甲烷和水共同吸附下煤體變形規(guī)律特征研究

楊俁詩(shī) 李立坤 陳祥輝 郭亞杰

摘? 要：利用自制的煤體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置，采用監(jiān)測(cè)煤體表面應(yīng)變的方法，開展了水氣共吸的煤體變形實(shí)驗(yàn)，研究煤體在甲烷和水共同吸附下的變形規(guī)律。獲得了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制成時(shí)間-應(yīng)變變化曲線。結(jié)果表明：在水和甲烷共吸條件下，煤體發(fā)生了拉伸變形，縱向變形量大于橫向變形量，試樣臨界區(qū)的變形量大于濕區(qū)、干區(qū)。在不同甲烷壓力作用下，水汽共同作用區(qū)域的變形量大于單純氣區(qū)和液區(qū)。

關(guān)鍵詞：水氣共吸;煤體變形;應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TD712? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

甲烷，不僅是井下主要事故的危險(xiǎn)源和溫室氣體，還是良好的清潔能源，但因?yàn)槲覈?guó)煤層的滲透率較低，使得甲烷的抽采效率受到了嚴(yán)重影響。為了提高甲烷的抽采效率，增強(qiáng)煤層透氣性，我國(guó)學(xué)者提出過很多方案，例如密集鉆孔、深孔爆破、水力割縫、注CO2驅(qū)替及注N2驅(qū)替等，這些方案在煤礦開采中發(fā)揮了重要作用，并取得了一定的成績(jī)。但無論哪種方案，都存在各自的局限性。例如使用非常多的水利化措施，在實(shí)際操作中可能會(huì)造成外加水進(jìn)入煤體，水在接觸到煤體后，會(huì)搶占煤體表面的甲烷吸附位點(diǎn)，從而使甲烷的吸附能力降低，在這種情況下，必定會(huì)引起煤體變形。

Karr等學(xué)者將水分為4類。1）吸附水，指吸附于煤體微孔或毛細(xì)孔中的水分。2）表面水，指存在于煤體表面的水。3）毛細(xì)水，指毛細(xì)孔中的水。4）自由水，指存在于煤顆粒間的水分。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水和煤體的相互作用做了大量研究，當(dāng)前一直認(rèn)為，煤體與水之間的相互作用主要是范德華力與氫鍵，其中氫鍵的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于范德華力。為了研究煤體甲烷吸附與水滲吸的關(guān)系，該文進(jìn)行水和甲烷共同作用下，采用自制的煤體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置，利用應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀開展原煤煤樣分區(qū)變形試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境甲烷壓力分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa。通過對(duì)不同條件下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期為水利化措施及煤礦開采等提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置主要包括水汽試驗(yàn)區(qū)和應(yīng)變采集2部分，水汽試驗(yàn)區(qū)（圖1）主要有水路、氣路、反應(yīng)罐、壓力傳感器和真空泵等;應(yīng)變采集部分主要有：DT85G數(shù)據(jù)采集儀、應(yīng)變片和計(jì)算機(jī)等。其中，反應(yīng)罐頂部設(shè)計(jì)12根應(yīng)變傳導(dǎo)線用來連接煤塊上的應(yīng)變片和數(shù)據(jù)采集儀，同時(shí)用AB膠進(jìn)行連接處的密封處理，反應(yīng)罐的上方有進(jìn)出氣管道和固定支架，下方是進(jìn)出水口，如圖2所示，DT85G數(shù)據(jù)采集儀為澳大利亞DATATAKER公司生產(chǎn)，具有48個(gè)普通模擬通道和4個(gè)脈沖通道，18位A/D轉(zhuǎn)換精度，直接USB接口，且與U盤兼容，可多用戶訪問，在該試驗(yàn)中設(shè)置為每20 s采集一次數(shù)據(jù)，如圖3所示。

1.2 試樣制備

該試驗(yàn)所用試樣為Φ50 mm×100的圓柱形煤塊，煤塊使用前先用砂紙打磨，除去表面氧化層，然后挑選較為光滑無裂隙的側(cè)面，在其軸向上、中、下部分別貼橫、縱2個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)6個(gè)，用502膠水將應(yīng)變片的前端粘貼在煤塊上，用704膠將應(yīng)變片的尾端固定，如圖4所示，待膠水完全凝固后，將應(yīng)變片尾端的導(dǎo)線與導(dǎo)線焊接，并連接至數(shù)據(jù)采集儀，同時(shí)打開計(jì)算機(jī)開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)正常則開始試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)步驟

該試驗(yàn)的具體步驟如下。1）制備試驗(yàn)所需原煤煤樣。2）把試樣上應(yīng)變片的尾端與導(dǎo)線焊接在一起，將應(yīng)變傳導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。3）查看采集到的數(shù)據(jù)，如有問題重新連接對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線，數(shù)據(jù)正常將試樣放入反應(yīng)罐。4）密封反應(yīng)罐，確定數(shù)據(jù)采集周期，打開真空泵。5）待抽至真空后關(guān)閉氣泵，等待應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定。6）數(shù)據(jù)穩(wěn)定后先加水至煤樣中部的縱向應(yīng)變片底端，后充入甲烷氣體至一定壓力，等待應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定。7）數(shù)據(jù)穩(wěn)定后先打開出氣閥門，將氣體排出，后打開出水閥門，將水排出，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后做好記錄。8）開展不同壓力下的多組實(shí)驗(yàn)。

注意事項(xiàng)：由于應(yīng)變采集儀上裝有溫度感應(yīng)片，因此在試驗(yàn)過程中要盡量保持恒溫; 充入甲烷壓力較大時(shí)，導(dǎo)線與反應(yīng)罐頂部接觸部分有可能漏氣，所以在實(shí)驗(yàn)中要做好通風(fēng)工作，同時(shí)保證應(yīng)變穿導(dǎo)線的穩(wěn)定;試驗(yàn)結(jié)束后，先放氣后排水的順序一定不能顛倒，否則甲烷氣體可能進(jìn)入排水管;貼應(yīng)變片的煤面，一定要盡可能光滑，否則會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成較大影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由試驗(yàn)獲得的煤體表面應(yīng)變的數(shù)據(jù)，可以得到下列幾組曲線（圖5），分析得出的規(guī)律如下。

2.1 同區(qū)上的變形規(guī)律

在同區(qū)的變形上，縱向比橫向更加劇烈，這表明煤樣在氣體吸附和水滲吸的作用下，縱向拉伸變形更明顯。

2.2 水氣共吸后的變形規(guī)律

進(jìn)水進(jìn)氣后，煤樣會(huì)有短暫的小幅度壓縮變形，受到氣體壓力和水壓的共同作用，接著在氣體吸附和水滲吸的過程中逐漸呈現(xiàn)出拉伸變形，干區(qū)的縱向變形在進(jìn)氣短期過程仍有一段壓縮變形。

2.3 泄水泄壓后的變形規(guī)律

在曲線規(guī)律中，臨界區(qū)和濕區(qū)變形規(guī)律基本一致，且臨界區(qū)變形大于濕區(qū)，而干區(qū)在泄水卸壓后，變形曲線呈現(xiàn)出大幅變化。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因一方面是濕區(qū)甲烷含量較少，臨界區(qū)是水和甲烷并存，所以兩者共同作用區(qū)會(huì)出現(xiàn)臨界區(qū)的變形較大;泄水卸壓后，干區(qū)煤體內(nèi)的甲烷隨卸壓沿孔隙解吸，同時(shí)存在殘余變形，而臨界區(qū)和濕區(qū)有水的存在，即使卸壓泄水后，水的殘留以及封堵煤體孔隙導(dǎo)致內(nèi)部氣體的封存，尤其臨界區(qū)最為明顯。

3 結(jié)論

由試驗(yàn)曲線可得，煤體在水和甲烷共同存在（即臨界區(qū)）的狀態(tài)下發(fā)生的形變最大，在只有甲烷存在（干區(qū)）的狀態(tài)下發(fā)生的形變最小，而在泄水卸壓后，臨界區(qū)發(fā)生的形變最大。進(jìn)水進(jìn)氣后，曲線先有一段小幅度的上升，而后下降，說明煤體接觸到甲烷和水的瞬間發(fā)生了壓縮變形，而后發(fā)生拉伸變形。在吸附、滲吸平衡后，進(jìn)行泄水卸壓，煤體氣體解吸、水退出，水的毛細(xì)作用導(dǎo)致部分滲入煤體孔隙的殘余水的留存，因此濕區(qū)和臨界區(qū)在卸壓泄水后的殘余變形較大，同時(shí)臨界區(qū)的水侵占了煤體孔隙，會(huì)封堵部分進(jìn)入煤體的甲烷解吸的通道，從而導(dǎo)致臨界區(qū)的殘余變形最大。

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