外力扰动条件下的瓦斯解吸机理与实验研究＊

齐黎明 郭 达 关联合 陈学习

（1.中国矿业大学 （北京）地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.开滦 （集团）有限责任公司，河北省唐山市，063018；3.华北科技学院安全工程学院，河北省三河市，101601）

外力扰动条件下的瓦斯解吸机理与实验研究＊

齐黎明1，2，3郭 达2关联合2陈学习3

（1.中国矿业大学 （北京）地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.开滦 （集团）有限责任公司，河北省唐山市，063018；3.华北科技学院安全工程学院，河北省三河市，101601）

从理论上对煤体孔隙壁面扩展位移进行了分析，在此基础上，提出了外力扰动条件下的瓦斯吸附分子转变为游离态的判断依据；开展了外力扰动条件下的煤样瓦斯解吸实验方案设计与实施，并对实验数据进行了处理；对扰动诱导煤与瓦斯突出等动力灾害的机理提出了新的解释。研究结果显示，在外力扰动条件下，煤体对瓦斯的吸附平衡被打破，游离瓦斯所占的比例有所增大，瓦斯压力上升，煤与瓦斯突出等动力灾害发生的动力增加。

瓦斯压力 瓦斯解吸 吸附平衡

瓦斯在煤层中赋存的形态主要有自由瓦斯和吸附瓦斯。其中，自由瓦斯约占10%，以气态形式存在；吸附瓦斯约占90%，以固溶体形式存在。自由瓦斯和吸附瓦斯的这种比例存在于吸附平衡条件下，如果吸附平衡条件被打破，比如煤体含水率、温度及电磁环境等发生变化，则自由瓦斯和吸附瓦斯的比例关系将发生变化。由于煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直。因此，煤体对瓦斯的吸附平衡被打破后，煤层瓦斯压力必定也跟着变化。

改变煤体对瓦斯的吸附平衡状态除了上述几种情况外，外力扰动也具有这种功能。目前，在国内外公开的文献资料上，只有西安科技大学的李树刚、赵勇和张天军等开展了低频振动对瓦斯吸附和解吸的影响研究，但是，研究方式仅停留在实验室实验方面。为更深入探索外力扰动对煤体吸附平衡的影响，本文从理论上对外力扰动条件下的瓦斯解吸机理进行分析，并开展相应的实验研究。

1 煤体孔隙壁面扩展位移理论分析

通常认为，煤体内部的孔隙可简化为一个长半轴为a、短半轴为b的椭圆孔。在外加应力扰动条件下，孔隙空间必然会发生变化，假定变化后的孔隙空间仍为椭圆状，且长半轴a不变，短半轴b增加为b1；煤体最大主应力由σ1降为σ11，最小主应力由σ3降为σ33，变形后的煤体受力状况如图1所示。

图1 产生裂纹后的煤体应力分布示意图

再假定孔隙裂纹扩展过程中，孔隙煤壁的移动方向为该点与圆心的延长线，则该点的振动幅度为前后两个圆心与边缘的距离之差。有关椭圆中心到边缘的距离计算，由于椭圆沿x轴和y轴都呈对称关系，因此，分析计算时，只需考虑其四分之一即可，具体如图2所示。

图2中，椭圆圆心到边缘点的距离为L，该点到x轴的垂直高度为H，与x轴的夹角为θ，垂线与x轴交叉位置距右焦点的距离为s，焦点到中心的距离为c，长半轴的长度为a，根据空间几何关系，可得方程组如下：

图2 椭圆边缘点的分布示意图

将式 （1）分别代入式 （2）和式 （3），可得：

将式 （4）代入式 （5），可得：

当煤孔隙裂纹扩展变形后，在新的椭圆条件下，相应位置边缘到圆心的距离为L1，焦距的一半为c1，有：

则煤体孔隙煤壁位移为：

从图1可以看出，裂纹扩展卸压后，煤体向外收缩的位移也为r，则有：

式中：E——煤体的弹性模量，MPa；

R——孔隙煤壁厚度，m。

联合式 （6）、（7）、（8）、（9）即可求解出煤壁内部不同位置的位移，具体计算过程比较复杂，可以通过数值计算得出其结果。

2 煤体孔隙壁面扩展位移与瓦斯解吸的关系

煤体孔隙壁面对瓦斯分子产生吸附作用主要是煤体表面的分子与瓦斯分子相互吸引，瓦斯分子在煤孔隙表面做短暂的停留。处于吸附状态下的瓦斯分子一方面要受到煤体孔隙表面范德华力的作用，另一方面自身仍在做无规则运动，具有一定的动能，该能量较小，不足以克服范德华力逃逸出来，其受力分析如图3所示。

煤体孔隙破裂产生裂纹的瞬间，煤壁迅速反弹，产生振动，类似于图3中左侧煤体向左移动，并带动瓦斯分子一起向左移，这将给处于自由晃动下的瓦斯分子一个力的作用，这个力方向向左，在瞬间内能让瓦斯分子产生加速度，赶上煤壁向左移动的速度，这个力的主动方为煤壁，被动方为瓦斯分子，此时，范德华力除了要克服分子的自由运动以外，还得为瓦斯分子的向左加速运动提供力的作用，如果不足，分子在左移的瞬间，就会离开煤壁，变成游离状态。根据前面的分析可知，在椭圆的不同位置，煤壁移动的位移不同，在相同的时间内，需要产生加速度的力也不一样，瓦斯分子逃出范德华力束缚的比例也不同。

图3 煤壁吸附瓦斯受力平衡示意图

假定煤壁与瓦斯分子间的范德华力为f，瓦斯分子自由运动产生的应力为F1，煤壁由于瞬间位移产生的附加应力为F2，则瓦斯分子逃离煤壁的应力条件如下：

如果式 （10）两边相等，属于临界状态。

根据牛顿定律，再进行变换，有：

根据式 （12）可知，煤体孔隙壁面的瓦斯分子在煤壁破裂产生振动的瞬间，能否解吸出来主要取决于煤壁振动位移越大，瓦斯分子质量越大，其解吸的可能性越大；振动越剧烈，即时间越短，则瓦斯解吸可能性越大。

3 外力扰动条件下的煤样瓦斯解吸实验

3.1 方案设计与实施

（1）实验方案设计。现场采取淮南矿区朱集矿1112（1）运输巷道11-2煤层的新鲜煤样，加工后，粒径约为0.17～0.25 mm，选取150 g，装入煤样罐内，煤样体积约占煤样罐容积的四分之三，

式中：m——瓦斯分子的质量，kg；

t——时间，s。

联合式 （10）和式 （11），有：在煤样罐内放入铁球，增加旋转过程中的撞击作用。装上防震压力表，拧紧煤样罐，反复注入高压瓦斯，等待最终吸附平衡，平衡后的压力读数显示为0.56 MPa，最后，将实验装置安设在电动机上面，通过电动机的旋转，让煤样受到外力的撞击作用，以此来模拟外力对煤样的扰动作用。

（2）实验结果。开动电机，旋转煤样罐，约10 min后，断电，观察实验结果为0.62 MPa。由此可见，通过旋转扰动撞击，确实可以改变原煤样的吸附特性。

3.2 实验结果分析

由于煤样罐内存在四分之一的自由空间，在旋转撞击作用下解吸出的瓦斯，除了促使煤样内部的孔隙瓦斯压力上升外，还得满足自由空间瓦斯上升的需求，因此，最终真实的瓦斯压力值应通过分析计算进行修正。

假设罐的总容积为V，煤样的孔隙率为η，铁球的体积为V2，则孔隙容积V02为：

罐内可供自由瓦斯存在的空间总体积V12为：

式中：p01——瓦斯压力读数，MPa。

朱集矿11-2煤层的孔隙率约为12%，V2约为瓦斯罐总容积的10%，通过计算，实际瓦斯压力值应为1.04 MPa，与初始瓦斯压力值0.56 MPa相比，上升了85.8%。

根据朱集矿11-2煤层的实验结果可知，在旋转扰动条件下，煤体对瓦斯的吸附平衡被打破，游离瓦斯所占的比例有所增大，瓦斯压力上升。

4 结论

煤矿井下瓦斯动力灾害严重威胁着矿井安全生产，在我国，随着矿井开采深度的逐步增加，发生瓦斯动力灾害的矿井数量和灾害严重程度都呈上升趋势。生产实践表明，采掘作业扰动与瓦斯动力灾害的关系非常密切，很多瓦斯动力灾害都是在外力扰动条件下发生的。以开滦矿区马家沟矿为例，该矿瓦斯动力现象皆是在外力扰动作用下产生的，其中由爆破引起的动力现象次数为28次，占51.9%，每次动力现象前作业方式见表1。

表1 马家沟矿动力现象与作业方式关系表

有关外力扰动工作面煤壁并诱导突出，传统的观点认为，其机理在于扰动破坏了工作面前方煤岩体结构的整体稳定性，导致煤岩体坍塌，从而使得饱含高压瓦斯的煤体被暴露出来，在高瓦斯压力梯度作用下发生突出。

根据本文的研究，外力扰动不仅能够影响到工作面前方煤岩体结构的整体稳定性，而且，能够直接破坏煤体对瓦斯的吸附平衡作用，使得瓦斯压力急剧上升，增大了煤与瓦斯突出等动力灾害发生的动力。这也就从另外一个侧面解释了外力扰动对煤与瓦斯突出等各类动力灾害的诱导作用机制。

［1］何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1995

［2］张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术 ［M］.北京：煤炭工业出版社，2001

［3］俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992

［4］闫凯，赵东.水分对煤吸附瓦斯特性影响及微观机理实验研究 ［J］.中国煤炭，2013（3）

［5］王剑光，佘小广.注气驱替煤层气机理研究 ［J］.中国煤炭，2004（12）

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［7］林柏泉.矿井瓦斯防治理论与技术 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1998

［8］李树刚，赵勇，张天军等.低频振动对煤样解吸特性的影响 ［J］.岩石力学与工程学报，2010（增2）

［9］李树刚，赵勇，张天军.低频机械振动影响煤样吸附特性研究 ［J］.中国矿业大学学报，2012（6）

［10］齐黎明.马家沟矿深部煤与瓦斯突出机理及预测研究 ［D］.徐州：中国矿业大学，2005

Methane desorption mechanism and experimental research under external disturbing force

Qi Liming1，2，3，Guo Da2，Guan Lianhe2，Chen Xuexi3
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Kailuan（Group）Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063018，China；3.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 101601，China）

The expanding displacement of porous coal wall was theoretically analyzed，and then the judgement that the adsorbed methane molecules converted to free state under the external disturbing force was proposed.The methane desorption experiments of coal samples were carried out under the external disturbing force and the obtained data were organized.Moreover，the new explanation was put forward for the mechanism of dynamic disasters such as the coal and gas outburst induced by external disturbance.The results showed that the adsorption equilibrium of methane on coal body was broken due to the external disturbance.The proportion of free methane increased，resulting in the increase of methane pressure.So the driving force of coal and gas outburst also increased.

methane pressure，methane desorption，adsorption equilibrium

TD712

A

国家自然科学基金资助 （51204070），河北省重点基础研究项目 （11965629D），中央高校基本科研业务费资助 （2012E1202，2011SYSJJ01），教育部 “新世纪优秀人才支持计划”（NCET-11-0837）

齐黎明 （1979-），男，安徽省安庆市人，副教授，博士后，从事矿山安全方面的教学科研工作。

（责任编辑 张艳华）