李會云
(晉煤集團晉圣公司 億欣煤業(yè)公司,山西 晉城 048006)
煤是一種傳統(tǒng)能源,是一種雙重孔隙介質(zhì),即孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)[1-2]。煤中存在吸附態(tài)和游離態(tài)的甲烷,其中吸附態(tài)的甲烷占80%以上[3]。當煤層受到采動、抽采影響后,煤層內(nèi)的瓦斯平衡狀態(tài)被打破,在采動影響的區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯會重新分布,在瓦斯重新分布的過程中,煤體會發(fā)生微觀的變形,這種微觀的變形會造成煤體滲透率的改變,從而影響瓦斯抽采率發(fā)生變化。張遵國等[4]對不同含水率軟煤的吸附特性及膨脹特性進行了研究,結(jié)果表明:水分可抑制膨脹變形的增加,在一定的含水率范圍內(nèi),極限吸附膨脹變形量隨著含水率的增加而減??;栗婧等[5]對不同溫度條件下的型煤吸附解吸變形進行了研究,研究發(fā)現(xiàn)吸附過程中的變形具有各向異性的特性,解吸過程中的變形具有各向同性的特征;翟盛銳等[6]對不同粒度的型煤煤樣的變形特性進行了實驗研究,由直徑為0.85 mm的煤樣制作的型煤吸附解吸變形最大,由直徑為0.42 mm的煤樣制作的型煤吸附解吸變形最小,煤樣解吸后存在一定的殘余變形;刑俊旺[7]對不同氣體引起的煤體變形特性進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):對于同一注入壓力,氦氣引起的體應變增幅較大,CO2引起的體應變增幅最小。本文基于吸附膨脹變形測試,采用垂直于層理方向的原煤煤樣對煤體的膨脹變形特性進行研究,以期為煤層瓦斯抽采提供理論依據(jù)。
實驗煤樣取自山西晉煤集團晉圣公司億欣煤業(yè),在工作面選取大塊無構(gòu)造的煤樣,密封保存后送至實驗室。實驗煤樣的堅固性系數(shù)為1.22。為了研究煤樣的吸附膨脹特性,沿著煤樣垂直于層理的正交方向,采用HZ-15型電動取芯機進行取芯。取芯時參照中華人民共和國國家標準GB11818-89《混凝土鉆孔取芯機技術(shù)標準》,取芯過程中轉(zhuǎn)速不宜過快,轉(zhuǎn)速過快會破壞煤芯,在取芯過程中加入少量的水會避免粉塵過大和鉆頭溫度過高,取芯機鉆頭的直徑為50 mm,長度為400 mm。直徑為50 mm的煤芯取出后,采用切磨機對所取出的煤芯進行切磨,使煤芯的高度為50 mm,同時使煤芯端面的不平整度小于0.02 mm,制得的試樣如圖1所示。
圖1 直徑為50 mm、高度為50 mm的實驗煤樣
用于煤樣測試的實驗系統(tǒng)為吸附膨脹測試系統(tǒng)(如圖2所示),該實驗系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)、死體積標定系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及解吸測試系統(tǒng)。具體實驗步驟如下:
1) 將所制得的煤樣采用恒溫干燥箱進行干燥,干燥溫度為105℃,在干燥過程中,每次間隔1個小時對煤樣進行稱重,直至前后兩個小時煤樣的質(zhì)量不再發(fā)生改變,視為干燥結(jié)束;
2) 對實驗煤樣進行稱重,稱重后將實驗煤樣放入煤樣罐7中,擰緊煤樣罐;
3) 打開恒溫水浴10,設(shè)置實驗溫度為30℃,將氦氣罐1中的氣體充入煤樣罐中并保壓3 h;在3 h內(nèi),如果煤樣罐的壓力降低,需對實驗系統(tǒng)進行重新檢漏;如果煤樣罐內(nèi)壓力不發(fā)生變化,則繼續(xù)進行實驗;
4) 打開應變儀12的電源,同時打開真空泵5的電源,則真空泵開始對煤樣罐進行抽真空,同時電腦自動記錄抽真空期間煤樣的應變,當煤樣罐內(nèi)的真空度小于20 Pa時,視為抽真空結(jié)束;
5) 抽真空結(jié)束以后,采用甲烷罐2對煤樣罐進行充氣,當充至某一壓力值時,關(guān)閉閥門d,使煤樣罐內(nèi)的煤樣進行吸附,同時電腦自動記錄吸附期間煤樣的應變;
6) 實驗結(jié)束后,整理實驗數(shù)據(jù),并按照上述實驗步驟對另一煤樣進行測試,排除吸附膨脹無法恢復原樣的影響。
圖2 吸附膨脹變形測試系統(tǒng)
本文共測試了3個吸附平衡壓力下的膨脹變形及抽真空的收縮變形,文中定義收縮變形為負,膨脹變形為正,不考慮充氣瞬間對煤體變形的影響。3個煤樣抽真空期間的收縮變形隨時間的變化規(guī)律如圖3所示; 3個煤樣吸附期間的膨脹變形隨時間的變化規(guī)律如圖4所示。
由圖3可知,3個煤樣的體應變均隨著時間的增加而逐漸增加,即煤樣的收縮度增加,但是增加的幅度逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是,隨著時間的增加,煤樣罐內(nèi)的真空度逐漸減小,煤體孔隙內(nèi)的氣體逐漸減少,因此煤樣的收縮度逐漸增加。3個煤樣收縮變形出現(xiàn)差異的原因主要是煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同,即3號煤樣內(nèi)大的裂隙和孔隙占據(jù)的數(shù)量比2號煤樣和1號煤樣的都要大。因此出現(xiàn)3號煤樣的收縮變形大于2號煤樣的收縮變形,2號煤樣的收縮變形大于1號煤樣的收縮變形。試樣的體應變(ε)與時間滿足Langmuir的函數(shù)關(guān)系,可采用Langmuir函數(shù)對圖3中的散點曲線進行擬合,擬合公式如式(1)所示,擬合參數(shù)如表1所示,擬合效果較好。
(1)
式中:ε為體應變;a和b為擬合參數(shù);t為抽真空時間。
表1 式(1)中的擬合參數(shù)
由圖4可知,3個煤樣的體應變均隨著吸附時間的增加而逐漸增加,即煤樣的膨脹變形逐漸增加,但是增加的幅度逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是,隨著吸附時間的增加,煤體孔隙內(nèi)瓦斯的吸附量逐漸增加,同時裂隙內(nèi)被一定量的瓦斯所填充,造成煤體孔隙、裂隙膨脹,因此膨脹變形的量逐漸增加。膨脹變形增加的幅度逐漸變小的原因是,隨著吸附的進行,煤體對瓦斯的吸附能力逐漸減弱,因此膨脹變形增加的幅度逐漸變小。吸附平衡壓力越大,試樣的體應變越大,因為吸附平衡壓力越大,煤體孔隙內(nèi)吸附的瓦斯越多,因此其體應變越大。煤體的膨脹變形,即體應變與時間滿足冪函數(shù)的函數(shù)關(guān)系,采用冪函數(shù)可以對散點進行較好的擬合,擬合公式如式(2)所示,擬合參數(shù)如表2所示。
ε=ctd
(2)
式中:ε為體應變;c和d為擬合參數(shù);t為抽真空時間。
圖4 吸附期間煤樣的膨脹變形隨時間的變化規(guī)律
表2 式(2)中的擬合參數(shù)
1) 對煤體進行抽真空時,煤體會發(fā)生收縮變形,煤體的體應變隨著時間的增加而逐漸增加,煤樣的體應變與時間滿足Langmuir的函數(shù)關(guān)系;
2) 煤體進行吸附瓦斯時,煤體會發(fā)生膨脹變形,煤體的體應變隨著時間的增加而逐漸增加,煤體的體應變與時間滿足冪函數(shù)的函數(shù)關(guān)系;
3) 隨著吸附平衡壓力的增加,煤體吸附的瓦斯量逐漸增多,煤體的體應變逐漸增加。