L可以算出He，N₂，CO₂的纯渗流突破时间分别为0.92，0.83，0.70 min。如表 1所示。

从表中可以看出，如果不考虑吸附和置换的影响，三种气体流经煤体的纯渗流突破时间均在1 min之内。但在考虑吸附置换作用下，实验的总突破时间大大增加。N₂和CO₂的纯渗流突破时间仅为总突破时间的5.93%和0.28%。因此，气体的纯渗流突破时间远远小于总突破时间，它不是决定总突破时间大小的主要因素。

在总突破时间内，注源气体并未从出口析出，表明所注入的气体全部滞留在煤层中，主要表现为两种形式：一是充填扩散到煤体自由空间内导致煤体内气体总压升高；二是吸附于煤体表面，但吸附量远远低于平衡吸附状态的吸附量，因此不会有多余的注源气体流出。

4.2 突破时间内注源气体的升压充填量

在注气过程中，由于注源气体的充入，腔体内气体压力升高过程如图 4所示。从图 4中可以看出，气体吸附性越弱，升压越快，越早达到稳定。

实验中，注CO₂压力上升过程中，在总突破时间附近有一个拐点，拐点之后的100 min内腔体内气体压力保持平稳，之后压力迅速上升。此现象与CO₂从煤体中流出有关。由于煤对CO₂的吸附能力大，CO₂的流出减缓了对煤体自由空间的填充和气体压力上升的速率，出现了相对平稳的阶段。随着CO₂吸附饱和度的不断增大，CO₂的吸附逐渐接近平衡状态，自由空间继续被填充并导致压力继续上升。N₂和He由于其吸附性较弱，没有表现出明显的拐点现象。

根据注He实验数据，在0.92 min的突破时间内，注入He的平均流量为5.075 L/min，实测煤体中He累积滞留量为4.68 L，导致煤体内气体总压由0.1 MPa升至0.14 MPa。由于He不具有吸附性，因此可以计算出注气压力下煤体自由空间内气体充填量。

自由空间填充量(游离气体量)Q_yi(标况下)按式(2)计算：

$ {Q_{{\rm{yi}}}} = \frac{{273.2 \times {P_i} \times {V_{\rm{s}}}}}{{{Z_i} \times \left( {273.2 + t} \right) \times 0.101\;325}}, $

(2)

式中：Z_i为环境温度为t和压力为P_i条件下吸附腔体中气体的压缩因子，无量纲；t为吸附平衡时实验温度，℃；V_s为煤体吸附腔体剩余体积，cm³。

因为He为非吸附性气体，所以突破时间内的注入量即为自由空间的充填量。对于N₂和CO₂来说，尽管其具有一定的吸附性能，但充入后也有一定的气体量充入到煤体自由空间并导致气体总压上升。这部分注源气体也不会从出口析出。从图中可以看出注N₂和CO₂在达到总突破时间时由于气体的充填煤体内气体总压分别上升至0.32 MPa和0.43 MPa。可以得到N₂和CO₂的相应气体升压充填量分别为25.13 L和38.25 L，如表 2所示。

根据实验数据可以得出注He，N₂和CO₂在达到总突破时间时煤体内气体总压分别为0.14，0.32，0.43 MPa。不难看出存在这样一个趋势：注源气体的吸附性越强，突破煤体时所需要的气体总压越高，即P_CO2>P_N2>P_He。

4.3 注源气体的吸附量对突破时间的影响

由实验可是看出，随着注源气体吸附性增强，总突破时间大幅度增加。在相同注气压力下，CO₂的总突破时间是N₂的总突破时间的17.57倍。因此，气体吸附性差异才是决定总突破时间的主要因素。

注源气体进入煤体后，经过渗流和扩散充填到煤体微孔自由空间并到达煤体表面，一方面与吸附态的CH₄展开竞争吸附，另一方面也可以继续占据空闲的吸附位，使煤体的总吸附饱和度增加。由于注入气体的总量较少，此时注入的气体全部滞留在煤体中，并没有多余的气体从出口排出。

注气实验中注源气体的吸附量可以用多元气体的扩展Langmuir方程计算。对于二元气体来说其吸附量可用下式描述。

$ {V_1} = \frac{{{a_1}{b_1}{p_1}}}{{1 + {b_1}{p_1} + {b_2}{p_2}}}, $

(3)

式中：V₁为气体组分1在压力p₁下的吸附量，m³/t；a₁，b₁为气体组分1的吸附常数，m³/t，MPa^-1；p₁，p₂分别为气体组分1和2的分压力，MPa；b₂为气体组分2的吸附常数，MPa^-1。

注气实验时，煤体内无CH₄补充进来，因此认为CH₄分压为0.1 MPa不变，根据上面实验得到的注源气体突破煤体时的气体总压，可得CO₂的分压为0.43 MPa-0.1 MPa=0.33 MPa，同理N₂的分压为0.22 MPa。根据式(3)计算注源气体吸附量如表 2所示。

从表中可以看出，在突破时间内的注入总量扣除煤体自由空间的填充量，N₂和CO₂分别共有9 939.87 cm³和542 221.65 cm³被吸附，仅占该状态下平衡吸附量总量的5.07%和63.19%，因此在突破时间内没有“多余”的注源气体从出口排出。

当然，以上分析和计算都是基于突破时间内某一静态条件下的，而吸附、解吸、置换、渗流及扩散均是一个瞬变的动态过程，而且这些过程同时进行、相互耦合。即注源气体进入煤体后同时进行渗流和扩散，充填煤体自由空间使煤层内气体总压升高的同时，在其到达的煤体表面也进行着吸附、解吸和置换，不可能存在独立的渗流、扩散、充填、吸附、解吸和置换过程。

5 结论

1) 不同注源气体置换-驱替煤中CH₄过程均表现出明显的分时分段特征，气体的吸附性强弱是决定总突破时间的主要因素，总突破时间的大小与气体吸附性强弱呈正相关关系。CO₂，N₂和He的总突破时间分别为246，14，0.92 min，其大小关系为T_CO2>T_N2>T_He。

2) 总突破时间内，N₂和CO₂吸附量占同一状态下平衡吸附总量的5.07%和63.19%。

3) 实验条件下注源气体渗流通过煤体的时间均在1 min之内，造成总突破时间大幅度增加的原因是气体吸附和置换，造成不同注源气体总突破时间巨大差异的原因是注源气体吸附性差异引起的初始不平衡吸附。