張遵國(guó)，陳 毅，唐 朝，馬凱欣，張春華

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

煤層CO地質(zhì)儲(chǔ)存與煤層氣強(qiáng)化開采技術(shù)(CO-ECBM)不僅能提高煤層氣采收率，還能起到CO地質(zhì)封存的作用，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要手段。但煤體在吸附CO過(guò)程中會(huì)發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致滲透率減小，影響CO的可注性，進(jìn)而影響CO封存和煤層氣的驅(qū)替效果。由此可知，研究煤體CO吸附/解吸特征及變形特征對(duì)增強(qiáng)煤層CO可注性技術(shù)的發(fā)展和評(píng)價(jià)煤層CO封存技術(shù)的適用性意義重大。而我國(guó)煤炭種類繁多，不同煤階煤體對(duì)CO的吸附能力及膨脹變形特征不甚相同，開展此方面的研究十分必要。

針對(duì)煤體吸附CO膨脹變形特征，國(guó)內(nèi)外研究者開展了大量研究。賀偉等研究了不同煤階煤樣CO吸附特性及煤樣吸附變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO吸附量隨煤階升高而增大，體應(yīng)變量隨煤階升高而減小；而DURUCAN等通過(guò)開展煤樣吸附CO變形試驗(yàn)，提出CO注入引起的基質(zhì)膨脹對(duì)煤的滲透率有嚴(yán)重的影響，并發(fā)現(xiàn)煤的膨脹量隨煤階升高而增大，認(rèn)為這與高煤階煤較大的吸附量有關(guān)；張倍寧等則測(cè)量分析了CO注入儲(chǔ)存過(guò)程中煤體膨脹變形特性，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)存相同量的氣態(tài)CO，貧煤的體積膨脹應(yīng)變>弱黏煤>貧瘦煤。

為定量描述煤的吸附變形特征，業(yè)界學(xué)者建立了大量吸附變形模型。理論推導(dǎo)方面，吳世躍等根據(jù)表面物理化學(xué)和彈性力學(xué)原理，推導(dǎo)了煤吸附膨脹變形理論公式；郭平等、LIU H等基于吸附過(guò)程中煤的表面自由能變化等于煤體彈性能變化的基本假設(shè)，考慮煤樣吸附膨脹作用以及氣體壓力對(duì)煤的壓縮作用兩方面因素，推導(dǎo)了煤體吸附膨脹變形表達(dá)式；但以上推導(dǎo)均是將煤視作各向同性的彈性體，符合胡克定律，且假定煤樣的體積模量或彈性模量為定值。GUO X等、ZHANG X等則從煤的吸附膨脹特性著手，考慮煤樣吸附量對(duì)于膨脹變形的影響，用吸附量乘以變形系數(shù)，得到了表征吸附膨脹與吸附量的關(guān)系模型，但他們均默認(rèn)煤的變形系數(shù)為定值，即認(rèn)為吸附膨脹與吸附量呈線性關(guān)系。試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者則主要采用Langmuir方程描述煤樣的吸附膨脹變形特征；劉延保在Langmuir方程基礎(chǔ)上增加了煤樣解吸過(guò)程的殘余體應(yīng)變，建立了改進(jìn)的Langmuir方程，可以描述煤樣解吸應(yīng)變量與平衡壓力的關(guān)系。

相關(guān)研究表明，原煤吸附/解吸氣體變形具有明顯的各向異性，且煤吸附氣體后力學(xué)強(qiáng)度會(huì)顯著降低，表現(xiàn)為彈性模量減小，與理論模型的假設(shè)條件不符。此外，WANG Z等通過(guò)試驗(yàn)研究提出煤的吸附膨脹與吸附量之間存在多項(xiàng)式關(guān)系，現(xiàn)有理論模型的適用性有待進(jìn)一步研究。

縱觀以上研究成果，吸附膨脹變形與煤階的關(guān)系仍存在爭(zhēng)議，且現(xiàn)有研究大多僅考慮了吸附過(guò)程的變形特征和變形模型，對(duì)解吸過(guò)程的變形特征和變形模型的研究較少，針對(duì)煤樣吸附/解吸變形特征以及變形模型還需進(jìn)一步研究。鑒于此，筆者利用自行研制的煤層高壓吸附/解吸(變形)試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了3種不同煤階原煤等溫吸附/解吸CO過(guò)程中吸附量與變形量同步測(cè)試試驗(yàn)，分析了煤體吸附/解吸CO變形特征及煤體應(yīng)變與吸附量的關(guān)系，建立了應(yīng)變量-吸附量關(guān)系模型以及煤樣吸附/解吸CO變形模型，探討了不同煤階煤CO可注性及CO封存技術(shù)的適用性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)煤樣

煤樣分別取自山西省沁水煤田潞安礦區(qū)常村煤礦3號(hào)煤層(屬古生界二疊系下統(tǒng)山西組)、黑龍江省鶴崗礦區(qū)峻德煤礦17號(hào)煤層(屬中生界白堊系下統(tǒng)石頭河子組)、遼寧省南票礦區(qū)小凌河煤礦主采煤層(屬古生界石炭二疊系含煤地層)，各煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)煤樣工業(yè)分析結(jié)果

利用取心機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)取回的煤塊沿垂直層理方向鉆取出25 mm的煤心，采用切割機(jī)把煤心加工為尺寸約25 mm×50 mm的煤樣后，再用砂紙把煤樣端面打磨平整，制得不同煤階原煤試樣各3個(gè)，如圖1所示。為盡可能減小相同煤階煤樣之間的差異性，同種煤階的煤樣均取自同一煤塊，且為排除水分差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，加工好的煤樣均放入烘干箱以75 ℃烘24 h以上直到煤樣1 h內(nèi)質(zhì)量不變，認(rèn)為煤樣被烘干，然后開展后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)煤樣

1.2 試驗(yàn)裝置

如圖2所示，試驗(yàn)利用自主研制的煤層高壓吸附/解吸(變形)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)高壓容積法測(cè)定煤樣吸附量，通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)定煤樣變形量，從而實(shí)現(xiàn)煤樣吸附量和變形量同步測(cè)試功能。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

1.3 試驗(yàn)流程

吸附/解吸試驗(yàn)參照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》進(jìn)行。首先設(shè)置試驗(yàn)溫度為30 ℃，將煤樣置于樣品罐中，抽真空24 h以上，然后采用高純度He(體積分?jǐn)?shù)99.99 %)標(biāo)定自由空間體積。

采用高純度CO(體積分?jǐn)?shù)99.99 %)作為吸附質(zhì)，按照加壓—平衡—加壓過(guò)程，逐級(jí)提高氣體壓力進(jìn)行吸附，當(dāng)達(dá)到最高試驗(yàn)壓力后按照降壓—平衡—降壓過(guò)程逐級(jí)降低氣體壓力進(jìn)行解吸。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集氣體壓力數(shù)據(jù)，并依據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的煤樣質(zhì)量和試驗(yàn)過(guò)程中采集的氣體壓力數(shù)據(jù)計(jì)算不同平衡壓力下煤樣的CO吸附/解吸量。

試驗(yàn)過(guò)程中，由于煤樣不同和吸附平衡壓力不同，達(dá)到吸附平衡壓力的時(shí)間也不同。當(dāng)30 min內(nèi)氣體壓力波動(dòng)小于傳感器測(cè)量精度(0.01 MPa)時(shí)，認(rèn)為煤樣達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。一個(gè)試驗(yàn)壓力達(dá)到平衡歷時(shí)12～48 h不等，升壓吸附—降壓解吸全過(guò)程試驗(yàn)周期為12～18 d。

此外，通過(guò)在制好的各原煤側(cè)面中部光滑無(wú)明顯裂紋處垂直粘貼2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)，分別測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中煤樣的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 等溫吸附/解吸特征

試驗(yàn)得到煤樣CO等溫吸附/解吸曲線如圖3所示，圖3中實(shí)線為等溫吸附曲線，虛線為等溫解吸曲線。

圖3 煤樣等溫吸附/解吸曲線

已有研究表明，基于微孔填充理論的D-A方程對(duì)CO等溫吸附數(shù)據(jù)的擬合精度最高，更適用于解釋煤中CO的吸附行為。因此，采用D-A方程(式(1))對(duì)各煤樣CO等溫吸附/解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。

(1)

式中，為氣體吸附量，mL/g；為飽和吸附量，mL/g；為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；為熱力學(xué)溫度，K；為平衡壓力，MPa；為氣體的飽和蒸氣壓，MPa；為特征吸附能；為吸附劑結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性系數(shù)。

表2 D-A模型擬合參數(shù)

結(jié)合圖3和表2可以發(fā)現(xiàn)，各煤階原煤CO等溫吸附/解吸特征存在以下規(guī)律：

(1)相同平衡壓力條件下CO吸附量關(guān)系為貧煤>1/3焦煤>氣煤，但飽和吸附量關(guān)系為貧煤>氣煤>1/3焦煤。

(2)不同煤階煤CO等溫解吸曲線均位于等溫吸附曲線上方，存在明顯解吸滯后現(xiàn)象。采用IHI(Improved hysteresis index)吸附/解吸滯后定量評(píng)價(jià)模型(式(2))分析煤的解吸滯后性。

(2)

式中，為實(shí)測(cè)遲滯區(qū)域面積；為理想狀態(tài)完全非可逆遲滯區(qū)域面積；為解吸曲線區(qū)域的面積；為吸附曲線區(qū)域的面積；為理想狀態(tài)完全非可逆吸附區(qū)域面積。

IHI越接近1，解吸滯后性越強(qiáng)。根據(jù)式(2)計(jì)算得出貧煤解吸滯后系數(shù)是19%，1/3焦煤是28%，氣煤是69%，顯然，各煤階煤樣解吸滯后性關(guān)系為：氣煤>1/3焦煤>貧煤。

2.2 等溫吸附/解吸應(yīng)變曲線變化規(guī)律

煤樣等溫吸附/解吸應(yīng)變曲線如圖4所示，圖4中實(shí)線為等溫吸附應(yīng)變曲線，虛線為等溫解吸應(yīng)變曲線。體應(yīng)變由縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

從圖4可以看出，氣煤3吸附過(guò)程各向應(yīng)變與平衡壓力表現(xiàn)出線性關(guān)系(線性擬合精度>0.99)，其他煤樣吸附/解吸過(guò)程各向應(yīng)變與平衡壓力均表現(xiàn)出非線性關(guān)系。相同平衡壓力下，煤吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系整體上表現(xiàn)為：貧煤>1/3焦煤>氣煤，與相同平衡壓力下CO吸附量關(guān)系一致，說(shuō)明吸附量是影響煤吸附/解吸變形的主要因素。

從圖4還可以看出，解吸過(guò)程中，不同煤樣體應(yīng)變曲線同時(shí)存在解吸應(yīng)變滯后和解吸應(yīng)變超前2種現(xiàn)象，并在完全解吸后存在殘余變形和富余變形。其中，解吸應(yīng)變超前現(xiàn)象指解吸體應(yīng)變曲線位于吸附體應(yīng)變曲線下方，相同平衡壓力下解吸過(guò)程體應(yīng)變小于吸附過(guò)程體應(yīng)變；富余變形指完全解吸后煤樣體應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，煤樣體積較原始體積縮小，解吸應(yīng)變滯后和殘余變形則相反。

圖4 煤樣吸附/解吸過(guò)程應(yīng)變-平衡壓力關(guān)系曲線

此外，隨煤階升高，解吸體應(yīng)變曲線逐漸由“滯后”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺啊?。氣?整體表現(xiàn)為解吸應(yīng)變超前，氣煤2和氣煤3則表現(xiàn)為明顯的解吸應(yīng)變滯后；1/3焦煤1和1/3焦煤2表現(xiàn)為解吸應(yīng)變滯后，1/3焦煤3則表現(xiàn)為解吸應(yīng)變超前，但滯后性和超前性都不明顯；3個(gè)貧煤則均表現(xiàn)為解吸應(yīng)變超前。文獻(xiàn)[25]提出吸附態(tài)氣體的解吸滯后性會(huì)導(dǎo)致解吸應(yīng)變滯后特征。如前所述，氣煤、1/3焦煤、貧煤3種煤樣隨煤階升高，解吸滯后性逐漸減弱，促使煤的解吸體應(yīng)變曲線由“滯后”向“超前”轉(zhuǎn)變。

2.3 煤樣變形各向異性特征

采用各向異性系數(shù)(不同平衡壓力下煤樣縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比值)分析各煤樣變形各向異性，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 煤樣各向異性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3中，各向異性系數(shù)為負(fù)值指煤樣在平衡壓力下縱向變形與橫向變形方向相反，即一個(gè)表現(xiàn)為膨脹變形，另一個(gè)表現(xiàn)為收縮變形，多出現(xiàn)在低壓解吸條件下。此外，為降低極端值對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，計(jì)算平均值時(shí)去除最小值和最大值。

由表3結(jié)合圖4可知，多數(shù)情況下，原煤吸附/解吸的縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變(各向異性系數(shù)平均值>1)，但由于原煤具有非均質(zhì)性，不同原煤煤樣內(nèi)部的孔裂隙結(jié)構(gòu)存在差異，力學(xué)性質(zhì)不盡相同，吸附/解吸過(guò)程中同樣存在縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變相差不大(各向異性系數(shù)平均值≈1，例如貧煤1解吸過(guò)程和1/3焦煤2的吸附/解吸過(guò)程)以及縱向應(yīng)變小于橫向應(yīng)變(各向異性系數(shù)平均值<1，例如1/3焦煤1、1/3焦煤3的吸附/解吸過(guò)程以及氣煤2解吸過(guò)程)的現(xiàn)象。

2.4 煤樣變形離散性特征

由2.2節(jié)分析可知，吸附過(guò)程氣煤各向應(yīng)變與平衡壓力同時(shí)存在線性和非線性關(guān)系，且氣煤和1/3焦煤等溫解吸應(yīng)變曲線同時(shí)存在滯后性和超前性2種特征，原煤等溫吸附/解吸應(yīng)變曲線具有離散性特征。因此，采用變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)對(duì)吸附/解吸過(guò)程各平衡壓力下體應(yīng)變的離散程度進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 煤樣吸附/解吸變形離散性特征

由圖5可以看出，吸附過(guò)程，貧煤各平衡壓力下體應(yīng)變量的變異系數(shù)介于1.42%～5.04%，平均值為1.86%；1/3焦煤介于38.61%～51.72%，平均值為42.99%；氣煤則介于1.39%～63.29%，平均值為22.13%。解吸過(guò)程，貧煤各平衡壓力下體應(yīng)變量的變異系數(shù)介于-99.21%～35.85%，平均值為5.97%；1/3焦煤介于-83.07%～42.96%，平均值為39.96%；氣煤則介于-122.53%～684.56%，平均值為43.75%(計(jì)算平均值時(shí)去除了最小值和最大值)。

由此可知，1/3焦煤和氣煤吸附/解吸過(guò)程各平衡壓力下應(yīng)變量差異明顯，離散性大；而貧煤各平衡壓力下應(yīng)變量無(wú)明顯差異，離散性小。此外，從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，隨平衡壓力逐漸增大，吸附/解吸過(guò)程各煤樣應(yīng)變的變異系數(shù)逐漸減小，離散性降低。

3 煤體CO2等溫吸附/解吸變形模型

3.1 體應(yīng)變-吸附量關(guān)系模型

根據(jù)煤樣等溫吸附/解吸過(guò)程體應(yīng)變和吸附量數(shù)據(jù)，得到體應(yīng)變-吸附量關(guān)系如圖6所示，圖6中實(shí)線表示吸附過(guò)程，虛線表示解吸過(guò)程。

圖6 煤樣體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，煤樣吸附/解吸變形與吸附量具有明顯的非線性關(guān)系，且氣煤、1/3焦煤、貧煤3種煤階煤樣體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線隨煤階升高逐漸右移，表現(xiàn)為吸附相同量的CO，煤體產(chǎn)生的體應(yīng)變逐漸減少，煤的膨脹變形能力(單位吸附量下產(chǎn)生的應(yīng)變量，即應(yīng)變量/吸附量)關(guān)系為氣煤>1/3焦煤>貧煤。但從2.2節(jié)分析可知，相同平衡壓力條件下不同煤階煤吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系為：貧煤>1/3焦煤>氣煤，與各煤階煤的膨脹變形能力關(guān)系相反。這是因?yàn)橄嗤胶鈮毫ο赂呙弘A煤CO吸附量更大，導(dǎo)致高煤階煤即使膨脹變形能力較小，但相同平衡壓力下仍具有更大的膨脹變形量。由此可知，煤樣應(yīng)變量由吸附量和膨脹變形能力綜合決定。

煤樣吸附/解吸過(guò)程中的膨脹變形能力曲線如圖7所示。由于完全解吸后煤樣存在富余變形或殘余變形，即煤樣解吸體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線存在截距，導(dǎo)致煤樣膨脹變形能力的計(jì)算值為無(wú)窮大，但該截距對(duì)煤樣解吸體應(yīng)變-吸附量關(guān)系的整體規(guī)律沒有影響。因此，將煤樣完全解吸后的富余變形值或殘余變形值作為常數(shù)項(xiàng)，通過(guò)上下平移解吸體應(yīng)變-吸附量曲線消除截距，以煤樣的富余變形值或殘余變形值作為零點(diǎn)計(jì)算膨脹變形能力。

圖7 吸附/解吸過(guò)程煤樣膨脹變形能力曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，吸附/解吸過(guò)程煤樣的膨脹變形能力并非一個(gè)定值。采用線性函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)等常用函數(shù)對(duì)各煤樣吸附/解吸過(guò)程膨脹變形能力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，二次函數(shù)對(duì)吸附過(guò)程膨脹變形能力數(shù)據(jù)的擬合精度最高(除氣煤1擬合精度為0.95，其余煤樣擬合精度均>0.97)；二次函數(shù)和冪函數(shù)對(duì)解吸過(guò)程膨脹變形能力數(shù)據(jù)均具有較高的擬合精度(所有煤樣的擬合精度均>0.99)，但考慮到解吸是吸附的逆過(guò)程，認(rèn)為吸附/解吸過(guò)程煤樣膨脹變形能力與吸附量的關(guān)系均可以用二次函數(shù)表示：

=+

(3)

=+

(4)

式中，為膨脹變形能力，g/mL；為吸附量，mL/g；為擬合參數(shù)，g/mL；為擬合參數(shù)，g/mL；下腳標(biāo)x和j分別代表吸附過(guò)程和解吸過(guò)程。

進(jìn)而得到吸附過(guò)程應(yīng)變量與吸附量模型為

==+

(5)

式中，為吸附過(guò)程應(yīng)變量，10。

由于完全解吸后煤樣存在富余變形或殘余變形現(xiàn)象，因此解吸過(guò)程應(yīng)變量與吸附量模型應(yīng)在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上加上富余應(yīng)變或殘余應(yīng)變量：

=+Δ=++Δ

(6)

式中，為解吸過(guò)程應(yīng)變量，10；Δ為完全解吸后的殘余應(yīng)變量或富余應(yīng)變量，10。

采用式(5)，(6)分別對(duì)吸附/解吸過(guò)程體應(yīng)變-吸附量關(guān)系曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，均具有較高擬合精度(所有煤樣擬合精度均>0.98)，采用該模型能夠較好反映體應(yīng)變-吸附量關(guān)系，即煤樣吸附/解吸CO過(guò)程中應(yīng)變量和吸附量呈三次函數(shù)關(guān)系。

3.2 吸附/解吸CO2變形模型

煤體吸附/解吸變形是受吸附膨脹和孔隙壓力影響的耦合過(guò)程。但現(xiàn)有理論模型普遍將吸附膨脹作用和孔隙壓力作用導(dǎo)致的變形分開進(jìn)行分析，忽略了2者之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。一方面，氣體吸附會(huì)誘發(fā)煤基質(zhì)產(chǎn)生細(xì)觀損傷，使煤的力學(xué)性質(zhì)劣化，這將導(dǎo)致煤樣受孔隙壓力作用產(chǎn)生的變形更明顯。另一方面，煤樣在孔隙壓力作用下發(fā)生變形也會(huì)改變煤樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)，影響煤樣的吸附量，進(jìn)而影響煤體的吸附變形。而這些復(fù)雜耦合關(guān)系難以通過(guò)常規(guī)測(cè)試手段進(jìn)行量化分析，只能通過(guò)煤樣的應(yīng)變量宏觀反映。

因此，不宜分開討論吸附膨脹作用和孔隙壓力作用導(dǎo)致的變形，需要從整體角度著手，借鑒前人提出的“變形系數(shù)”的思想，采用吸附/解吸過(guò)程膨脹變形能力的變化反映吸附膨脹和孔隙壓力對(duì)于煤樣變形的綜合作用。

基于此，考慮煤樣應(yīng)變量由吸附量和膨脹變形能力綜合決定，將等溫吸附模型(D-A方程)代入應(yīng)變量-吸附量關(guān)系模型，即將式(1)代入式(5)和式(6)，建立樣CO等溫吸附/解吸變形模型如式(7)，(8)所示。

(7)

(8)

為驗(yàn)證本文所建模型的適用性和精確性，采用式(7)和式(8)對(duì)吸附、解吸過(guò)程煤的體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并分別與Langmuir方程(式(9))以及改進(jìn)的Langmuir方程(式(10))試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見表4。

(9)

(10)

式中，為煤吸附氣體后的極限應(yīng)變量，10；為應(yīng)變隨氣體壓力發(fā)生變化快慢的參數(shù)，MPa。

從表4可知，Langmuir方程可以較好反映吸附過(guò)程煤樣應(yīng)變與平衡壓力之間的非線性關(guān)系。但本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吸附過(guò)程煤樣應(yīng)變與平衡壓力同樣存線性關(guān)系，明顯不符合Langmuir方程規(guī)律，采用Langmuir方程描述煤的吸附變形特征具有一定的局限性。對(duì)比而言，式(7)對(duì)吸附過(guò)程各煤樣應(yīng)變數(shù)據(jù)則均具有較高的擬合精度(均>0.99)，適用性較廣。

式(8)和改進(jìn)的Langmuir方程均對(duì)解吸過(guò)程煤樣應(yīng)變數(shù)據(jù)具有較高的擬合精度(均>0.99)。但不論是Langmuir方程還是改進(jìn)的Langmuir方程均是從試驗(yàn)現(xiàn)象角度描述煤樣應(yīng)變量與吸附平衡壓力的關(guān)系，沒有體現(xiàn)吸附量對(duì)煤樣膨脹變形的作用。綜上所述，筆者所建模型適用性較廣，能夠精確擬合煤吸附/解吸CO變形數(shù)據(jù)。

4 討 論

針對(duì)煤吸附CO后發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致煤層滲透率降低的工程難題，實(shí)際生產(chǎn)中通常采用間歇式注入方法提高CO可注性。相對(duì)于持續(xù)注入，CO間歇式注入方式能夠提升CO注入量，是目前生產(chǎn)中用的主要措施。牛慶合通過(guò)開展間歇注入CO的試驗(yàn)，提出在CO停注之后，其壓力會(huì)逐步衰減。而從圖4可以發(fā)現(xiàn)，壓力降低會(huì)導(dǎo)致煤樣發(fā)生收縮變形，進(jìn)而使煤樣因膨脹變形降低的滲透率得到一定程度的恢復(fù)，這是間歇式注入方式能夠提高煤層CO可注性的重要原因。

綜合分析氣煤、1/3焦煤、貧煤3種煤樣的吸附/解吸特征及變形特征，貧煤吸附能力最強(qiáng)，相同吸附量條件下膨脹變形能力最小，CO可注性最高。此外，貧煤等溫解吸應(yīng)變曲線表現(xiàn)出解吸應(yīng)變超前現(xiàn)象，相同平衡壓力下解吸過(guò)程體應(yīng)變小于吸附過(guò)程體應(yīng)變，煤樣較吸附過(guò)程收縮，說(shuō)明貧煤受氣體壓力降低的影響最大，更易發(fā)生解吸收縮變形，進(jìn)而引起煤樣滲透率的改善，更適用于間歇式注入提高煤層可注性技術(shù)。

氣煤吸附能力較低，相同吸附量條件下膨脹變形能力大，會(huì)阻礙后續(xù)CO的注入，可注性較低。但其解吸滯后性最顯著，其不易解吸的特點(diǎn)更利于CO的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。此外，氣煤等溫解吸應(yīng)變曲線存在顯著的解吸應(yīng)變滯后現(xiàn)象，相同平衡壓力下解吸過(guò)程體應(yīng)變大于吸附過(guò)程體應(yīng)變，煤樣較吸附過(guò)程膨脹，氣煤受氣體壓力降低的影響較小，采用間歇式注入提高煤層可注性的效果不明顯。

1/3焦煤相對(duì)其他2種煤樣，不僅吸附能力較低，還具有較強(qiáng)的膨脹變形能力，可注性最差，解吸滯后性也明顯低于氣煤。針對(duì)該種煤樣CO注入和封存的適用性還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行深入考慮。

5 結(jié) 論

(1)3種不同變質(zhì)程度煤均具有解吸滯后特征，且隨煤階升高，煤樣解吸滯后特征減弱，促使煤解吸體應(yīng)變曲線由“滯后”向“超前”轉(zhuǎn)變。

(2)3種不同變質(zhì)程度煤吸附/解吸變形均存在各向異性。氣煤和1/3焦煤吸附/解吸變形離散性大，貧煤離散性小，3種煤樣吸附/解吸變形的離散性均隨著平衡壓力增大而減小。

(3)相同吸附量條件下煤樣吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系為氣煤>1/3焦煤>貧煤，但受吸附量影響，相同吸附平衡壓力條件下煤樣吸附/解吸體應(yīng)變關(guān)系為貧煤>1/3焦煤>氣煤，表明煤樣應(yīng)變量由吸附量和膨脹變形能力綜合決定。

(4)吸附/解吸過(guò)程煤樣的應(yīng)變量和吸附量呈三次函數(shù)關(guān)系，結(jié)合煤的等溫吸附模型(D-A方程)，建立了煤樣吸附/解吸變形模型，能夠精確擬合煤吸附/解吸CO變形數(shù)據(jù)，反映煤樣吸附/解吸變形與吸附量及平衡壓力關(guān)系。

(5)對(duì)比分析3種不同變質(zhì)程度煤的吸附/解吸及變形特征，貧煤CO可注性最好，更適用于間歇式注入提高煤層可注性技術(shù)；氣煤則更利于CO的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。