不同粒度型煤煤樣瓦斯吸附-解吸變形特征實驗研究*

翟盛銳

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 燕郊 065201)

0 引言

礦井瓦斯是煤巖體的主要賦存環(huán)境因素之一，基于煤巖材料多孔介質(zhì)的屬性，其表現(xiàn)出對瓦斯的極強吸附能力，國內(nèi)外學(xué)者從煤巖瓦斯的吸附機理、煤巖吸附瓦斯后的力學(xué)特征等方面開展了大量研究。聶百勝等[1]利用表面物理化學(xué)的相關(guān)理論揭示了煤巖體吸附瓦斯的本質(zhì)；張力等[2]從煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手闡述了煤吸附瓦斯的過程；何學(xué)秋[3]、游木潤等[4]研究了煤吸附瓦斯后的變形、變形力及煤的力學(xué)特征；王佑安[5]、盧平等[6]研究了煤巖吸附變形與吸附變形力；文獻(xiàn)[7-14]通過實驗研究了型煤煤樣吸附瓦斯后的變形特征，研究結(jié)果表明：煤巖體具有吸附膨脹、解吸收縮的變形特征，且煤巖在吸附瓦斯后其力學(xué)強度會發(fā)生不同程度的降低。

本文首次實驗測定了煤巖在不同壓力條件下吸附瓦斯全過程的變形特征，得出了瓦斯壓力與吸附變形量的表達(dá)式，基于實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤巖瓦斯吸附-解吸引起的膨脹-收縮變形存在一定的殘余變形，通過分析得出類殘余變形的函數(shù)表達(dá)式。

1 實驗研究

1.1 煤樣制作

實驗選用的煤樣參考文獻(xiàn)[15]中型煤煤樣的制作方法，取張家口宣東煤礦南山礦北五外區(qū)15層1#綜放工作面落煤，實驗室分選出0.85，0.42，0.18 mm 3種粒度，為增加煤巖的力學(xué)強度，模擬不同力學(xué)性質(zhì)的煤巖樣，分別加入5%的煤焦油，后置入Φ50 mm×100 mm的圓柱形模具中利用剛性壓力機壓制。規(guī)格及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 型煤試樣力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of sample

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由用于測定煤巖變形量的應(yīng)變測試儀、密閉與參考?xì)馐摇⒏邏簹怏w供給與控制系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

圖1 煤巖吸附-解吸變形測量實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of coal rock adsorption desorption deformation

1)高壓與參考?xì)馐?/p>

密閉與參考?xì)馐覟槊簬r吸附-解吸提供高壓實驗空間，采用45號不銹鋼材料加工而成，耐受壓力不低于8 Mpa。

2)應(yīng)變測試儀

應(yīng)變測試儀采用Vishay公司生產(chǎn)的P-7000型靜態(tài)應(yīng)變儀，用于測量型煤煤樣在瓦斯-吸附過程中的變形量，實驗系統(tǒng)要求測試精度不高于±2%，采集速率不低于2 KHz。

3)氣體供給與控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)氣體從高壓氣瓶注入氣室內(nèi)，由真空泵、真空壓力表、高純度CH4氣體、氣壓測量與控制系統(tǒng)、電磁閥門等組成。

真空泵：極限壓力6×10-2Pa，抽速不低于4 L/s；

真空表：真空度-0.1 MPa，精度為0.000 5 MPa；

壓力表：量程0～6 MPa，4級精度。

1.3 實驗步驟

1)利用相關(guān)管路及氣體供給與控制系統(tǒng)，向密閉氣室充入不低于5 MPa的He氣，觀察24 h氣壓變化，檢測管路、氣體控制系統(tǒng)、密閉氣室的氣密性。

2)檢測實驗系統(tǒng)的氣密性，并準(zhǔn)確測量試件的尺寸(直徑和長度)，參考文獻(xiàn)[15]中的方法，使用2-氰基丙烯酸乙酯沿煤巖樣水平和垂直方向粘貼電阻應(yīng)變片，并保證應(yīng)變片完好后將試樣置入高壓氣室內(nèi)。

3)應(yīng)變片的接線通過密閉氣室的導(dǎo)線輸出孔引出接入P-7000型靜態(tài)應(yīng)變測試儀。

4)利用真空泵對高壓氣室抽真空60 min，開啟P-7000靜態(tài)應(yīng)變儀，觀測真空表，真空度達(dá)到-0.1 MPa時，關(guān)閉真空控制閥和真空泵。

5)通過供氣與氣體控制系統(tǒng)，依次向高壓氣室內(nèi)注入以1 MPa間隔至5 MPa的He氣，每個壓力點保持60 min，測量不同氣體壓力條件下的煤巖變形量。

6)依照2)～5)步驟測量不同粒度煤巖樣在各個氣體壓力條件下的煤巖變形量。

7)將實驗氣體更換為純度為99.99%的CH4，重復(fù)步驟2)～5)，并保持每個壓力點吸附平衡24 h，通過P-7000靜態(tài)應(yīng)變儀記錄不同壓力吸附與解析過程煤巖變形量。

8)數(shù)據(jù)處理與分析，獲取不同壓力、不同種類氣體、不同煤巖樣的變形特征。

試驗環(huán)境條件：攝氏25℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 He氣作用下煤巖變形特征

當(dāng)向高壓氣室注入He氣時，打開壓力控制閥的瞬間，由于氣室內(nèi)的壓力發(fā)生了變化，煤巖樣會產(chǎn)生瞬時膨脹變形，實驗結(jié)果如圖2所示。隨著He氣壓力的不斷上升，煤巖的變形過程逐漸由膨脹轉(zhuǎn)為收縮變形，試驗流量控制在0.02 L/s，充氣過程中He氣向煤巖體內(nèi)部以滲流方式進(jìn)行移動，煤巖產(chǎn)生膨脹變形進(jìn)而釋放彈性勢能。

圖2 0.5 MPa He氣注入時不同粒度煤巖變形特征Fig.2 Deformation characteristics of different coal samples under 0.5 MPa He gas injection

同時，煤巖的收縮變形量與氣室氣體壓力呈很好的線性關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)He氣在0～6 Mpa之間以1 Mpa為間隔逐漸升高時，煤巖處于彈性收縮變形，但氣體壓力的升高并不會使煤巖體的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，收縮變形量與型煤煤樣形成的顆粒度有關(guān)。同時，也側(cè)面反映了瓦斯抽采可有效釋放含瓦斯煤巖的內(nèi)聚膨脹能。

圖3 不同He氣壓力條件下煤巖變形特征Fig.3 Deformation characteristics of different coal samples under different He gas pressure conditions

2.2 煤巖瓦斯吸附-解吸過程變形特征

當(dāng)實驗氣體為CH4時，氣體注入初始階段與He氣的特征基本一致，如圖4所示。打開閥門10 s期間煤巖由膨脹變形迅速恢復(fù)至初始值，隨著CH4的持續(xù)注入，壓力的逐漸升高，受氣體壓力的作用，試樣產(chǎn)生收縮變形，受注入氣體流量控制收縮變形趨于穩(wěn)定。基于型煤煤樣的構(gòu)成粒度不同，氣孔隙與裂隙的結(jié)構(gòu)特征存在較大差異，影響了CH4氣體在煤巖樣中滲流、擴散、吸附的時間也不同。從圖4可以看出，0.85 mm粒度煤樣由于孔隙比較大，利于氣體的滲流與擴散，氣體注入60 min后由收縮變形階段發(fā)展至吸附膨脹變形階段，而粒度0.18 mm煤樣由于具有較大的比表面積，其孔裂隙結(jié)構(gòu)較小，在注入8 h后才開始由收縮變形階段轉(zhuǎn)為吸附膨脹變形階段。

圖4 CH4氣體作用下煤巖變形特征全過程Fig.4 The process of deformation characteristics of coal and rock under the action of CH4 gas

與He氣實驗結(jié)果不同，在不同CH4壓力梯度條件下，CH4以滲流的方式逐漸向煤巖體內(nèi)部擴散，煤巖體對進(jìn)入其內(nèi)部的CH4產(chǎn)生吸附。實驗以打開閥門瞬間煤巖由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)向膨脹為記錄點，此后煤巖的變形即為瓦斯吸附膨脹變形。不同類型煤巖樣、不同瓦斯壓力條件下，煤巖瓦斯吸附膨脹變形特征如圖5～8所示。

圖5 CH4在壓力1 MPa條件下煤巖吸附變形Fig.5 The adsorption and deformation characteristics of CH4 1 MPa pressure

圖6 CH4在壓力2 MPa條件下煤巖吸附變形Fig.6 The adsorption and deformation characteristics of CH4 2 MPa pressure

圖7 CH4在壓力4 MPa條件下煤巖吸附變形Fig.7 The adsorption and deformation characteristics of CH4 4 MPa pressure

圖8 CH4在壓力6 MPa條件下煤巖吸附變形Fig.8 The adsorption and deformation characteristics of CH4 6 MPa pressure

實驗結(jié)果顯示：煤巖瓦斯吸附變形量與吸附時間呈指數(shù)函數(shù)，表達(dá)式為ε=e-t，且達(dá)到吸附-解吸平衡的時間與煤巖的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中0.85 mm粒度煤巖樣在12 h后首先達(dá)到吸附-解吸平衡，0.42 mm粒度煤巖樣次之，0.18 mm粒度煤巖樣在吸附24 h后達(dá)到吸附-解吸平衡。

煤巖發(fā)生瓦斯解吸與吸附這2個過程正好相反，由吸附轉(zhuǎn)為解吸打開密閉氣室的控制閥，當(dāng)密閉氣室的壓力降至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，由于煤巖樣不受氣體圍壓的作用，煤巖樣發(fā)生瞬時膨脹變形，根據(jù)實驗結(jié)果顯示，這一過程在5 min其變形至最大值且趨于穩(wěn)定，文章描述的煤巖瓦斯解吸膨脹變形量由此時開始進(jìn)行記錄。

在不同的瓦斯壓力和濃度梯度條件下，煤巖發(fā)生瓦斯解吸時，氣體通過微孔隙或裂隙向低濃度區(qū)及低壓力區(qū)擴散，直至濃度與壓力二者達(dá)到平衡，如圖9～10所示。實驗結(jié)果得出，煤巖解吸產(chǎn)生的收縮變形與解吸時間的表達(dá)式為ε=et，從過程上可描述為3階段：初始階段由于瓦斯壓力梯度與濃度梯度大，煤巖收縮的變形速率也較大，隨著梯度的降低，變形率趨于穩(wěn)定，當(dāng)24 h后，煤巖的變形量也趨于穩(wěn)定，但煤巖吸附瓦斯產(chǎn)生的膨脹變形在解吸后并不能恢復(fù)至煤巖吸附前的初始量，存在一定的殘余變形量。

結(jié)果顯示，不同的瓦斯壓力條件下煤巖樣產(chǎn)生的吸附膨脹變形量也不同，且煤巖瓦斯吸附-解吸產(chǎn)生的膨脹-收縮變形是一個不可逆過程，總存在一定的殘余變形。

圖9 CH4在壓力1 MPa條件下解吸過程的收縮變形Fig.9 The contraction deformation of CH4 1 MPa pressure desorption process

圖10 CH4在壓力2 MPa條件下解吸過程的收縮變形Fig.10 The contraction deformation of CH4 2 MPa pressure desorption process

取煤巖吸附膨脹變形量與解吸收縮變形量的差值即為解吸殘余變形，測量取值如圖11所示。

圖11 瓦斯吸附-解吸實驗變形過程特征Fig.11 Deformation characteristics of coal-rock gas adsorption-desorption test

不同粒度的煤巖樣由瓦斯吸附產(chǎn)生的膨脹變形率與變形量也不同，其中0.85 mm粒度煤樣與孔隙瓦斯壓力變化相關(guān)性比較高，且吸附瓦斯后形成的最大膨脹量可達(dá)1 118 με，0.42 mm粒度煤樣吸附瓦斯后的膨脹量次之，0.18 mm粒度煤樣吸附膨脹變形量最小，且吸附瓦斯壓力越大，形成的煤體吸附膨脹變形就越大。

在不同瓦斯壓力實驗條件下煤巖吸附膨脹變形特征如圖12所示，不同瓦斯瓦斯壓力條件下煤巖解吸產(chǎn)生的收縮變形特征如圖13所示。

圖12 不同煤巖樣瓦斯吸附過程變形特征Fig.12 Deformation characteristics of gas adsorption process of different coal samples

圖13 不同煤巖瓦斯解吸過程變形特征Fig.13 Deformation characteristics of gas desorption process of different coal samples

實驗測定了煤巖的吸附膨脹變形及解吸收縮變形，測定的煤巖在不同孔隙瓦斯壓力條件下的殘余變形量，如圖14所示。

圖14 不同煤巖樣瓦斯吸附-解吸的殘余變形量特征Fig.14 The residual deformation characteristics of gas adsorption-desorption of different coal samples

不同瓦斯壓力條件下煤巖瓦斯吸附-解吸形成的殘余變形表達(dá)式：

ε=aexp(-p/b)+εm

(1)

式中：ε為在一定壓力條件下由瓦斯吸附-解吸產(chǎn)生的煤巖相對變形量；P表示實驗瓦斯壓力，MPa；a,b,εm為煤巖吸附參數(shù)，其中εm吸附-吸附產(chǎn)生的最大殘余變形量，a表示煤巖吸附殘余變形系數(shù)，b表示隨著實驗氣體壓力變化產(chǎn)生殘余變形的變化率。對式中參數(shù)的具體驗證過程如表2所示。

表2 煤巖吸附-解吸的殘余變形與壓力關(guān)系Table 2 The residual deformation and pressure relation of coal-rock adsorption-desorption

3 結(jié)論

1)煤巖瓦斯吸附膨脹、解吸收縮的變形量與煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征、瓦斯壓力有直接關(guān)系，其中粒度為0.85 mm的型煤煤樣對瓦斯壓力比較敏感，且同等瓦斯壓力條件下變形量也最大，極限變形可達(dá)到1 118 με，粒度0.42 mm的型煤煤樣次之，粒度0.18 mm的型煤煤樣最小，且粒度0.18 mnm粒度型煤煤樣的吸附變形與實驗瓦斯壓力的變化不太敏感，瓦斯壓力越大，由此產(chǎn)生的吸附膨脹變形量就越大。

2)當(dāng)吸附瓦斯煤巖發(fā)生解吸時，煤巖會產(chǎn)生收縮變形，煤巖收縮變形量與時間呈指數(shù)方程，實驗瓦斯壓力越大形成的收縮變形就越大，其產(chǎn)生的殘余變形也越大。

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