看点导读
01 瓦斯解吸曲线形态演变带来的启示
控制抽采曲线形态的关键是煤体瓦斯自身的解吸放散特征。在以往文献资料中，国内外学者进行了大量关于煤体/煤粒解吸曲线形态特征影响的研究，在定性和定量层面均取得了较为突出的成绩。一般而言，瓦斯解吸曲线形态受到粒径、压力、温度、水分等因素影响。瓦斯曲线形态随影响因素不同会呈现“直线”向“幂函数”形态演进的特点。图1-a 和图 1-b 总结了不同学者研究粒径对瓦斯解吸特性的表述。可以发现，整体上瓦斯解吸曲线形态会随着粒径的减小呈现从近直线流逐步变化为幂函数流的特点。上述曲线形态演化特点也间接导致了解吸模型适配的差异，促生了差异化制定解吸敏感指标的必要性。
图1 瓦斯解吸曲线形态变化的实验与现场数据
从孔隙-裂隙双重孔隙介质角度来看（与扩散的双孔结构不同），煤体内部瓦斯流的储运过程可简单分为扩散和渗流的两个过程，在基质内甲烷受浓度梯度驱动进行扩散，而在裂隙内甲烷受压力梯度驱动进行渗流。破碎时，首先煤体各组分的力学强度和吸附性能差异使得破碎形成的次生颗粒呈现非均一的理化特征；另外，孔隙裂隙的双重结构对应力的敏感性差异又使得破碎具有了尺度选择性，表现为在某一粒径以下，实验测出的孔容、比表面积和孔长等参数会产生显著变化，而此粒径之上则变化不明显，这种损伤路径的突变也常被归因于裂隙的全部消失，故部分学者直接使用极限粒径进行基质尺度的估算（图2-a）。粒径的减小代表裂隙的逐渐消失（或等效裂隙开度的增大），而根据煤岩裂隙垂向分区理论，抽采巷与工作面的垂向距离则可以直观显示裂隙开度的变化。图1-c为现场观测到的高、低位抽采巷的抽采曲线形态差异，高抽巷较低抽巷裂隙开度较小，瓦斯源更难溢出，故呈现出“直线”形态特点。与此同时，在实验室尺度下，不同应力条件煤体瓦斯解吸曲线也观察到了上述形态演化特征。上述研究启示我们，在分析瓦斯解吸曲线形态内在影响机制时，可以从裂隙和基质孔隙的关系上入手。
02 源阀互抑模型的提出
物理模型构建
从裂隙和基质孔隙的关系上入手，作者将文献中瓦斯解吸特性对粒径的响应规律分为了两类，即孔隙控制说和裂隙控制说（图2-b）。支持孔隙控制说的学者主要观点为：煤粒是由无数个具有“极限粒径”直径长度的细小颗粒组成的集合体，煤基质本身对瓦斯的阻力要远大于煤裂隙加之于瓦斯的阻力。与此相反，支持裂隙控制说的学者强调裂隙的限流作用，认为具有特定尺寸的网格状裂隙是限制解吸速度的主要因素。
图2 关于瓦斯解吸控制机制的理论解释（a. 极限粒径；b. 孔隙主控说与裂隙主控说）
孔隙控制说与裂隙控制说看似矛盾，但事实上两者都有自身的合理性，其根本差异源于并未厘清瓦斯源的作用。为了更好说明上述问题，作者建立了简化的物理模型，即类比水流经过阀门的现象，提出源（瓦斯源）阀（裂隙通道）互抑模型。源的引入可以避免单纯考虑裂隙输运能力的缺陷，即：孔隙扩散控制说将裂隙看作“设计流通能力过大的管道”，而裂隙流动控制说则将裂隙看成是“限制流动的阀门”，两者各有适用场景。这样原有的两种学说便得到了合理统一。
物数学模型构建理模型构建
上述分析可知瓦斯解吸曲线形态演变与孔裂隙互抑关系有关。孔隙控制说与裂隙控制说两种理论可在源（瓦斯源）阀（裂隙通道）互抑模型下统一，孔隙裂隙互抑关系临界值数学构建流程如图3所示。
图3 孔隙裂隙互抑关系临界值数学构建流程
数值模拟和解吸试验显示，孔隙裂隙互抑关系转换的临界值范围在10-2~10-3数量级上。在原位串联传质体系下，瓦斯扩散行为不可被忽略。
图4模拟结果及实验验证
03 扩散主控型煤层的定义及特征
内涵
与煤粒瓦斯扩散不同，扩散主控型煤层偏向于“体”的概念，可定义为以体扩散为主要瓦斯传质形式的煤层。进一步的，结合扩散特征距离，可将扩散主控型煤层分为两类：1）欠压煤层。指瓦斯压力低的煤层，表现为瓦斯涌出速度低、浓度低，此时扩散特征距离并没有明显变化，适用煤层包括中西部低压煤层、瓦斯风化带煤层、欠压废弃煤层等。事实上，任意煤层在长时间抽采后都要经过此阶段。2）深部构造煤层。其非连续颗粒团聚体结构贴近常规扩散实验中“极限粒径”集合体的特点，在高应力条件下表现为基质尺度过大，等效扩散距离过长。总结来看，欠压煤层可定义为裂隙依然保存的直接扩散主控体（图5），而构造煤层可定义为等效扩散距离较大且裂隙难以保存的等效扩散体（图6）。
图5 直接扩散体的形成
图6 等效扩散体的形成
典型特征
（1）低压敏感性
扩散主控意味着基质孔隙主控，而基质中孔隙绝大部分为微孔。微孔系统中存在微孔填充现象，煤壁的吸附势在微孔内重合，使得在极低瓦斯压力下，便能完成大量瓦斯分子的蓄积（图7）。这就是为何表征瓦斯吸附能力的a值与微孔强相关的本质原因。低压敏感性使得扩散主控型煤层在低压条件下能形成较高的吸附饱和度，这在构造煤中较为常见。
图7 微孔填充现象
（2）应变敏感性
吸附应变的本质是煤孔隙表面势能的重新分布过程。在煤孔隙表面吸附瓦斯分子后，煤表面能会降低，使得与之平衡的煤分子之间的势能减小，在固体一侧加大了煤分子之间的距离，宏观上体现为吸附膨胀。绝大多数的吸附应变模型均是基于表面势能建立的，而表面势能的分布通常与表面扩散息息相关。现阶段的实验研究发现，由于扩散的持久性，吸附应变存在瓦斯压力恒定后，仍然长时间变化的现象。在直接扩散体中，这种应变滞后性常被看作影响后期煤层气井产量的重要原因。而对于松软构造煤这种等效扩散体，滞后应变更容易被观测到。这对于抽采钻孔极为不利，意味着抽采过一段时间后，钻孔会因为解吸收缩而滞后塌孔。作者通过实验测定，发现吸附膨胀应变速率短时内最高可达10-4/s 水平。谢和平团队研究指出，应变速率在10-4/s 以上时，形成的扰动荷载可引发煤岩动力灾害。故此吸附应变速率水平有诱发煤岩动力灾害的风险，尤其是在深部临界状态多的环境下（图8）。事实上，在煤层气井抽采后期，类似于突出的煤粉喷出事件已有大量记录。应变滞后性为解释一些低压瓦斯突出现象提供了新的思路。
图8 吸附应变滞后性与影响（a. 煤层中吸附变形滞后性传播过程；b. 吸附膨胀的机理；c. 煤层气抽采中发生的煤粉喷出事件；d. 实验观测到的吸附变形与压力的差异性传播规律）
（3）时间敏感性
时间敏感性指扩散系数的时变特征，即扩散系数随时间逐步减弱的规律。关于扩散系数的时变特征，国内外学者研究成果颇丰。在解释这种现象时，可以从单个分子的碰撞记忆解释，又可以从瓦斯浓度、位置等因素的变化进行解释（前者扩散系数研究对象为单个分子，可假设为与位置、浓度无关的变量，可得到一定解析解；后者研究对象为分子群，与浓度、位置有关，故在扩散方程中无法直接将D进行偏导分离，只能得到数值解）。时变特征的引入大大提升了瓦斯含量测定过程中损失量计算的精度，同时也为抽采负压及时匹配提供了参数依据。另外，扩散时变曲线也蕴含着孔隙几何特征信息，是开发甲烷探针，进行孔隙结构初步描述的重要途径。
（4）压力的差异化响应
扩散系数随压力的变化呈现差异性，文献中测定的扩散系数与平衡压力出现过正相关、负相关以及无关的结果，如图9所示。
图9 扩散系数对的压力差异化响应规律 （a.负相关；b.无关；c.正相关）
04 扩散主控型煤层瓦斯促抽路径
瓦斯抽采强化方法的新分类
对比前人的现场实践经验，按照作用目的不同，可以将瓦斯抽采强化方法分为基础预抽强化和改性促抽强化方法两类（图10）。
图10 瓦斯抽采强化措施的新分类
典型扩散主控型煤层瓦斯促抽路径分析
（1）低压厚煤层的瓦斯治理路径
对于低压煤层而言，要想法设法将基质中瓦斯增能促流。在基础预抽强化方面，可以采用负压调控的方法促抽。而在改性促抽强化方面，可以综合面改性和体改性的方法，如驱替、微生物降解基质、表面活性剂、微波、热冲击等方法增强瓦斯运移的活性，并可以采用大面积卸荷增变的方法，如保护层开采等方法进行促抽。而对于尚处于高压阶段的煤层而言，则可以先期以裂隙改性为主，后期以基质改性为主的方式逐级促抽。需要指出的是，对于中西部厚煤层而言，其多为硬质煤层，水力压裂构建的通道仍会持久保持，亦是输送改性液的有效通道，故在低压厚煤层中也需设计考虑。
（2）深部构造煤的瓦斯治理路径
对于等效扩散体，人工裂隙难以持久保存，故需要长时间地减小等效扩散长度，以避免应变滞后性带来的不利影响。首先，可以在常规的瓦斯抽采钻孔基础上开发护孔工艺，有效保证等效扩散长度长时间降低。此外，从等效扩散整体增容的角度也可以降低等效扩散长度，即利用体改性的方法更为有效。可以采用水力冲孔造穴、保护层开采等方式进行促抽。深部构造煤的应变敏感性，使得应变达到一定程度后容易发生煤体解吸破坏的现象。因此在瓦斯治理时，也要综合考虑应力环境的改善，适时采用“卸荷-消能-介质改性”技术体系。
（3）欠压废弃煤层的瓦斯治理路径
经过长时间瓦斯抽采或者排放的废弃煤层，其治理路径类似于低压厚煤层的瓦斯治理路径。但受限于废弃矿井井下普遍少人或者无人的局面，难以更改井下原有抽采方法。故在原有抽采系统中采用负压匹配调控技术，适时提高抽采负压则更为实际。另外，在井上可以利用地面钻井注气驱替，在储碳的同时完成甲烷的合理增产。
未来扩散研究的重点
1）扩散体的力学响应机理仍不完善。
2）目前的各扩散动力学模型多以煤粒总体法（即利用菲克扩散模型对宏观瓦斯解吸曲线进行拟合反演）为依据设定初始与边界条件，缺乏考虑力学效应的体扩散模型。
3）目前在描述瓦斯运移难度时，仍多从基于裂隙开度的渗透率模型出发，缺少适用于扩散主控体的瓦斯抽采评价指标。
05 相关研究拓展阅读
文献来源：
[1]赵伟，王凯，周爱桃，舒龙勇，林海飞，臧杰，徐超，胡彪，涂庆毅．扩散主控型煤层定义、特征及瓦斯促抽路径分析[J/OL]．煤炭学报.
拓展阅读文献：
[1]冯小军，邓狮狮，刘泉霖，王恩元．基于双孔扩散模型的瓦斯扩散系数压力依赖特性数值分析研究[J/OL]．煤炭学报.
[2] 煤孔隙空间几何特征对瓦斯解吸曲线形态的控制机制研究进展[J]. 王凯;赵伟.中国科学基金,2021(06)
[3] 基于流动扩散互竟关系的基质吸附态瓦斯表观扩散系数实验室测定准确性分析[J]. 赵伟;王凯;李成武;鞠杨;刘晨熙;魏诚敏;袁廷璐.煤炭学报,2022(02)
编辑丨湛金飞 重庆大学
审核丨刘苏雨 重庆大学
