我国埋深2 000 m以浅煤层气地质资源量约36.81×1012m3，居世界第 3 位[1]，但由于开发起步晚，煤层地质条件复杂，具有“三低一高”（低饱和度、低渗透性＜1×10-3μm2、低储层压力、高变质程度）的特点，国外众多开采技术引进到我国并不能达到预期效果，传统水力压裂开采效果也并不理想[2]。针对这一问题，目前国内外开展了一系列实验研究，主要向煤岩注入非烃气体，驱替置换煤层气，此举已取得一系列重要成果[3-10]。研究表明，气驱煤层气主要利用其吸附作用和分压作用，煤对气体的吸附性CO2＞CH4＞N2，但驱替渗透率却与煤对气体的吸附性相反，因此，单纯考虑1种气体驱替置换开采煤层气并不能普遍适合我国低渗透煤层，如何结合N2和CO2各自的优点因地制宜开采煤层气才是真正适合我国煤层气开采的关键。

1)试验件几何形貌测量：轴压屈曲试验前，对试验件的几何形貌进行测量。测量方法：把激光位移传感器调到合适的位置固定在屈曲平台的旋转框架上，通过步进电机带动旋转框架绕试验件做圆周运动，多次测量得到试验件外围形貌数据。

研究通过对填砂管中煤样进行注N2、CO2和3种不同比例混合气（CO2∶N2=1∶1，CO2∶N2=1∶4，CO2∶N2=1∶9）以连续和间歇2种方式驱替煤岩CH4实验，真实地模拟煤层气驱替开采过程，从驱替效率、驱替置换比和驱替渗透率3方面综合分析研究，以期对现场提高煤层气采收率工艺技术提供参考。

1 室内物理模拟

1.1 注气置换煤层气基本原理

煤对气体的吸附性 CO2＞CH4＞N2。CO2到达煤体表面时，吸附能大于CH4吸附能，与煤体表面结合的能力更强，可将CH4分子置换出它的吸附位，发生分子置换[11]。N2进入煤层通过分压作用，达到新的压力平衡，促使CH4解吸，N2也可使煤层渗透率变大，利于煤层气渗流到井口[12]。

1.2 实验样品准备

实验煤样取自彬长矿区，选取物性好的煤岩进行砸碎研磨，筛选出不同目数（10～120目（120～1 700 μm））的煤粒按一定比例混匀，调节液压仪至30.0 MPa，把混合均匀的煤样压实到长1.00 m、直径0.04 m的填砂管中，测出填砂管中煤岩渗透率为2.5×10-3μm2。

1.3 驱替方式

N2、CO2和 3 种不同比例混合气 （CO2∶N2=1∶1，CO2∶N2=1∶4，CO2∶N2=1∶9） 共 5 种气体采用连续注气（控制注气压力）和间歇注气（控制段塞量和间歇时间）2种不同注气驱替方式。

1.4 实验步骤：

首先，研究了5种气体连续恒压驱替效率（图1），N2、CO2和不同比例混合气连续恒压驱替时，随着驱替压力增加，N2驱替效率先增后减，3.5 MPa时驱替效率最高，因为当压力小时，N2流动速度慢，分压效果不好，当压力过大时，由于CH4吸附性大于N2，更多的CH4吸附在煤体表面，不利于CH4解吸；CO2随驱替压力增加，驱替效率一直增加，且增加明显，因为CO2吸附性强于CH4，压力越大，竞争吸附越明显，越有利于CH4解吸；3种混合气驱替效率居于N2和CO2之间。

N2恒压连续和间歇驱替置换比如图6。N2恒压驱替置换比总体小于间歇驱替，则N2恒压驱替置换率高于间歇驱替，随着压力增大，驱替置换比越来越大，驱替置换率越来越小。N2主要由于分压作用置换驱替CH4，恒压驱替时，CH4可以及时被驱替出，而间歇驱替时，分压置换的CH4不能被及时驱替出，造成新的吸附平衡，所以需要更多N2。

[5]A report by domestic news portal guancha.cn suggested on Thursday that a railway route along the eastern part of Pakistan was the most feasible as the railway artery of the CPEC.

3种不同比例混合气2.5 MPa时恒压和间歇驱替置换比如图8。混合气驱替时，同一间歇时间下，混合气中N2含量越高，置换比越高，CH4置换率越低；同一种混合气，间歇驱替和恒压驱替置换比相差不大，因为CO2利用本身强吸附性置换解吸出CH4，使CH4很难重新吸附到煤体中，恒压和间歇驱替的CH4都可以顺利被采出。

4）注气驱替煤样中CH4气体，利用排水采气法收集气体，用潜水泵把气体压入气体采样袋中。

5）使用便携式气相色谱仪测量气体组分，计算驱替出CH4体积。

6）改变气体种类以及驱替方式，重复实验。

2 实验结果与分析

2.1 驱替效率实验结果与分析

1）设置恒温箱温度为33℃，整个实验在恒温中进行。

N2连续恒压驱替和间歇2 h驱替效率对比如图2。N2恒压驱替效率一直高于间歇驱替，N2恒压驱替明显好于间歇驱替，原因是煤对CH4的吸附性强于N2，间歇驱替平衡后部分CH4又重新吸附到煤体上，而连续恒压驱替可以把解吸出的CH4及时携载采出。

  

图1 不同气体恒压驱替压力-驱替效率对比图

  

图2 N2连续和间歇驱替压力-驱替效率对比图

N2和CO2驱替压力为4.5 MPa时恒压和间歇驱替效率对比如图3。N2间歇驱替效率低于恒压驱替，CO2间歇驱替效率高于恒压驱替；同一压力下，N2间歇驱替效率整体低于CO2，且间歇时间越久，N2驱替效率越低，CO2驱替效率越高，因为吸附性CO2＞CH4＞N2，间歇时间越久，煤岩孔隙中气体竞争吸附越久，置换作用越明显。

N2和CO2注气压力为4.5 MPa时，恒压驱替和间歇驱替置换比如图7。N2间歇驱替置换比高于恒压驱替置换比；CO2驱替置换比变化不大，恒压驱替置换比略高于间歇驱替置换比，因为恒压驱替时，少量CO2还没有来得及吸附在煤体上已被驱替出，而间歇驱替时，CO2有充足的时间发生竞争吸附置换CH4。N2间歇驱替置换比高于恒压驱替置换比，CO2驱替置换比远小于N2，即CO2置换效率远高于N2。

  

图3 N2和CO24.5 MPa恒压和间歇驱替时间-驱替效率对比图

3种不同比例混合气2.5 MPa时恒压和间歇驱替效率如图4。混合气恒压驱替效率低于间歇驱替；混合气间歇驱替时，随着间歇时间增加，3种混合气驱替效率小幅增加；混合气中N2含量越高，间歇驱替效率越低。混合气间歇驱替时，3种气体在煤基质和孔隙中同时发生竞争吸附作用，CO2强吸附性起到置换CH4的主要作用，导致同一种混合气体，间歇时间不同，驱替效率变化幅度不大；N2分压解吸起到置换CH4次要作用。

3）填砂管中煤样通过中间容器饱和2.5 MPa CH4气体12 h，计算煤样中CH4体积。

  

图4 不同比例混合气间歇驱替时间-驱替效率图

2.2 驱替置换比实验结果与分析

5种气体恒压驱替置换比如图5。置换比：CO2＜混合气（CO2∶N2=1∶1）＜N2＜混合气（CO2∶N2=1∶4）＜混合气（CO2∶N2=1∶9），CO2驱替置换比最小，且压力对其置换比影响不大，混合气（CO2∶N2=1∶9）置换比最高，N2处于5种气体置换比中间位置；置换比越小，置换效率越高，则置换效率：CO2＞混合气（CO2∶N2=1∶1）＞N2＞混合气（CO2∶N2=1∶4）＞混合气（CO2∶N2=1∶9）。

  

图5 不同气体恒压驱替置换比图

2）填砂管抽真空24 h。

  

图6 N2恒压连续和间歇驱替置换比图

学生讲坛的开展之所以受到同学们的热烈欢迎，是因为它鼓励学生把读书变成一种内需，一种思考，让学生体验到和他人交流与分享的快乐，提升了学生的自信心，培养了公众演讲力，更重要的是，他们会更加热爱阅读，他们会把读书当成生活中最快乐的事。

  

图7 N2和CO24.5 MPa恒压和间歇驱替置换比图

在社会快速发展的背景下，土工合成材料已经在高架公路桥头路基工程中得到普及应用，其也被称为加筋土法。在高架施工建设的过程中，经常会应用到加筋地基法，还会使用到加固填筑法。加固填方法在桥头路基当中使用加筋材料进行平铺，合理应用路基土体与加筋材料间存在的拉力，尽量的延长桥头沉降发生的时间，促使填土稳定性的有效提高。加筋地基法则是需要适当的清除局部深度的路基土，再使用具有较强承载力与稳定性的填料回填，然后进行平铺土工合成材料，构成一定的地基持力层，提升高架桥头路基的稳定性。

六、药物防治：1.四月初打一遍清园药，要打的全，药量要大，目的是要杀死越冬的害虫，以及病原菌等，打药时不仅要树上树下一起打，地面杂草也要打到。2.花芽露红时，在四月中旬，进行打药，防治蚜虫.小卷叶蛾等。3.套袋前也打好药，这时要注意药的浓度，以免烧伤花，4.套袋后也要打药，套袋后打一遍，要打的浓，以后每隔20天打一次，再打三次。5.光杆药，入冬后再打一遍药，俗称光杆药，打好光杆药是全年病虫害防治的措施之一，在苹果树上越冬的害虫有红蜘蛛.小卷叶蛾等，因此，这时候打药非常必要。

2.3 驱替渗透率实验结果与分析

5种气体恒压连续驱替渗透率如图9。随着驱替压力升高，N2渗透率逐渐降低，其他4种气体渗透率先减后增，整体渗透率呈现：N2＞混合气（CO2∶N2=1∶9）＞混合气（CO2∶N2=1∶4）＞混合气（CO2∶N2=1∶1）＞CO2。与原始渗透率相比，N2起到增渗作用，CO2起到阻渗作用，因为吸附性 CO2＞CH4＞N2，CO2进入煤体，会使煤体吸附膨胀，阻碍渗流通道，致使煤体渗透率降低，而N2利用分压解吸出煤体中吸附CH4，基质收缩，渗流通道变大，致使煤体渗透率增加。

  

图8 不同比例混合气恒压和间歇驱替置换比图

  

图9 不同气驱渗透率对比图

3 结论

1）驱替压力为 1.5～5.5 MPa时，N2恒压驱替随压力升高驱替效率先增后减，恒压驱替效率好于间歇驱替；CO2恒压驱替随驱替压力升高驱替效率逐渐增大，间歇驱替效率好于恒压驱替；3种混合气驱替效率居于N2和CO2之间，间歇驱替效率好于恒压驱替。

2）5种气体恒压驱替置换效率：CO2＞混合气（CO2∶N2=1∶1）＞N2＞混合气（CO2∶N2=1∶4）＞混合气（CO2∶N2=1∶9）；N2恒压驱替置换效率高于间歇驱替；CO2恒压驱替和间歇驱替置换效率变化较小，CO2间歇置换效率高于N2间歇置换效率。

3）气体驱替煤层气时，N2具有增渗作用，CO2具有阻渗作用。

(3) 从刚度上看，角钢钢肢厚度、修复性替换角钢、以及破坏模式的不同均会影响刚度。角钢钢肢越厚初始转动刚度越大，修复性替换角钢相比同尺同材节点初始刚度较小，但仍比较薄弱角钢的初始转动刚度大。梁刚度较小时节点的初始转动刚度也会受影响。通过替换角钢的方式后，后期刚度退化较其他节点缓慢。

参考文献：

［1］ 郭辉，李想，曾云，等.CO2驱提高煤层气开采效果注入参数的实验研究［J］.当代化工，2016，45（11）：2585-2588.

［2］ 袁亮.我国煤层气开发利用的意义、现状与对策［M］∥新能源与国际关系.北京：北京大学世界新能源战略研究中心，2011：1-8.

［3］ Yukuo Katayama.Study of coalbed methane in Japan［M］.Beijing：Coal Industry Press,1995：238-243.

［4］ Clarkson C R,Bustin R M.Binary gas adsorption/desorption isotherms：effect of moisture and coal composition up-on carbon dioxide selectivity over methane［J］.International Journal of Coal Geology,2000,42（4）：241.

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［6］ 王剑光，佘小广.注气驱替煤层气机理研究［J］.中国煤炭，2004，30（12）：44-46.

［7］ 李希建，蔡立勇，常浩.注气驱替煤层气作用机理的探讨［J］.矿业快报，2007，23（8）：20-22.

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［11］ 夏会辉，杨宏民，王兆丰，等.注气置换煤层甲烷技术机理的研究现状［J］.煤矿安全，2012，43（7）：167.

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