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原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响褚鹏1，尚德磊1，李建华1，马少明2，朱国栋2，崔鹏飞1(1.深圳大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室，广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，深地科学与绿色能源研究院，广东 深圳 518060；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)摘要:基于保压取心工艺测定煤层瓦斯压力和含量，是实现瓦斯参数快速精准测定的有效方法。瓦斯是一种以甲烷为主的多组分混合气体，煤对于不同气体的吸附能力不同，混合气体中各组分气体分压也存在差异，不同气体组分占比将影响煤层瓦斯含量和压力的测算结果。为实现保压取心煤层原位瓦斯压力的精准测算，采用数值模拟和理论计算相结合，研究气体组分对瓦斯压力测算的影响。通过分析取心器内煤心瓦斯压力演化过程，将多组分气体吸附模型引入瓦斯运移理论，建立考虑多组分气体的双重介质瓦斯压力演化方程，并应用于数值仿真。模拟结果显示，煤心进入岩心筒后裂隙瓦斯压力初始先迅速下降而后逐渐上升，基质瓦斯压力一直缓慢下降，岩心筒内自由空间的瓦斯压力由初始 0.1 MPa 缓慢上升，数小时后 3 个压力平衡，平衡压力远小于煤心原始瓦斯压力；CO2组分对平衡瓦斯压力值的影响最大，当气体为纯 CH4时平衡压力最小。同时，推导了考虑多组分气体的保压取心煤层原位瓦斯压力计算公式，根据设定的平衡压力反算煤层瓦斯压力，理论计算煤层瓦斯压力值与数值模拟数据的对比结果吻合较好，Pearson 相关系数为 99.89%；利用取心器平衡压力反算煤层瓦斯压力时，计算结果随 CO2、CH4组分增加和 N2组分减少而减小，气体为纯 CH4时反算的煤层瓦斯压力值最小。利用保压取心测算煤层原位瓦斯压力时，若不考虑气体组分而以纯 CH4计算，可能会低估煤层瓦斯压力值，尤其是煤层瓦斯压力较大且 CO2气体组分占比高时，误差更大，为准确测算煤层瓦斯压力，应考虑瓦斯气体组分的影响。关键词：保压取心；气体组分；煤层瓦斯压力；瓦斯运移中图分类号：TD712 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)08-0079-09Influenceofgascomponentsonthedeterminationofgaspressureincoalseamsunderin-situpressure-preservedcoringCHU Peng1,SHANG Delei1,LI Jianhua1,MA Shaoming2,ZHU Guodong2,CUI Pengfei1(1.State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering,Guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization,Institute of Deep Earth Sciences and Green Energy,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.CCTEG Xian ResearchInstitute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China)Abstract:Determining the pressure and content of coal seam gas based on pressure-preserved coring is an effectivemethod for quickly and accurately calculating gas parameters.Coal seam gas is a multi-component gas mixture domin-ated by methane.Given that coals show different adsorption capacities for different gases and that the components in themixed gas exhibit different partial pressures,the proportions of gas components can influence the calculation results of 收稿日期:2022-12-09；修回日期:2023-05-16基金项目:国家自然科学基金杰出青年基金项目(52225403)；深圳市杰出青年基金项目(RCJC20210706091948015)；国家自然科学基金青年科学基金项目(52104096)第一作者:褚鹏，1994 年生，男，山东枣庄人，博士研究生，研究方向为深部岩石力学与矿井瓦斯防治.E-mail：通信作者:尚德磊，1989 年生，男，贵州黔西人，博士，副研究员，研究方向为岩石力学与煤层探测及灾害防控.E-mail： 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023褚鹏，尚德磊，李建华，等.原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响J.煤田地质与勘探，2023，51(8)：7987.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0939CHU Peng，SHANG Delei，LI Jianhua，et al.Influence of gas components on the determination of gas pressure in coal seamsunder in-situ pressure-preserved coringJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(8)：7987.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0939the content and pressure of coal seam gas.To accurately determine the in-situ gas pressure in coal seams based on thepressure-preserved coring,this study investigated the influence of gas components on the determination of gas pressureby combining numerical simulation with theoretical calculation.Based on the analysis of the evolutionary process ofcoal-core gas pressure in the coring device,this study introduced an adsorption model for multi-component gas into thegas migration theory.Then,we developed an equation for the evolution of dual-medium gas pressure considering the ef-fects of multicomponent gas and applied this equation to numerical simulation.The numerical simulation results are asfollows:(1)After coal cores entered the core barrel,the gas pressure in fissures decreased rapidly and then increasesgradually,the gas pressure in the matrix decreased slowly,and the free-gas pressure in the core barrel rose graduallyfrom the initial 0.1 MPa.The three pressures reached equilibrium after a few hours,with the gas pressure after equilibri-um being much less than the initial pressure of coal cores.(2)The CO2 component had the greatest impact on the gaspressure after equilibrium,which,however,was the lowest for gas consisting only of pure CH4.Furthermore,this studydeduced an equation for calculating in-situ gas pressure in coal seams based on the pressure-preserved coring that con-siders the effects of multi-component gas.For the gas pressure in coal seams obtained through the reverse calculationbased on the set gas equilibrium pressure,it agreed well with the data from numerical simulation,with a Pearson correla-tion coefficient of 99.89%.For the gas pressure in coal seams determined through the reverse calculation based on theequilibrium pressure in the coring device,it decreased with increased CO2 or CH4 component and decreased N2 compon-ent and reached the minimum for coal seam gas consisting only of pure CH4.Therefore,when determining the in situ gaspressure in coal seams based on pressure-preserved coring assuming that coal seam gas consists only of pure CH4,thedetermined in-situ gas pressure in coal seams may be underestimated,especially in the case of a high proportion of theCO2 component.Therefore,to accurately determine the gas pressure in coal seams,it is necessary to consider the influ-ence of the components of coal seam gas.Keywords:pressure-preserved coring;gas component;gas pressure in coal seams;gas migration 煤炭作为我国的主体能源和一次能源，当前和未来很长的一段时间内在国家经济发展中的战略地位仍不可动摇1-2。随着碳达峰碳中和目标的提出，煤炭将回归高质量发展，由基础能源向保障能源转变3，同时也对煤炭资源开采提出新的要求，煤矿资源绿色、安全、高效开采成为首要目标。瓦斯是煤炭安全开采的重大危险源，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故频发，造成人员伤亡与财产损失4-6。深入认识瓦斯赋存规律和瓦斯动力灾害是防治瓦斯事故，保障煤矿安全生产的重要基础。瓦斯压力是煤与瓦斯突出危险性评价和瓦斯灾害防治措施制定的关键参数，煤层瓦斯压力的准确测定对煤矿安全生产意义重大7。当前煤层瓦斯压力主要采用井下打钻孔直接测定的方法，向煤层内打钻孔后通入导气管并连接压力表，进行封孔测压。直接法对测试地点要求高，且测压周期长、测试成本较高。由于钻孔周围的大量裂隙及现场封孔工艺等问题，封孔不严密造成气体泄漏，常常影响测压结果准确性8。大量学者对封孔材料、工艺技术等不断研究改进9-11，以提高测量结果的准确性。基于煤样取心(密闭取心或保压取心)技术是实现瓦斯压力精准测定的有效方法，众多学者对此进行了大量研究并研发了相关取心设备。孙四清等12设计并试制了“三筒单动、球阀关闭、取心筒与解吸罐一体化”密闭取心器，实现碎软煤层的地面井密闭取心，提高了煤层气含量测试精度。龙威成等13-14研发了适合于煤矿井下煤层长距离瓦斯含量测定的密闭取心装置及技术工艺，实现了煤层钻孔长距离定点密闭取心和瓦斯含量精准测定。刘清泉等15发明一种密闭取心装置，并提出基于压力死空间换算的瓦斯参数检测方法，可实现煤层瓦斯压力与煤层瓦斯含量的精确测量与计算。然而，由于目前煤矿保瓦斯取心装置钻进扰动造成煤样扰动破碎，难以取到完整煤心；且大多装置采用球阀密闭的方式，占据空间较大，瓦斯压力较大时保压效果不好。针对目前取心技术存在的问题，谢和平院士团队16-17提出一种原位保压取心装备与技术，能够实现煤层低扰动保压密闭取心，基于取心煤样利用相应的测算理论和公式可实现煤层瓦斯压力与含量的精准测定。瓦斯是一种以甲烷为主的多组分气体，不同气体分子质量不同，分压存在差异，煤作为一种吸附性材料，对于不同气体的吸附能力也不相同，组分的差异将影响瓦斯含量和压力的计算结果。研究结果显示，煤对二氧化碳的吸附性能最强，甲烷次之，而对氮气的吸附性较小18-20，混合气中各组分气体不会被单独吸附，而是存在竞争吸附21。因此，忽略气体组分将导致在实验室测试中不同气体组分获取的瓦斯压力存在误差。笔者通过分析取心煤样瓦斯运移过程，建立孔隙裂隙双重介质煤体多组分气体瓦斯压力演化模型，并利用数值仿真研究保压取心煤样不同气体组分瓦斯压力演 80 煤田地质与勘探第 51 卷化规律。同时，构建保压取心方法反算煤层原位瓦斯压力的理论计算模型，利用建立的模型分析不同气体组分反算煤层瓦斯压力的差异性，探讨气体组分对保压取心煤层原位压力测算的影响规律，为煤层原位瓦斯压力准确测定提供理论基础。1保压取心煤样多组分气体压力演化模型1.1保压取心瓦斯压力测定技术谢和平院士团队设计提出一种煤矿原位保压取心装置与技术，可实现原位保压保瓦斯取心，消除损失气对其结果准确程度的影响，实现煤层瓦斯含量与压力的精准测定17。已研制的第一代取心装备如图 1 所示，该设备具有低扰动、作业效率高、自触发保压的优势。基于牟合方盖原理设计自触发重力式保压控制器，实现孔底取心后取心器的原位自触发密封保压；设计岩心筒防转机构(由推力轴承组与复合轴承组共同构成)，通过多级逐层削弱扰动降低取心钻进对样品的扰动，同时确保在取心转动过程中取心器仅在轴向运动，周向少甚至不发生旋转；利用中心杆组件连接贯穿整个系统，实现设备关键动作触发、防扭抗扰动、传递等功能。该装备优先应用于水平钻孔或垂直钻孔取心，利用设备取心与瓦斯压力测定流程如下。保压控制器保压内舱 复合轴承(防转)推力轴承(防转)弹卡机构取心器外筒中心杆组件(a)取心器结构原理(b)取心器实物图 1 煤层保压取心器Fig.1 Coal seam pressure-preserved coring device(1)取心钻进。首先用常规钻杆和钻头打钻至目标煤层的取心位置，退出钻具，将装配好的保压取心器及配套钻杆安装至钻机，将取心器送至孔底，继续钻进钻取煤心(本文取煤心长度 350 mm)。(2)取心器回收。钻取煤心后提钻约 500 mm 拉断煤心，将打捞器从钻杆内送入孔底与中心杆后端的部件连接，提拉打捞器触发保压控制器动作使取心器的岩心筒密闭。退出钻杆将取心器提出孔口并运至地面。(3)压力测定与计算。检查取心器的密闭性，确认无漏气后，观测取心器上压力表的读数并持续监测记录，直到取心器内瓦斯压力达到平衡，根据记录数据计算煤层原位瓦斯压力。1.2煤心瓦斯压力演化模型 1.2.1 物理模型煤层瓦斯是以甲烷为主的多组分气体，还包括二氧化碳、氮气和少量的烃类气体等。瓦斯主要吸附于煤基质孔隙中，少量以游离态存在于孔隙和裂隙中，原始煤层吸附瓦斯与游离瓦斯处于平衡状态。煤心进入取心器后，保压控制器闭合。由于岩心筒体积大于煤心体积，岩心筒内除煤心占据的体积外还有一部分自由空间。岩心筒内的初始气体压力远小于煤心瓦斯压力，故煤心瓦斯向自由空间流动，使自由空间的瓦斯压力不断增大。瓦斯在煤心中的流动为解吸扩散渗流的过程22，如图 2 所示。为建立煤心瓦斯压力演化模型，基于以下假设：(1)煤为孔隙裂隙双重介质，各向同性；(2)瓦斯在孔隙中为单层吸附，吸附量符合Langmuir 定律；(3)瓦斯压力平衡是等温的过程；(4)瓦斯在孔隙中扩散符合第一菲克定律，在裂隙中渗流符合达西定律。裂隙基质瓦斯气体分子煤心孔隙基质与裂隙孔隙宏观微观图 2 煤心瓦斯流动物理模型Fig.2 Physical model of gas flow in coal cores 1.2.2 数学模型1)多组分气体吸附方程基于单分子层吸附理论的 Langmuir 模型形式简单、物理意义明确，广泛应用于瓦斯煤吸附，对 Lang-muir 方程进行修改可得到多相混合气体吸附模型23-24：Vi=VLibipi1+ni=1bipi(1)ViVLi式中：为气体组分 i 的吸附量，m3/t；为组分 i 的第 8 期褚鹏等：原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响 81 bipipi=ip piLangmuir 体积，m3/t；为组分 i 的 Langmuir 压力倒数，MPa1；n 为气体组分个数；为组分 i 的分压，MPa，为总气体压力，MPa，为组分 i 的摩尔分数。2)基质瓦斯压力演化方程煤基质中的瓦斯流向裂隙系统，单位时间内煤基质瓦斯质量变化量即为流向裂隙的瓦斯质量，根据质量守恒方程有25：mmt=QS(2)mmQS式中：为单位体积煤基质中的瓦斯质量，kg/m3；t 为时间，s；为单位体积煤基质同裂隙系统的质量交换率，kg/(m3s)。多相混合气体吸附瓦斯量根据式(1)计算，游离瓦斯根据理想气体状态方程计算，则单位体积煤基质中的多相混合气体瓦斯含量为：mm=ni=1VLiipmpm+ipLiMiVMc+mni=1MiRTipm(3)pLipmMicVMRTm式中：为 Langmuir 压力，MPa；为孔隙内瓦斯压力，MPa；为组分 i 的摩尔质量，kg/mol；为煤体视密度，kg/m3；为气体摩尔体积，m3/mol；为理想气体常数，J/(molK)；为煤层温度，K；为孔隙率，%。基质中的气体扩散由浓度梯度驱动，根据理想气体状态方程将其转化为用压力表示，基质与裂隙瓦斯质量交换的拟稳态扩散方程为：QS=Dcni=1iMiRT(pm pf)(4)Dcpf式中：为扩散系数，m2/s；为基质形状因子，m2；为裂隙中瓦斯总压力，MPa。将式(3)和式(4)代入质量守恒式(2)，得到基质内多组分气体瓦斯压力演化方程：ni=1VLiipLi(ipLi+pm)2MiVMc+mni=1iMiRTpmt=Dcni=1iMiRT(pm pf)(5)3)裂隙瓦斯压力演化方程根据质量守恒定律，裂隙瓦斯单位时间的质量变化量为裂隙流到岩心筒内的瓦斯与基质中流入裂隙的瓦斯质量和，有25：mft=(fvf)+QS(6)mffvf式中：为单位体积煤体裂隙瓦斯质量，kg/m3；为裂隙中瓦斯密度，kg/m3；为裂隙中瓦斯流动速度，m/s。单位体积煤体裂隙中的游离瓦斯质量为：mf=ff(7)f%式中：为煤体裂隙率，。游离瓦斯密度由气体状态方程计算：f=ni=1iMiRTpf(8)裂隙瓦斯流动速度根据达西定律计算：vf=kpf(9)k式中：为渗透率，m2；为甲烷动力学黏度，1.08105 Pas。将式(4)和式(7)式(9)代入质量守恒式(6)，得到裂隙中多组分气体瓦斯压力演化方程：fni=1iMiRTpft=ni=1iMiRTpfkpf+Dcni=1iMiRT(pm pf)(10)2数值模拟与分析2.1几何模型与参数为分析煤心进入岩心筒保压控制器闭合后瓦斯压力的演化规律，建立几何模型如图 3 所示。取心器内部结构复杂，为建模的方便简化为岩心筒和煤心两部分构成，岩心筒尺寸为52 mm400 mm，煤心尺寸为50 mm350 mm。煤层瓦斯压力与地质条件有关，根据当前开采条件下我国煤层瓦斯压力通常不超过3 MPa，且大多在 2 MPa 以下，本文设置煤心初始瓦斯压力为 2 MPa，边界为自由流动。岩心筒内初始气体压力为 0.1 MPa，四周为无流动边界。模型采用结构化网格进行划分，网格质量高，且减少计算量。模拟所用参数见表 1。模拟工况见表 2，将 7 个案例分为 4 组，第一组案例 1、2、3 固定 CH4组分含量不变，改变 CO2和 N2组分占比；第二组案例 1、4、6 固定 CO2组分含量不变，网格剖分岩心筒0.35 m0.40 m煤心自由空间网格质量/11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10无流动自由流动图 3 几何模型与边界条件Fig.3 Geometric model and its boundary conditions 82 煤田地质与勘探第 51 卷改变 CH4和 N2组分占比；第三组案例 3、5、6 固定 N2组分含量不变，改变 CH4和 CO2组分占比；第四组案例 7 为纯 CH4气体作为对照组。2.2瓦斯压力演化模拟结果 2.2.1 瓦斯压力演化规律以案例 1 为例分析瓦斯压力演化规律，煤心基质、裂隙瓦斯压力及岩心筒内游离瓦斯压力分布如图 4 所示。图中横轴 0 min 指取心完成时刻，即样品进入岩心筒并完成密闭时。初始时刻煤心瓦斯压力较高，岩心筒自由空间瓦斯压力为 0.1 MPa，10 min 时，煤心裂隙瓦斯压力降到较低值，而基质瓦斯压力仍较高，这是由于裂隙瓦斯渗流速率较大可很快流到岩心筒内的自由空间，而基质瓦斯扩散速率小，基质瓦斯未能快速解吸扩散到裂隙。此时裂隙瓦斯压力分布不是完全均匀，说明裂隙瓦斯渗流也存在时间效应。而后裂隙瓦斯压力逐渐上升，基质瓦斯压力下降，岩心筒内自由空间瓦斯压力逐渐上升，此时基质瓦斯开始对裂隙和岩心筒 表1模拟参数Table1Parametersfornumericalsimulation参数数值煤样裂隙率f/%1.2煤样孔隙率m/%6煤样渗透率k/m21.97105温度T/K293扩散系数D/(m2s1)11011基质形状因子c/m25106理想气体常数R/(Jmol1K1)8.314瓦斯动力学黏度/(Pas)1.08105气体摩尔体积VM/(Lmol1)22.4CH4分子质量M1/(gmol1)16CO2分子质量M2/(gmol1)44N2分子质量M3/(gmol1)28煤的视密度c/(kgm3)1 280甲烷Langmuir体积VL1/(m3t1)72.580二氧化碳Langmuir体积VL2/(m3t1)34.562氮气Langmuir体积VL3/(m3t1)13.642甲烷Langmuir压力pL1/MPa1.196二氧化碳Langmuir压力pL2/MPa0.716 3氮气Langmuir压力pL3/MPa1.880注：f、m、k、T数据基于文献26，D基于文献27，c基于文献28，c、气体Langmuir体积与压力数据基于文献24，其余参数为理想常数。表2数值模拟案例 Table2Numericalsimulationcases%案例CH4占比CO2占比N2占比160103026020203603010470102057020106801010710000 01030120906018024030020600瓦斯压力/MPa裂隙与自由空间瓦斯压力基质与自由空间瓦斯压力平衡时间/min0.10.81.21.00.60.40.21.61.41.82.0图 4 瓦斯压力分布Fig.4 Equilibration time-varying gas pressure distribution第 8 期褚鹏等：原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响 83 内游离瓦斯压力进行补充，模拟煤样在 300 min 时瓦斯压力基本达到均衡。为定量化分析瓦斯压力演化规律，提取煤心中心点的基质与裂隙瓦斯压力、岩心筒自由空间的瓦斯总压力及各组分气体压力随时间演化过程如图 5 所示。初始时刻煤心裂隙瓦斯压力迅速下降，10 min 内从初始 2.00 MPa 降低到 0.66 MPa。此时，基质瓦斯在压力差的作用下解吸扩散到裂隙中，裂隙瓦斯压力开始逐渐上升，上升速率逐渐降低，160 min 上升到最终平衡压力的 90%。由于扩散速率缓慢，基质瓦斯压力下降较慢。岩心筒自由空间的瓦斯压力自初始时刻从0.1 MPa逐渐上升，200 min 前其压力值小于裂隙瓦斯压力值，200 min 后两者基本一致，但均小于基质瓦斯压力值。最终三者压力平衡，平衡压力约为煤心初始压力的 83%，达到平衡的时间约为 6 个小时。压力演化过程中，煤心基质瓦斯的减少量等于裂隙瓦斯和取心器自由空间瓦斯增加量，整个系统的瓦斯质量守恒。压力平衡时间主要受瓦斯在基质中的扩散速率控制，而扩散特性与煤心的结构及孔隙发育程度等相关，不同煤样的压力平衡时间可能因其孔隙结构差异有所不同。此外，取心器内的瓦斯的平衡时间(数小时)远小于井下直接法测定瓦斯压力的平衡时间(数天到数月)，这也体现保压取心方法可快速测定瓦斯压力的优势。2.2.2 不同气体组分瓦斯平衡压力差异图 6 为不同工况下岩心筒内瓦斯压力演化规律图。图 6a 显示当 CH4组分不变，随着 CO2占比增加和N2占比减少，平衡瓦斯压力增大；图 6b 显示当 CO2组分不变，CH4占比增加和 N2占比减少时，3 种工况的平衡瓦斯压力几乎无差别；图 6c 显示当 N2组分不变，随着 CH4占比增加和 CO2占比减少，平衡瓦斯压力减 10020030040050060000.30.60.91.21.51.82.1瓦斯压力/MPa时间/min(a)煤心基质、裂隙及自由空间瓦斯压力煤心基质瓦斯压力煤心裂隙瓦斯压力自由空间瓦斯压力总压力CH4分压CO2分压 N2分压 10020030040050060000.30.60.91.21.51.82.1气体压力/MPa时间/min(b)自由空间各组分气体分压及总压力图 5 瓦斯及各组分气体压力随时间演化Fig.5 Time-varying pressures of gas and its various components 10020030040050060000.30.60.91.21.51.8瓦斯压力/MPa时间/min(a)CH4组分不变,CO2占比增加,N2占比减少 案例1 案例2 案例3 案例710020030040050060000.30.60.91.21.51.8瓦斯压力/MPa时间/min(b)CO2组分不变,CH4占比增加,N2占比减少 案例1 案例4 案例6 案例710020030040050060000.30.60.91.21.51.8瓦斯压力/MPa时间/min(c)N2组分不变,CH4占比增加,CO2占比减少 案例3 案例5 案例6 案例7图 6 不同气体组分下岩心筒自由空间瓦斯压力演化Fig.6 Time-varying pressure of free gas in the core barrel underdifferent gas components 84 煤田地质与勘探第 51 卷小；所有工况中，气体组分为纯 CH4时(案例 7)的瓦斯压力最小。以上结果说明，混合气体中 CO2对平衡瓦斯压力影响较大，N2影响较小，CO2含量越高平衡压力越大。众多研究结果证实煤对 CO2的吸附能力强于对甲烷的吸附18-20；当多组分气体中 CO2含量较大时，煤对甲烷的吸附量降低，模型中 CO2的吸附体积大于 CH4的吸附体积，因此，计算结果呈现 CO2组分影响较大。利用保压取心方法计算煤层瓦斯压力时应考虑气体组分，尤其是 CO2组分的影响。平衡后岩心筒内总压力及各组分气体分压如图 7所示，案例 1案例 6 岩心筒内平衡瓦斯压力分别为1.656、1.696、1.716、1.662、1.699、1.662 MPa，为原始瓦斯压力的 82.79%85.78%，案例 3 的平衡压力最高。当气体为纯甲烷时平衡压力最小，为 1.533 MPa，是原始瓦斯压力的 76.67%，与案例 3 相差 0.183 MPa，忽略气体组分时平衡压力值偏小。案例1 案例2 案例3 案例4 案例5 案例6 案例700.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0模拟工况压力/MPa总压力 CH4分压 CO2分压 N2分压1.65682.79%1.69684.81%1.66283.11%1.66283.11%1.69984.84%1.71685.78%1.53376.67%0.9931.0180.9970.9971.0191.0290.1660.4970.5090.1690.1660.4990.1660.4990.1700.5100.1720.515图 7 不同模拟方案下各组分气体平衡压力Fig.7 Equilibrium pressures of various gas components under different simulation schemes 3不同气体组分下煤层原位瓦斯压力计算3.1煤层原位瓦斯压力计算原理原始煤层中包含吸附瓦斯与游离瓦斯，瓦斯总量为孔隙与裂隙瓦斯的总和，孔隙中的吸附瓦斯与游离瓦斯质量根据式(3)计算，裂隙中的游离瓦斯质量可根据式(7)和式(8)计算，则初始状态取心煤样中总的瓦斯质量为：W1=Wm1+Wf1=Vcni=1VLiipmpm+ipLiMiVMc+mni=1MiRTipm+fni=1MiRTipf(11)Wm1Wf1Vc式中：煤心孔隙初始瓦斯质量，kg；为煤心裂隙初始瓦斯质量，kg；为煤心体积，m3。基质与裂隙瓦斯初始处于平衡状态，压力值相等，则式(11)表示为：W1=Vcni=1VLiip1p1+ipLiMiVMc+Vcni=1MiRTip1(12)p1式中：为煤心初始瓦斯压力，等同于煤层瓦斯压力，MPa；为煤样总的孔隙率，%。当取心器内瓦斯压力平衡后，瓦斯总质量为煤样中吸附瓦斯、煤样中游离瓦斯及岩心筒内游离瓦斯总和：W2=Vcni=1VLiip2p2+ipLiMiVMc+(VconVc+Vc)ni=1MiiRTp2(13)p2Vcon式中：为岩心筒内平衡瓦斯压力，MPa；为岩心筒内部空间体积，m3。根据瓦斯质量守恒，平衡后总瓦斯质量与初始状态瓦斯质量相等，即：W1=W2(14)p2p1取心后持续监测取心器内瓦斯压力的变化，根据平衡后的压力可求得煤层原位瓦斯压力。3.2不同气体组分瓦斯压力测算结果差异性规律首先将理论计算与数值模拟结果进行对比。数值模拟是利用式(5)和式(10)模拟取心器内瓦斯压力平衡的过程，获得平衡时岩心筒内的压力值，分别设置煤心初始瓦斯压力 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa。理论计算则相反，是根据岩心筒内平衡瓦斯压力，利用式(12)式(14)反算煤层原始瓦斯压力，设置岩心筒平第 8 期褚鹏等：原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响 85 衡压力值分别为 0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。结果如图 8所示，可以看出，理论计算值与数值模拟结果吻合较好，数值模拟中煤心瓦斯初始压力 3.0 MPa 时平衡压力为2.06 MPa，理论计算中设定平衡压力 2.0 MPa 时推算煤层原位瓦斯压力为 2.91 MPa；整体上理论计算与模拟结果 Pearson 相关系数为 99.89%，验证了模型的可靠性。00.51.01.52.000.51.01.52.02.53.0数值模拟煤心初始瓦斯压力(数值模拟)/MPa平衡瓦斯压力(数值模拟)/MPa01.02.03.0理论计算反算煤层瓦斯压力(理论计算)/MPa00.40.81.21.62.0取心器平衡压力(理论计算)/MPa图 8 数值模拟与理论计算瓦斯压力Fig.8 Comparison of gas pressure derived from numericalsimulation and theoretical calculation 进一步对比不同组分气体反算煤层原位瓦斯压力的差异，如图 9 所示，当设定的岩心筒内平衡压力值为 2.0 MPa 时，案例 1、2、3 推算煤层原位瓦斯压力分别为 3.947、3.761、3.410 MPa，随 CO2增加和 N2减少，煤层原始瓦斯压力降低；案例 1、4、6 推算压力值分别为 3.947、3.694、3.429 MPa，随 CH4增加和 N2减少，煤层原始瓦斯压力降低；案例 3、5、6 推算值分别为3.410、3.515、3.429 MPa，瓦斯压力值相差较小。案例7 纯 CH4时推算煤层原始瓦斯压力仅为 2.917 MPa，与案例 1(混合气体最大值)相差 1.030 MPa，与案例 3(混合气体最小值)相差 0.493 MPa。根据以上结果可知，保压取心反算煤层原位瓦斯压力时，若忽略气体组分，以纯甲烷作为计算，会使计算值偏小，造成煤层原始瓦斯压力的低估，尤其在瓦斯压力本身较大，且气体中 CO2含量较高时，差值较大，从而对瓦斯治理和瓦斯灾害防控产生重大影响。因此，在测算煤层原位瓦斯压力时，应考虑瓦斯的气体组分，先测定瓦斯中主要气体成分及占比，以及煤样对各组分的气体吸附参数，根据具体气体组分计算煤层瓦斯压力，从而精确计算煤层原位压力。4结论a.在相同初始瓦斯压力下，保压取心器内平衡瓦斯压力随气体中 CO2占比增加和 N2占比减少而增大，随 CH4占比增加和 CO2占比减少而减小，随 CH4占比增加和 N2占比减少平衡压力无明显差别，纯 CH4时平衡压力最小；多组分气体中 CO2对平衡瓦斯压力的影响较大，N2的影响较小。b.推导了考虑多组分气体的保压取心煤层原位瓦斯压力计算公式，根据设定的平衡压力反算煤层原始瓦斯压力，理论计算结果与数值模拟结果吻合较好，Pearson 相关系数为 99.89%，验证了模型的可靠性。c.利用理论方法计算煤层原位瓦斯压力时若忽略气体组分以纯甲烷计算，会导致计算结果偏小；基于以上结果，利用保压取心方法计算煤层原始瓦斯压力计算时应考虑不同组分气体的影响。参考文献(References)谢和平，吴立新，郑德志.2025年中国能源消费及煤炭需求预测J.煤炭学报，2019，44(7)：19491960.XIE Heping，WU Lixin，ZHENG Dezhi.Prediction on the en-ergy consumption and coal demand of China in 2025J.Journalof China Coal Society，2019，44(7)：19491960.1 中国工程院“能源中长期发展战略研究”项目组.中国能源中长期(2