煤田地质与勘探

作者：李志强, 张宁超, 陈金生, 陈立伟, 冯文祥, 刘龙威, 王云刚,

关键词：瓦斯, 蒸汽, 温度, 两相渗流, 热应变, 注热,

背景高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法，蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而，蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知，探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。方法采用稳态法进行了煤中注入高温蒸汽的渗流与热应变实验，研究了蒸汽渗透率和煤体热应变随时间的动态变化规律。采用Kelvin毛细凝聚理论、段塞流理论和热应力理论，分别分析了蒸汽在煤中的冷凝相变、脉动渗流和煤体热应变变化机制。结果高温蒸汽注入煤体过程中，随注热时间延长，蒸汽液测渗透率呈间歇性脉动规律。随蒸汽温度升高，脉动峰值降低，周期缩短，脉动更加剧烈。注热过程中，煤体径向、体积应变呈2~3段阶段式膨胀变化。蒸汽温度较低时，轴向应变为压缩应变，而温度较高时，转为膨胀应变。结论蒸汽在煤体微孔隙中的平衡压力小于大空间中的饱和蒸汽压，孔径越小，蒸汽冷凝所需压力越低，也越容易冷凝相变。蒸汽在煤体中产生的气液段塞流是造成其渗透率间歇性脉动的主要原因。此外，高温蒸汽对煤体渗透率还叠加了内外膨胀影响效应，导致大孔渗透率降低，基质小孔渗透率增大。蒸汽注入过程中，前期的快速膨胀应变，主要由孔隙压力控制，中后期的缓慢膨胀应变，主要由升温引起的热应变控制。研究结果为蒸汽热采瓦斯工程和数值模拟提供了事实依据和理论参考。

来源：2025年第5期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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