摘要：流体置换是开采地质能源（GeoEnergy）的基本过程，而煤层注水强化瓦斯抽采则是煤矿瓦斯抽采和消除煤与瓦斯突出危险性的一种重要手段。尽管目前的研究表明煤本身中存在的水分可以大幅度降低瓦斯的吸附能力，注入的液态水水如何影响煤中吸附态和游离态的瓦斯含量还不是很清楚。本研究通过一种巧妙的实验设计，实现了煤层等压注水，可以模拟矿井条件下煤层的注水过程，并揭示注入液态水影响煤中吸附态和游离态瓦斯的机理。

研究结果表明：（1）液态水可以置换煤中的吸附态瓦斯。注入的液态水通过毛细管效应（capillary effect）和涂层模式的优先流（preferential flow in a coating mode）两种不同方式来置换煤中吸附态瓦斯。（2）相同吸附平衡压力条件下，注入水分越多，液态水置换的吸附瓦斯也越多。对于实验煤样，当注入水量达到9%时，大部分吸附态瓦斯已经被置换；当注水量超过9%，继续注水已经不能起到置换吸附态瓦斯的作用。（3）瓦斯吸附平衡压力越高，相同注入水分条件下，液态水置换的吸附态瓦斯越多，这是由于吸附态瓦斯的密度随着压力的升高而增加。

工程应用：该试验结果对于煤层注水强化瓦斯抽采和消突具有指导意义。对于渗透率很高的煤层，注水可以实现置换吸附态瓦斯和驱替游离态瓦斯的作用，从而降低煤层瓦斯含量，增强瓦斯抽采效果。对于渗透率很低的煤层，注水同样能实现置换吸附态瓦斯和驱替游离态瓦斯的作用，但是却会造成局部瓦斯集聚效应，形成高压瓦斯区，导致工作面瓦斯超限甚至诱导煤与瓦斯突出。因此，对于低渗煤层，在注水影响区域内，需要合理布置瓦斯排放孔，预防局部瓦斯集聚效应及高压瓦斯区域的形成。

文章主要研究结果：

图1 不同瓦斯吸附平衡压力和不同注水量条件下，吸附态瓦斯被液态水置换，引起测试腔体压力升高。这也是液态水置换吸附态瓦斯的直接证据。需要说明的是：（1）试验设计排除了注入水体积引起的腔体压力升高；（2）煤吸水引起的煤膨胀变形量很小，对腔体压力升高的贡献作用可以忽略不计。

图2 注入液态水置换吸附态瓦斯的两种不同模式：（a）毛细管效应，（b）涂层模式的优先流。简单的来说，毛细管效应在高注水量和微孔及中孔起主导作用，涂层模式的优先流则在低注水量和大孔起主导作用。

图3 （a）高渗透性煤层，注入液态水可以置换吸附瓦斯并驱赶游离态瓦斯，达到降低煤层瓦斯含量的作用。

（b）低渗透煤层，注入液态水置换并驱赶游离态瓦斯，导致高压瓦斯包的形成。

（c）在注水影响区域内设置瓦斯排放钻孔，从而避免高压瓦斯区域的形成。

Wang, Z., Su, W., Tang, X., & Wu, J. (2018). Influence of water invasion on methane adsorption behavior in coal. International Journal of Coal Geology. https://doi.org/10.1016/j.coal.2018.08.004.

具体文章见附件:

Influence of water invasion on methane adsorption behavior in coal.pdf

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166516218302416