栗 婧 王亞然 王啟飛 趙乾鵬 洪煥翔

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

★ 煤礦安全 ★

不同溫度、壓力下煤體吸附瓦斯變形特征研究

栗 婧 王亞然 王啟飛 趙乾鵬 洪煥翔

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

為了探討煤體在不同物理場(chǎng)耦合作用下吸附瓦斯后的膨脹變形特征，以型煤為研究對(duì)象，利用自行研發(fā)的高壓瓦斯煤巖吸附-解吸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)型煤進(jìn)行了不同溫度、不同壓力下的吸附變形試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，煤體吸附瓦斯量呈減小趨勢(shì)，其軸向變形和環(huán)向變形量均有所降低；在相同溫度條件下，隨著壓力的升高，型煤試件的變形量和變形速度均有所降低；不同溫度、壓力下，冪指數(shù)函數(shù)對(duì)于型煤試件吸附、解吸過(guò)程中的應(yīng)變變化的擬合效果要明顯優(yōu)于朗格繆爾形式公式。

礦井瓦斯災(zāi)害 多物理場(chǎng)耦合 吸附膨脹變形

瓦斯是成煤作用的伴生物，主要賦存于煤體內(nèi)部的微觀孔隙、裂隙之間，與煤層之間存在復(fù)雜的交互作用；煤體作為一種天然的吸附劑，會(huì)吸附大量的瓦斯，煤中吸附態(tài)瓦斯約占煤層瓦斯總量的80%～90%。瓦斯的存在對(duì)煤體具有特定的影響作用，瓦斯被煤體吸附后，會(huì)附著于煤體微觀孔隙的表面并引起煤基質(zhì)的膨脹變形，這一過(guò)程不僅會(huì)改變煤體的力學(xué)特性，而且膨脹作用還會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)部裂隙閉合，改變煤體的滲透特性。因此，對(duì)煤體吸附瓦斯后的膨脹變形特征進(jìn)行研究將有助于提高對(duì)含瓦斯煤體力學(xué)特性和瓦斯運(yùn)移特征的認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯災(zāi)害防治、地面及井下抽采瓦斯及完善井下煤氣共采、煤層氣開(kāi)采等具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用理論分析、試驗(yàn)測(cè)試等手段對(duì)煤體吸附瓦斯后的變形特征開(kāi)展了大量研究。理論方面，Grayl認(rèn)為煤體吸附瓦斯的膨脹變形量與煤層瓦斯壓力呈正比，并給出了計(jì)算關(guān)系式；Panz等假設(shè)煤吸附膨脹所導(dǎo)致的表面自由能改變與吸附量是線性相關(guān)的，并引入煤密度、彈性模量和孔隙度等參數(shù)推導(dǎo)出煤體吸附瓦斯的膨脹模型；聶百勝等根據(jù)煤體表面化學(xué)理論推導(dǎo)出了煤固體膨脹變形的計(jì)算模型；白冰等認(rèn)為固體吸附后表面的動(dòng)力能下降是固體膨脹的主要原因；吳世躍等根據(jù)煤體表面物理化學(xué)特性和力學(xué)原理，推導(dǎo)出吸附變形與熱力學(xué)的關(guān)系式；周軍平等根據(jù)能量守恒原理和熱力學(xué)原理，提出了煤巖吸附膨脹應(yīng)變模型。試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)煤吸附膨脹變形的特性和影響因素(溫度、壓力、煤體結(jié)構(gòu)、含水量等)進(jìn)行了觀測(cè)分析。文獻(xiàn)均使用試驗(yàn)手段測(cè)試吸附瓦斯?fàn)顟B(tài)下的煤體膨脹變形量，其中，韓勇等對(duì)不同煤樣進(jìn)行高壓吸附試驗(yàn)，并用Langmiur方程對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明不同煤樣的吸附能力差異較大，且Langmiur式能較好地描述瓦斯吸附現(xiàn)象；Majewskaz等研究了煤體在CO2和CH4循環(huán)作用下的吸附特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每次循環(huán)都會(huì)對(duì)煤的物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，吸附膨脹應(yīng)變減??；Bergen F V等采用不同煤階、不同含水量的煤樣做氣體吸附變形試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水分能抑制吸附膨脹；劉延保等發(fā)現(xiàn)煤體的吸附變形效應(yīng)具有各向異性特征，煤體在垂直層理方向的變形要明顯大于平行層理方向；徐滿貴等對(duì)軟煤和硬煤在恒溫條件下的吸附特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)軟煤的吸附速率和吸附飽和量均大于硬煤，得出軟煤較硬煤吸附瓦斯能力更強(qiáng)的結(jié)論；梁冰等對(duì)低壓吸附條件下瓦斯的變形量進(jìn)行測(cè)試；張遵國(guó)等對(duì)原煤和型煤的吸附瓦斯膨脹變形特征進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)兩者的變形具有不同的階段性特征；聶百勝等采用不同的加壓方式對(duì)煤體的吸附變形特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)等梯度加壓方式時(shí)煤體的變形量要稍高于一次性加壓方式。

綜上所述，前人在煤體吸附變形方面的研究取得了豐碩成果，但針對(duì)不同溫度、壓力下的吸附變形規(guī)律方面的研究還有所欠缺。鑒于此，本文以型煤試樣為研究對(duì)象，利用自主研發(fā)的高壓瓦斯煤巖吸附-解吸測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行煤體吸附瓦斯后的膨脹變形試驗(yàn),對(duì)不同溫度和壓力條件下煤體吸附瓦斯的變形量、變形速率、變形動(dòng)態(tài)過(guò)程以及吸附瓦斯量與膨脹變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系等問(wèn)題展開(kāi)針對(duì)性探究。

1 吸附膨脹變形試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試使用了自主研制的煤體高壓多場(chǎng)耦合吸附-解吸瓦斯變形測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括高壓氣瓶、吸附罐、應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)(SDY動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀和HIOKI日置8860-50存儲(chǔ)記錄儀)、溫度控制系統(tǒng)(溫控儀、溫度傳感器和玻璃纖維加熱帶)和抽真空系統(tǒng)5個(gè)組成部分，具有測(cè)定不同溫度、壓力下煤體吸附-解吸瓦斯變形量的功能。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)研究所使用型煤煤樣采自于冀中能源集團(tuán)東龐礦2#煤層第十二采區(qū)的21213掘進(jìn)工作面。制作過(guò)程中，首先對(duì)煤塊進(jìn)行破碎，而后使用球磨機(jī)進(jìn)行研磨，再利用篩子篩分出0.25～0.5 mm粒徑的煤粉，在煤粉中按1∶4的配比添加煤焦油。攪拌混合均勻后，將制備好的煤粉裝到模具中，控制伺服壓力機(jī)以一定壓力制成型煤。壓制好的型煤試件在室內(nèi)風(fēng)干，養(yǎng)護(hù)30 d。型煤試件尺寸為?50 mm×75 mm。黏貼有應(yīng)變片的待測(cè)樣品如圖2所示。

圖2 黏貼有應(yīng)變片的待測(cè)樣品

為對(duì)煤樣的特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，用煤質(zhì)分析儀對(duì)煤樣進(jìn)行了工業(yè)性分析和元素分析測(cè)試，其水分Mad為1.76%、灰分Aad為9.13%、干基揮發(fā)份Vdaf為38.92%、固定碳Fc為73.4%，含硫量S為0.35%，含氫量H為4.21%，含氮量N為1.46%，含氧量O為14.1%。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用純度(體積分?jǐn)?shù))為99.99%的CH4氣體作為吸附介質(zhì)，在20℃和60℃兩個(gè)不同環(huán)境溫度下進(jìn)行吸附變形量測(cè)試，試驗(yàn)氣體壓力分設(shè)1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa 4個(gè)梯度，具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)試驗(yàn)前將待測(cè)樣品放入恒溫干燥箱中，在箱內(nèi)溫度為65℃下持續(xù)烘干10 h后，將樣品置入干燥皿中冷卻至室溫。然后，清潔樣品壁面并安設(shè)應(yīng)變片。

(2)將待測(cè)試樣放入腔體中，連接好應(yīng)變片，并用絕緣膠帶貼好，防止其與管壁接觸，然后連接好其他系統(tǒng)組件并將腔體密封，保證系統(tǒng)氣密性良好。

(3)開(kāi)啟溫度控制系統(tǒng)及壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)前的系統(tǒng)預(yù)熱，時(shí)間不低于0.5 h，通過(guò)溫度控制器和溫度探頭保證腔體內(nèi)部環(huán)境溫度穩(wěn)定于預(yù)設(shè)溫度(±2℃)。

(4)開(kāi)啟真空泵，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行抽真空操作，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)不低于4 h，且系統(tǒng)真空度要低于50 Pa，之后關(guān)閉真空泵，維持真空狀態(tài)4 h。

(5)按照1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 4個(gè)壓力梯度順序使用高壓氣瓶向密封腔體內(nèi)部充入CH4氣體。如在1 MPa壓力時(shí)，調(diào)節(jié)減壓閥并打開(kāi)針型閥，保證腔內(nèi)壓力恒定為1 MPa，維持3 h并觀測(cè)煤體的吸附變形量，而后將壓力提高至2 MPa，重復(fù)以上操作進(jìn)行試驗(yàn)。如此反復(fù)，直至完成4個(gè)壓力梯度的測(cè)試。

(6)在吸附試驗(yàn)完成時(shí)，開(kāi)始泄壓解吸瓦斯，先將內(nèi)部壓力降低到2 MPa，維持2 h，再降至大氣壓，維持2 h，解吸試驗(yàn)完畢。

(7)試驗(yàn)完成，進(jìn)行下一組測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下的吸附變形特征

依據(jù)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)可分為5個(gè)階段，其中，前4個(gè)階段是充氣壓力以1 MPa的梯度依次遞增的吸附階段，最后一個(gè)階段為卸壓解吸階段，每個(gè)階段持續(xù)時(shí)間為3 h。不同溫度下煤體吸附瓦斯之后的變形情況如圖3、圖4所示。由圖3(a)和圖4(a)可以看出，試驗(yàn)過(guò)程中各階段的氣體壓力保持了較高的穩(wěn)定性。由圖3(b)、(c)和圖4(b)、(c)可以看出，型煤試件對(duì)于充入的吸附氣體壓力具有較強(qiáng)的敏感性。相同壓力下，隨著CH4氣體的充入，型煤試件的軸向變形與環(huán)向變形隨著時(shí)間變化均逐漸增大，但其應(yīng)變的增長(zhǎng)速率則隨時(shí)間變化逐漸減小；當(dāng)充入氣體的壓力升高時(shí)，型煤試件的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變?cè)谠凶冃蔚幕A(chǔ)上，以相類似的規(guī)律逐漸增大；而當(dāng)腔體內(nèi)氣體壓力卸載時(shí)，型煤試件的軸向變形和環(huán)向變形均逐漸減小。在相同環(huán)境溫度條件下環(huán)向變形與軸向變形的差別不大，但環(huán)向變形相對(duì)小于軸向變形。20℃條件下，環(huán)向變形與軸向變形的最大值分別為443.75 με和549.70 με；而在60℃條件下，環(huán)向變形的最大值卻大于軸向變形最大值，分別為504.75 με和477.99 με。

圖3 20℃型煤吸附解吸軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變

圖4 60℃型煤吸附解吸軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變

由此可以看出，煤體的吸附變形過(guò)程除了受吸附氣體壓力的影響外，同樣受環(huán)境溫度的影響。因此，需要對(duì)型煤的升溫變形量進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。20℃抽真空后，在不充入氣體的條件下，在12 h的時(shí)間內(nèi)逐漸升溫至60℃，測(cè)定型煤由環(huán)境溫度變化而引起的變形量。其軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變隨升溫時(shí)間變化的結(jié)果如圖5所示。

圖5 型煤升溫變形試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變?cè)跍囟壬吆竺簶泳a(chǎn)生了膨脹變形，在溫度升高初始時(shí)刻變形量急劇增大而后趨于穩(wěn)定。將穩(wěn)定后的煤體變形記為極限膨脹變形量，則相較于20℃條件，60℃時(shí)煤樣在軸向和環(huán)向的極限變形量分別為62.51 με和55.23 με。

為了探究溫度場(chǎng)對(duì)型煤吸附解吸變形規(guī)律的影響，分別提取了同等壓力、不同溫度條件下煤體的極限變形量，溫度對(duì)煤體吸附變形量的影響分析如圖6所示，其中60℃時(shí)煤體吸附瓦斯的變形量為測(cè)試值和極限變形量的差值。由圖6可以看出，對(duì)于煤體吸附瓦斯后的軸向變形，在各個(gè)壓力點(diǎn)均有隨著溫度的升高變形量減小的趨勢(shì)；而對(duì)于環(huán)向變形盡管這種趨勢(shì)沒(méi)有軸向變形明顯，但依然可見(jiàn)低溫條件下的變形量要稍大于高溫條件。隨溫度升高，煤體吸附的瓦斯量減少，附著于煤體微孔表面的氣體分子總量也有所減少，造成煤體的膨脹變形量降低，由此可見(jiàn)，溫度的升高有削減煤體吸附瓦斯效果的趨勢(shì)。

圖6 溫度對(duì)煤體吸附變形量的影響分析

2.2 不同瓦斯壓力下的吸附變形特征

試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中瓦斯進(jìn)入腔體之后煤體經(jīng)歷了滲流、擴(kuò)散、吸附3個(gè)不同階段，由此可見(jiàn)，煤樣最終吸附足量的瓦斯并產(chǎn)生膨脹變形需要一定的過(guò)程。為了更明確地對(duì)各氣體壓力下的變形特征進(jìn)行對(duì)比分析，在此以每個(gè)階段的起始變形量為基點(diǎn)，將各階段的煤樣變形進(jìn)行調(diào)零處理，從而得到各階段煤樣的應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在各個(gè)壓力階段，重新充入瓦斯氣體后，瓦斯壓力的增大使得前一狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)吸附平衡被打破，并向吸附作用偏移。雖然不同壓力下煤體膨脹變形量的變化在曲線上極具相似性，但是明顯可以看出，初始?jí)毫顟B(tài)較低時(shí)，瓦斯的注入引起的煤體變形量更大，即無(wú)論是軸向變形量還是環(huán)向變形量，在1 MPa時(shí)煤體的膨脹變形量和變形速率最大，之后隨壓力的增大，煤體的吸附變形量和吸附變形速率均有所降低，4 MPa時(shí)達(dá)到最低。

圖7 不同瓦斯壓力下煤體的吸附變形特征

為了更直觀地對(duì)各階段煤體的膨脹變形過(guò)程及特征進(jìn)行定量描述，本文分別采用秦躍平的修正Langmuir函數(shù)和孫重旭的冪指數(shù)函數(shù)來(lái)對(duì)煤體的吸附變形進(jìn)行擬合分析。在此假定煤體的吸附變形與煤體的吸附量存在線性關(guān)系，變形系數(shù)為k。則對(duì)于朗格繆爾(Langmuir)形式而言，煤體的吸附變形量隨時(shí)間變化的關(guān)系可以表示為：

A′=k×A

(1)

式中：Qt——瓦斯累計(jì)吸附量，ml/g；

A′——極限吸附變形量；

A——瓦斯飽和吸附量，ml/g；

B——吸附變形常數(shù)，1/s0.5；

k——變形系數(shù)，g/ml；

t——吸附時(shí)間，s。

由于線性擬合的操作更為簡(jiǎn)單，可靠性也更強(qiáng)，為了便于數(shù)據(jù)處理，在此采用線性擬合方法對(duì)吸附變形曲線進(jìn)行分析。對(duì)式(1)取倒數(shù)，得：

(2)

對(duì)于冪指數(shù)形式而言，煤體的吸附變形量隨時(shí)間的關(guān)系可以表示為：

ε=k×Qt=katb=a′tb

a′=k×a

(3)

式中：a——與煤本身有關(guān)的吸附常數(shù)；

b——吸附特征參數(shù)，取0～1；

a′——t=1時(shí)的吸附變形量。

同樣對(duì)式(3)取對(duì)數(shù)，變換成線性形式：

Y=lna′+bT′

T′=lnt

(4)

因此，通過(guò)試驗(yàn)中采集到的吸附變形量數(shù)據(jù)(各階段經(jīng)過(guò)了歸零處理)，利用式(2)和式(4)進(jìn)行線性擬合，便可得到相應(yīng)的擬合曲線，得到各階段中對(duì)應(yīng)的A′、B，以及a′、b值。其中，型煤在20℃、1 MPa條件下吸附過(guò)程的變形量不同擬合效果如圖8所示。由圖8可知，在1 MPa條件下，型煤20℃時(shí)的吸附變形隨時(shí)間的變化規(guī)律用冪指數(shù)形式來(lái)描述具有更好的擬合效果，而Langmuir形式盡管趨勢(shì)也基本相同，但其擬合效果相對(duì)較差，尤其在吸附變形后期，其偏移量逐漸增大。經(jīng)證實(shí)，在其他氣體壓力下的吸附解吸變形過(guò)程中，均具有同樣的分析結(jié)果。

圖8 20℃型煤1 MPa甲烷吸附變形量擬合結(jié)果

3 結(jié)論

(1)當(dāng)充氣吸附時(shí)，型煤試件的軸向變形與環(huán)向變形隨著時(shí)間變化均逐漸增大，但其應(yīng)變的增長(zhǎng)速率則隨著時(shí)間變化在逐漸遞減；當(dāng)卸壓解吸時(shí)，其軸向變形與環(huán)向變形隨時(shí)間均逐漸減小，而其變形降低速度隨時(shí)間也逐漸減小。

(2)隨著溫度的升高，煤體吸附瓦斯量呈減小趨勢(shì)，其軸向變形和環(huán)向變形量均有所降低。在相同溫度條件下，隨著壓力的升高，型煤試件的變形量和變形速度均有所降低。

(3)不同溫度、壓力下，冪指數(shù)函數(shù)對(duì)于型煤試件吸附、解吸過(guò)程中的應(yīng)變變化的擬合效果要明顯優(yōu)于朗格繆爾形式公式。

(4)由于升溫時(shí)煤體的熱膨脹趨于穩(wěn)定后，仍然有一定波動(dòng)趨勢(shì)，故認(rèn)為在較高溫度下隨時(shí)間的推移煤體有可能產(chǎn)生不可逆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，因而，前述利用極限膨脹量估計(jì)升溫后變形量的方法仍存在一定的誤差，這有可能是造成環(huán)向變形量隨溫度變化不明顯的原因之一，此問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Researchontheadsorptiongasdeformationcharacteristicsofcoalmassunderdifferenttemperaturesandpressures

Li Jing, Wang Yaran, Wang Qifei, Zhao Qianpeng, Hong Huanxiang

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

In order to explore the expansion deformation characteristics of coal mass under the effect of different physical field coupling after gas adsorption, taking coal briquette as research object, using high pressure gas adsorption-desorption coal and rock testing system to conduct adsorption deformation test under different temperatures and pressures. The test results showed that with the increase of temperature, coal gas adsorption quantity showed a trend of decrease, the axial and toroidal deformation were both reduced. Under the same temperature condition, with the increase of pressure, the magnitude and speed of deformation of coal specimen were reduced. Under conditions of different temperatures and pressures, the fitting effect of the power exponential function on strain changes was significantly better than Langmuir Formula in the process of adsorption and desorption

mine gas disaster, multi-physical coupling, absorption expansion deformation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174112),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015QZ04)

栗婧，王亞然，王啟飛等. 不同溫度、壓力下煤體吸附瓦斯變形特征研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(8)：121-127. Li Jing, Wang Yaran, Wang Qifei, et al. Research on the adsorption gas deformation characteristics of coal mass under different temperatures and pressures [J]. China Coal, 2017，43(8):121-127.

TD712.1

A

栗婧(1964-),女,山西長(zhǎng)治人，講師，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)榈V山安全、安全應(yīng)急、安全管理。