外力擾動(dòng)條件下的瓦斯解吸機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究＊

齊黎明 郭 達(dá) 關(guān)聯(lián)合 陳學(xué)習(xí)

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.開(kāi)灤 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063018；3.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，101601）

外力擾動(dòng)條件下的瓦斯解吸機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究＊

齊黎明1，2，3郭 達(dá)2關(guān)聯(lián)合2陳學(xué)習(xí)3

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.開(kāi)灤 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063018；3.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，101601）

從理論上對(duì)煤體孔隙壁面擴(kuò)展位移進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了外力擾動(dòng)條件下的瓦斯吸附分子轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的判斷依據(jù)；開(kāi)展了外力擾動(dòng)條件下的煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理；對(duì)擾動(dòng)誘導(dǎo)煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害的機(jī)理提出了新的解釋。研究結(jié)果顯示，在外力擾動(dòng)條件下，煤體對(duì)瓦斯的吸附平衡被打破，游離瓦斯所占的比例有所增大，瓦斯壓力上升，煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的動(dòng)力增加。

瓦斯壓力 瓦斯解吸 吸附平衡

瓦斯在煤層中賦存的形態(tài)主要有自由瓦斯和吸附瓦斯。其中，自由瓦斯約占10%，以氣態(tài)形式存在；吸附瓦斯約占90%，以固溶體形式存在。自由瓦斯和吸附瓦斯的這種比例存在于吸附平衡條件下，如果吸附平衡條件被打破，比如煤體含水率、溫度及電磁環(huán)境等發(fā)生變化，則自由瓦斯和吸附瓦斯的比例關(guān)系將發(fā)生變化。由于煤層瓦斯壓力是煤層孔隙內(nèi)氣體分子熱運(yùn)動(dòng)撞擊所產(chǎn)生的作用力，它在某一點(diǎn)上各向大小相等，方向與孔隙壁垂直。因此，煤體對(duì)瓦斯的吸附平衡被打破后，煤層瓦斯壓力必定也跟著變化。

改變煤體對(duì)瓦斯的吸附平衡狀態(tài)除了上述幾種情況外，外力擾動(dòng)也具有這種功能。目前，在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的文獻(xiàn)資料上，只有西安科技大學(xué)的李樹(shù)剛、趙勇和張?zhí)燔姷乳_(kāi)展了低頻振動(dòng)對(duì)瓦斯吸附和解吸的影響研究，但是，研究方式僅停留在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方面。為更深入探索外力擾動(dòng)對(duì)煤體吸附平衡的影響，本文從理論上對(duì)外力擾動(dòng)條件下的瓦斯解吸機(jī)理進(jìn)行分析，并開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 煤體孔隙壁面擴(kuò)展位移理論分析

通常認(rèn)為，煤體內(nèi)部的孔隙可簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)半軸為a、短半軸為b的橢圓孔。在外加應(yīng)力擾動(dòng)條件下，孔隙空間必然會(huì)發(fā)生變化，假定變化后的孔隙空間仍為橢圓狀，且長(zhǎng)半軸a不變，短半軸b增加為b1；煤體最大主應(yīng)力由σ1降為σ11，最小主應(yīng)力由σ3降為σ33，變形后的煤體受力狀況如圖1所示。

圖1 產(chǎn)生裂紋后的煤體應(yīng)力分布示意圖

再假定孔隙裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，孔隙煤壁的移動(dòng)方向?yàn)樵擖c(diǎn)與圓心的延長(zhǎng)線，則該點(diǎn)的振動(dòng)幅度為前后兩個(gè)圓心與邊緣的距離之差。有關(guān)橢圓中心到邊緣的距離計(jì)算，由于橢圓沿x軸和y軸都呈對(duì)稱關(guān)系，因此，分析計(jì)算時(shí)，只需考慮其四分之一即可，具體如圖2所示。

圖2中，橢圓圓心到邊緣點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，該點(diǎn)到x軸的垂直高度為H，與x軸的夾角為θ，垂線與x軸交叉位置距右焦點(diǎn)的距離為s，焦點(diǎn)到中心的距離為c，長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度為a，根據(jù)空間幾何關(guān)系，可得方程組如下：

圖2 橢圓邊緣點(diǎn)的分布示意圖

將式 （1）分別代入式 （2）和式 （3），可得：

將式 （4）代入式 （5），可得：

當(dāng)煤孔隙裂紋擴(kuò)展變形后，在新的橢圓條件下，相應(yīng)位置邊緣到圓心的距離為L(zhǎng)1，焦距的一半為c1，有：

則煤體孔隙煤壁位移為：

從圖1可以看出，裂紋擴(kuò)展卸壓后，煤體向外收縮的位移也為r，則有：

式中：E——煤體的彈性模量，MPa；

R——孔隙煤壁厚度，m。

聯(lián)合式 （6）、（7）、（8）、（9）即可求解出煤壁內(nèi)部不同位置的位移，具體計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出其結(jié)果。

2 煤體孔隙壁面擴(kuò)展位移與瓦斯解吸的關(guān)系

煤體孔隙壁面對(duì)瓦斯分子產(chǎn)生吸附作用主要是煤體表面的分子與瓦斯分子相互吸引，瓦斯分子在煤孔隙表面做短暫的停留。處于吸附狀態(tài)下的瓦斯分子一方面要受到煤體孔隙表面范德華力的作用，另一方面自身仍在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，具有一定的動(dòng)能，該能量較小，不足以克服范德華力逃逸出來(lái)，其受力分析如圖3所示。

煤體孔隙破裂產(chǎn)生裂紋的瞬間，煤壁迅速反彈，產(chǎn)生振動(dòng)，類似于圖3中左側(cè)煤體向左移動(dòng)，并帶動(dòng)瓦斯分子一起向左移，這將給處于自由晃動(dòng)下的瓦斯分子一個(gè)力的作用，這個(gè)力方向向左，在瞬間內(nèi)能讓瓦斯分子產(chǎn)生加速度，趕上煤壁向左移動(dòng)的速度，這個(gè)力的主動(dòng)方為煤壁，被動(dòng)方為瓦斯分子，此時(shí)，范德華力除了要克服分子的自由運(yùn)動(dòng)以外，還得為瓦斯分子的向左加速運(yùn)動(dòng)提供力的作用，如果不足，分子在左移的瞬間，就會(huì)離開(kāi)煤壁，變成游離狀態(tài)。根據(jù)前面的分析可知，在橢圓的不同位置，煤壁移動(dòng)的位移不同，在相同的時(shí)間內(nèi)，需要產(chǎn)生加速度的力也不一樣，瓦斯分子逃出范德華力束縛的比例也不同。

圖3 煤壁吸附瓦斯受力平衡示意圖

假定煤壁與瓦斯分子間的范德華力為f，瓦斯分子自由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力為F1，煤壁由于瞬間位移產(chǎn)生的附加應(yīng)力為F2，則瓦斯分子逃離煤壁的應(yīng)力條件如下：

如果式 （10）兩邊相等，屬于臨界狀態(tài)。

根據(jù)牛頓定律，再進(jìn)行變換，有：

根據(jù)式 （12）可知，煤體孔隙壁面的瓦斯分子在煤壁破裂產(chǎn)生振動(dòng)的瞬間，能否解吸出來(lái)主要取決于煤壁振動(dòng)位移越大，瓦斯分子質(zhì)量越大，其解吸的可能性越大；振動(dòng)越劇烈，即時(shí)間越短，則瓦斯解吸可能性越大。

3 外力擾動(dòng)條件下的煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

（1）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)采取淮南礦區(qū)朱集礦1112（1）運(yùn)輸巷道11-2煤層的新鮮煤樣，加工后，粒徑約為0.17～0.25 mm，選取150 g，裝入煤樣罐內(nèi)，煤樣體積約占煤樣罐容積的四分之三，

式中：m——瓦斯分子的質(zhì)量，kg；

t——時(shí)間，s。

聯(lián)合式 （10）和式 （11），有：在煤樣罐內(nèi)放入鐵球，增加旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的撞擊作用。裝上防震壓力表，擰緊煤樣罐，反復(fù)注入高壓瓦斯，等待最終吸附平衡，平衡后的壓力讀數(shù)顯示為0.56 MPa，最后，將實(shí)驗(yàn)裝置安設(shè)在電動(dòng)機(jī)上面，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，讓煤樣受到外力的撞擊作用，以此來(lái)模擬外力對(duì)煤樣的擾動(dòng)作用。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。開(kāi)動(dòng)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)煤樣罐，約10 min后，斷電，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0.62 MPa。由此可見(jiàn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)撞擊，確實(shí)可以改變?cè)簶拥奈教匦浴?/p>

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于煤樣罐內(nèi)存在四分之一的自由空間，在旋轉(zhuǎn)撞擊作用下解吸出的瓦斯，除了促使煤樣內(nèi)部的孔隙瓦斯壓力上升外，還得滿足自由空間瓦斯上升的需求，因此，最終真實(shí)的瓦斯壓力值應(yīng)通過(guò)分析計(jì)算進(jìn)行修正。

假設(shè)罐的總?cè)莘e為V，煤樣的孔隙率為η，鐵球的體積為V2，則孔隙容積V02為：

罐內(nèi)可供自由瓦斯存在的空間總體積V12為：

式中：p01——瓦斯壓力讀數(shù)，MPa。

朱集礦11-2煤層的孔隙率約為12%，V2約為瓦斯罐總?cè)莘e的10%，通過(guò)計(jì)算，實(shí)際瓦斯壓力值應(yīng)為1.04 MPa，與初始瓦斯壓力值0.56 MPa相比，上升了85.8%。

根據(jù)朱集礦11-2煤層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)條件下，煤體對(duì)瓦斯的吸附平衡被打破，游離瓦斯所占的比例有所增大，瓦斯壓力上升。

4 結(jié)論

煤礦井下瓦斯動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)，在我國(guó)，隨著礦井開(kāi)采深度的逐步增加，發(fā)生瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的礦井?dāng)?shù)量和災(zāi)害嚴(yán)重程度都呈上升趨勢(shì)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采掘作業(yè)擾動(dòng)與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的關(guān)系非常密切，很多瓦斯動(dòng)力災(zāi)害都是在外力擾動(dòng)條件下發(fā)生的。以開(kāi)灤礦區(qū)馬家溝礦為例，該礦瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象皆是在外力擾動(dòng)作用下產(chǎn)生的，其中由爆破引起的動(dòng)力現(xiàn)象次數(shù)為28次，占51.9%，每次動(dòng)力現(xiàn)象前作業(yè)方式見(jiàn)表1。

表1 馬家溝礦動(dòng)力現(xiàn)象與作業(yè)方式關(guān)系表

有關(guān)外力擾動(dòng)工作面煤壁并誘導(dǎo)突出，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，其機(jī)理在于擾動(dòng)破壞了工作面前方煤巖體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致煤巖體坍塌，從而使得飽含高壓瓦斯的煤體被暴露出來(lái)，在高瓦斯壓力梯度作用下發(fā)生突出。

根據(jù)本文的研究，外力擾動(dòng)不僅能夠影響到工作面前方煤巖體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，而且，能夠直接破壞煤體對(duì)瓦斯的吸附平衡作用，使得瓦斯壓力急劇上升，增大了煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的動(dòng)力。這也就從另外一個(gè)側(cè)面解釋了外力擾動(dòng)對(duì)煤與瓦斯突出等各類動(dòng)力災(zāi)害的誘導(dǎo)作用機(jī)制。

［1］何學(xué)秋.含瓦斯煤巖流變動(dòng)力學(xué) ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995

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［3］俞啟香.礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992

［4］閆凱，趙東.水分對(duì)煤吸附瓦斯特性影響及微觀機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2013（3）

［5］王劍光，佘小廣.注氣驅(qū)替煤層氣機(jī)理研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2004（12）

［6］李樹(shù)剛，趙勇，張?zhí)燔?基于低頻振動(dòng)的煤樣吸附／解吸特性測(cè)試系統(tǒng) ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（7）

［7］林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù) ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998

［8］李樹(shù)剛，趙勇，張?zhí)燔姷?低頻振動(dòng)對(duì)煤樣解吸特性的影響 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（增2）

［9］李樹(shù)剛，趙勇，張?zhí)燔?低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤樣吸附特性研究 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）

［10］齊黎明.馬家溝礦深部煤與瓦斯突出機(jī)理及預(yù)測(cè)研究 ［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2005

Methane desorption mechanism and experimental research under external disturbing force

Qi Liming1，2，3，Guo Da2，Guan Lianhe2，Chen Xuexi3
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Kailuan（Group）Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063018，China；3.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 101601，China）

The expanding displacement of porous coal wall was theoretically analyzed，and then the judgement that the adsorbed methane molecules converted to free state under the external disturbing force was proposed.The methane desorption experiments of coal samples were carried out under the external disturbing force and the obtained data were organized.Moreover，the new explanation was put forward for the mechanism of dynamic disasters such as the coal and gas outburst induced by external disturbance.The results showed that the adsorption equilibrium of methane on coal body was broken due to the external disturbance.The proportion of free methane increased，resulting in the increase of methane pressure.So the driving force of coal and gas outburst also increased.

methane pressure，methane desorption，adsorption equilibrium

TD712

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助 （51204070），河北省重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目 （11965629D），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助 （2012E1202，2011SYSJJ01），教育部 “新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”（NCET-11-0837）

齊黎明 （1979-），男，安徽省安慶市人，副教授，博士后，從事礦山安全方面的教學(xué)科研工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）