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(duì)瓦斯的極強(qiáng)吸附能力，國內(nèi)外學(xué)者從煤巖瓦斯的吸附機(jī)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度會(huì)發(fā)生不同程度的降低。

本文首次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究

1.1 煤樣制作

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jī)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由用于測(cè)定煤巖變形量的應(yīng)變測(cè)試儀、密閉與參考?xì)馐?、高壓氣體供給與控制系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

圖1 煤巖吸附-解吸變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)空間，采用45號(hào)不銹鋼材料加工而成，耐受壓力不低于8 Mpa。

2)應(yīng)變測(cè)試儀

應(yīng)變測(cè)試儀采用Vishay公司生產(chǎn)的P-7000型靜態(tài)應(yīng)變儀，用于測(cè)量型煤煤樣在瓦斯-吸附過程中的變形量，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求測(cè)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(shí)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(cè)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(jí)精度。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(cè)管路、氣體控制系統(tǒng)、密閉氣室的氣密性。

2)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性，并準(zhǔn)確測(cè)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(cè)試儀。

4)利用真空泵對(duì)高壓氣室抽真空60 min，開啟P-7000靜態(tài)應(yīng)變儀，觀測(cè)真空表，真空度達(dá)到-0.1 MPa時(shí)，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(gè)壓力點(diǎn)保持60 min，測(cè)量不同氣體壓力條件下的煤巖變形量。

6)依照2)～5)步驟測(cè)量不同粒度煤巖樣在各個(gè)氣體壓力條件下的煤巖變形量。

7)將實(shí)驗(yàn)氣體更換為純度為99.99%的CH4，重復(fù)步驟2)～5)，并保持每個(gè)壓力點(diǎn)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(yàn)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)膨脹變形，實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(dòng)，煤巖產(chǎn)生膨脹變形進(jìn)而釋放彈性勢(shì)能。

圖2 0.5 MPa He氣注入時(shí)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(shí)，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(shí)，煤巖處于彈性收縮變形，但氣體壓力的升高并不會(huì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)氣體為CH4時(shí)，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?；谛兔好簶拥臉?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(kuò)散、吸附的時(shí)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(kuò)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(shí)驗(yàn)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(kuò)散，煤巖體對(duì)進(jìn)入其內(nèi)部的CH4產(chǎn)生吸附。實(shí)驗(yàn)以打開閥門瞬間煤巖由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)向膨脹為記錄點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：煤巖瓦斯吸附變形量與吸附時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)膨脹變形，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，氣體通過微孔隙或裂隙向低濃度區(qū)及低壓力區(qū)擴(kuò)散，直至濃度與壓力二者達(dá)到平衡，如圖9～10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，煤巖解吸產(chǎn)生的收縮變形與解吸時(shí)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(gè)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(cè)量取值如圖11所示。

圖11 瓦斯吸附-解吸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)定了煤巖的吸附膨脹變形及解吸收縮變形，測(cè)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(duì)變形量；P表示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)氣體壓力變化產(chǎn)生殘余變形的變化率。對(duì)式中參數(shù)的具體驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，煤巖會(huì)產(chǎn)生收縮變形，煤巖收縮變形量與時(shí)間呈指數(shù)方程，實(shí)驗(yàn)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。

[1] 聶百勝,楊濤,李祥春,等.煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律實(shí)驗(yàn)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,42(6):975-981.

NIE Baisheng,YANG Tao,LI Xiangchun,et al.Research on diffusion of methane in coal particles[J]. Journal of China University of Mining&Technology,2013,42(6):975-981.

[2] 張力,何學(xué)秋,聶百勝. 煤吸附瓦斯過程的研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2000,27(6):1-2.

ZHANG Li,HE Xueqiu,NIE Baisheng. Study on the process of coal absorbing Gas[J]. Mining Safety and Environmental Protection, 2000,27(6):1-2.

[3] 何學(xué)秋,王恩元,林海燕.孔隙氣體對(duì)煤體變形及蝕損作用機(jī)理[J] .中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1996(1):6-11.

HE Xueqiu,WANG Enyuan,LIN Haiyan. Coal deformation fracture mechanism under pore gas action[J]. Journal of China University of Mining&Technology,1996(1):6-11.

[4] 游木潤.甲烷對(duì)煤的變形特征和應(yīng)力狀態(tài)的影響[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),1984.

[5] 王佑安,陶玉梅,王魁軍，等.煤的吸附變形與吸附變形力[J] .煤礦安全,1993(6):19-26.

WANG Youan,TAO Yumei,WANG Kuijun,et al. Adsorption deformation and adsorption deformation force of coal[J]. Safety in Coal Mines, 1993(6):19-26.

[6] 盧平,沈兆武,朱貴旺，等.含瓦斯煤的有效應(yīng)力與力學(xué)變形破壞特性[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001,31(6):687-693.

LU Ping, SHEN Zhaowu, ZHU Guiwang, et al. The effective stress and mechanical deformation and damage characteristics of gas-filled coal[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2001, 31(6): 687-693.

[7] 劉延保,曹樹剛,李勇,等. 煤體吸附瓦斯膨脹變形效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(12):2484-2491.

LIU Yanbao,CAO Shugang,LI Yong, et al. Experimental study of swelling deformation effect of coal induced by gas adsorption l[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010,29(12):2484-2491.

[8] 聶百勝,盧紅奇,李祥春,等. 煤體吸附-解吸瓦斯變形特征實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2015,40(4):754-759.

NIE Baisheng,LU Hongqi,LI Xiangchun,et al. Experimental study on the characteristics of coal deformation during gas Absorption and desorption process[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(4):754-759.

[9] 栗婧,宋天寶,王瑜敏,等. 型煤吸附不同氣體變形規(guī)律研究[J]. 煤礦安全,2017,48(9):9-12.

LI Jing, SONG Tianbao, WANG Yumin,et al. Study on deformation laws of briquette coal under adsorbing different gases[J]. Safety in Coal Mines , 2017,48(9):9-12 .

[10] 劉延保,金洪偉,王波. 煤巖體吸附、解吸瓦斯過程中動(dòng)態(tài)變形特性的研究進(jìn)展[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,31(5):625-629.

LIU Yanbao, JIN Hongwei , WANG Bo. Development of dynamic deformation characteristics of coal in the process of gas adsorption and desorption[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science Edition) ,2012,31(5):625-629.

[11] 張遵國,曹樹剛,郭平,等. 原煤和型煤吸附-解吸瓦斯變形特性對(duì)比研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(3):388-394.

ZHANG Zunguo, CAO Shugang,GUO Ping,et al. Comparison of the deformation charactertics of coal in gas adsorption-desorption process for law and briquette coals[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2014,43(3):388-394.

[12] 翟盛銳.考慮孔隙瓦斯劣化作用的煤巖損傷本構(gòu)模型[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(2):16-21.

ZHAI Shengrui. Constitutive model of coal or rock damage related to pore gas degradation[J]. Journal of Safety Science and Technology,2014,10(2):16-21.

[13] 祝捷,張敏,傳李京,等. 煤吸附/解吸瓦斯變形特征及孔隙性影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,(S1):2620-2626.

ZHU Jie，ZHANG Min，CHUAN Lijing，et al. Experimental study on coal strain induced by methane sorption/desorption and effect of pore features[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016,(S1):2620-2626.

[14] 梁冰,賈立鋒,孫維吉,等. 粒狀煤和塊狀煤等溫吸附CH4試驗(yàn)研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2017,13(3):53-57.

LIANG Bing,JIA Lifeng,SUN Weiji,et al. Experimental study on isothermal adsorption of methane by granular coal and lump coal[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2017,13(3):53-57.

[15] 翟盛銳.孔隙氣體對(duì)煤巖的蝕損規(guī)律及煤巖電磁輻射效應(yīng)研究[D] .北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2012.