不同温度、压力下煤体吸附瓦斯变形特征研究

栗 婧 王亚然 王启飞 赵乾鹏 洪焕翔

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

★ 煤矿安全 ★

不同温度、压力下煤体吸附瓦斯变形特征研究

栗 婧 王亚然 王启飞 赵乾鹏 洪焕翔

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

为了探讨煤体在不同物理场耦合作用下吸附瓦斯后的膨胀变形特征，以型煤为研究对象，利用自行研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统对型煤进行了不同温度、不同压力下的吸附变形试验。试验结果表明，随着温度的升高，煤体吸附瓦斯量呈减小趋势，其轴向变形和环向变形量均有所降低；在相同温度条件下，随着压力的升高，型煤试件的变形量和变形速度均有所降低；不同温度、压力下，幂指数函数对于型煤试件吸附、解吸过程中的应变变化的拟合效果要明显优于朗格缪尔形式公式。

矿井瓦斯灾害 多物理场耦合 吸附膨胀变形

瓦斯是成煤作用的伴生物，主要赋存于煤体内部的微观孔隙、裂隙之间，与煤层之间存在复杂的交互作用；煤体作为一种天然的吸附剂，会吸附大量的瓦斯，煤中吸附态瓦斯约占煤层瓦斯总量的80%～90%。瓦斯的存在对煤体具有特定的影响作用，瓦斯被煤体吸附后，会附着于煤体微观孔隙的表面并引起煤基质的膨胀变形，这一过程不仅会改变煤体的力学特性，而且膨胀作用还会导致煤体内部裂隙闭合，改变煤体的渗透特性。因此，对煤体吸附瓦斯后的膨胀变形特征进行研究将有助于提高对含瓦斯煤体力学特性和瓦斯运移特征的认识，对实现矿井瓦斯灾害防治、地面及井下抽采瓦斯及完善井下煤气共采、煤层气开采等具有重大的现实意义。

国内外学者利用理论分析、试验测试等手段对煤体吸附瓦斯后的变形特征开展了大量研究。理论方面，Grayl认为煤体吸附瓦斯的膨胀变形量与煤层瓦斯压力呈正比，并给出了计算关系式；Panz等假设煤吸附膨胀所导致的表面自由能改变与吸附量是线性相关的，并引入煤密度、弹性模量和孔隙度等参数推导出煤体吸附瓦斯的膨胀模型；聂百胜等根据煤体表面化学理论推导出了煤固体膨胀变形的计算模型；白冰等认为固体吸附后表面的动力能下降是固体膨胀的主要原因；吴世跃等根据煤体表面物理化学特性和力学原理，推导出吸附变形与热力学的关系式；周军平等根据能量守恒原理和热力学原理，提出了煤岩吸附膨胀应变模型。试验方面，国内外研究人员对煤吸附膨胀变形的特性和影响因素(温度、压力、煤体结构、含水量等)进行了观测分析。文献均使用试验手段测试吸附瓦斯状态下的煤体膨胀变形量，其中，韩勇等对不同煤样进行高压吸附试验，并用Langmiur方程对所得数据进行拟合，结果表明不同煤样的吸附能力差异较大，且Langmiur式能较好地描述瓦斯吸附现象；Majewskaz等研究了煤体在CO2和CH4循环作用下的吸附特征，结果发现，每次循环都会对煤的物理结构产生影响，吸附膨胀应变减小；Bergen F V等采用不同煤阶、不同含水量的煤样做气体吸附变形试验，发现水分能抑制吸附膨胀；刘延保等发现煤体的吸附变形效应具有各向异性特征，煤体在垂直层理方向的变形要明显大于平行层理方向；徐满贵等对软煤和硬煤在恒温条件下的吸附特征进行研究，发现软煤的吸附速率和吸附饱和量均大于硬煤，得出软煤较硬煤吸附瓦斯能力更强的结论；梁冰等对低压吸附条件下瓦斯的变形量进行测试；张遵国等对原煤和型煤的吸附瓦斯膨胀变形特征进行对比研究，发现两者的变形具有不同的阶段性特征；聂百胜等采用不同的加压方式对煤体的吸附变形特征进行研究，发现等梯度加压方式时煤体的变形量要稍高于一次性加压方式。

综上所述，前人在煤体吸附变形方面的研究取得了丰硕成果，但针对不同温度、压力下的吸附变形规律方面的研究还有所欠缺。鉴于此，本文以型煤试样为研究对象，利用自主研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统，进行煤体吸附瓦斯后的膨胀变形试验,对不同温度和压力条件下煤体吸附瓦斯的变形量、变形速率、变形动态过程以及吸附瓦斯量与膨胀变形的对应关系等问题展开针对性探究。

1 吸附膨胀变形试验研究

1.1 试验系统

试验测试使用了自主研制的煤体高压多场耦合吸附-解吸瓦斯变形测试试验系统，如图1所示。该试验系统包括高压气瓶、吸附罐、应变测试系统(SDY动静态应变仪和HIOKI日置8860-50存储记录仪)、温度控制系统(温控仪、温度传感器和玻璃纤维加热带)和抽真空系统5个组成部分，具有测定不同温度、压力下煤体吸附-解吸瓦斯变形量的功能。

图1 试验系统图

1.2 试验样品

本次试验研究所使用型煤煤样采自于冀中能源集团东庞矿2#煤层第十二采区的21213掘进工作面。制作过程中，首先对煤块进行破碎，而后使用球磨机进行研磨，再利用筛子筛分出0.25～0.5 mm粒径的煤粉，在煤粉中按1∶4的配比添加煤焦油。搅拌混合均匀后，将制备好的煤粉装到模具中，控制伺服压力机以一定压力制成型煤。压制好的型煤试件在室内风干，养护30 d。型煤试件尺寸为ø50 mm×75 mm。黏贴有应变片的待测样品如图2所示。

图2 黏贴有应变片的待测样品

为对煤样的特性进行准确分析，用煤质分析仪对煤样进行了工业性分析和元素分析测试，其水分Mad为1.76%、灰分Aad为9.13%、干基挥发份Vdaf为38.92%、固定碳Fc为73.4%，含硫量S为0.35%，含氢量H为4.21%，含氮量N为1.46%，含氧量O为14.1%。

1.3 试验方法

试验采用纯度(体积分数)为99.99%的CH4气体作为吸附介质，在20℃和60℃两个不同环境温度下进行吸附变形量测试，试验气体压力分设1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa 4个梯度，具体试验步骤如下：

(1)试验前将待测样品放入恒温干燥箱中，在箱内温度为65℃下持续烘干10 h后，将样品置入干燥皿中冷却至室温。然后，清洁样品壁面并安设应变片。

(2)将待测试样放入腔体中，连接好应变片，并用绝缘胶带贴好，防止其与管壁接触，然后连接好其他系统组件并将腔体密封，保证系统气密性良好。

(3)开启温度控制系统及压力监测系统，进行试验前的系统预热，时间不低于0.5 h，通过温度控制器和温度探头保证腔体内部环境温度稳定于预设温度(±2℃)。

(4)开启真空泵，对整个试验过程进行抽真空操作，持续时长不低于4 h，且系统真空度要低于50 Pa，之后关闭真空泵，维持真空状态4 h。

(5)按照1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 4个压力梯度顺序使用高压气瓶向密封腔体内部充入CH4气体。如在1 MPa压力时，调节减压阀并打开针型阀，保证腔内压力恒定为1 MPa，维持3 h并观测煤体的吸附变形量，而后将压力提高至2 MPa，重复以上操作进行试验。如此反复，直至完成4个压力梯度的测试。

(6)在吸附试验完成时，开始泄压解吸瓦斯，先将内部压力降低到2 MPa，维持2 h，再降至大气压，维持2 h，解吸试验完毕。

(7)试验完成，进行下一组测试。

2 试验结果与分析

2.1 不同温度下的吸附变形特征

依据试验方案的设计，本次试验可分为5个阶段，其中，前4个阶段是充气压力以1 MPa的梯度依次递增的吸附阶段，最后一个阶段为卸压解吸阶段，每个阶段持续时间为3 h。不同温度下煤体吸附瓦斯之后的变形情况如图3、图4所示。由图3(a)和图4(a)可以看出，试验过程中各阶段的气体压力保持了较高的稳定性。由图3(b)、(c)和图4(b)、(c)可以看出，型煤试件对于充入的吸附气体压力具有较强的敏感性。相同压力下，随着CH4气体的充入，型煤试件的轴向变形与环向变形随着时间变化均逐渐增大，但其应变的增长速率则随时间变化逐渐减小；当充入气体的压力升高时，型煤试件的轴向应变和环向应变在原有变形的基础上，以相类似的规律逐渐增大；而当腔体内气体压力卸载时，型煤试件的轴向变形和环向变形均逐渐减小。在相同环境温度条件下环向变形与轴向变形的差别不大，但环向变形相对小于轴向变形。20℃条件下，环向变形与轴向变形的最大值分别为443.75 με和549.70 με；而在60℃条件下，环向变形的最大值却大于轴向变形最大值，分别为504.75 με和477.99 με。

图3 20℃型煤吸附解吸轴向应变和环向应变

图4 60℃型煤吸附解吸轴向应变和环向应变

由此可以看出，煤体的吸附变形过程除了受吸附气体压力的影响外，同样受环境温度的影响。因此，需要对型煤的升温变形量进行对照试验。20℃抽真空后，在不充入气体的条件下，在12 h的时间内逐渐升温至60℃，测定型煤由环境温度变化而引起的变形量。其轴向应变与环向应变随升温时间变化的结果如图5所示。

图5 型煤升温变形试验结果

由图5可知，轴向应变和环向应变在温度升高后煤样均产生了膨胀变形，在温度升高初始时刻变形量急剧增大而后趋于稳定。将稳定后的煤体变形记为极限膨胀变形量，则相较于20℃条件，60℃时煤样在轴向和环向的极限变形量分别为62.51 με和55.23 με。

为了探究温度场对型煤吸附解吸变形规律的影响，分别提取了同等压力、不同温度条件下煤体的极限变形量，温度对煤体吸附变形量的影响分析如图6所示，其中60℃时煤体吸附瓦斯的变形量为测试值和极限变形量的差值。由图6可以看出，对于煤体吸附瓦斯后的轴向变形，在各个压力点均有随着温度的升高变形量减小的趋势；而对于环向变形尽管这种趋势没有轴向变形明显，但依然可见低温条件下的变形量要稍大于高温条件。随温度升高，煤体吸附的瓦斯量减少，附着于煤体微孔表面的气体分子总量也有所减少，造成煤体的膨胀变形量降低，由此可见，温度的升高有削减煤体吸附瓦斯效果的趋势。

图6 温度对煤体吸附变形量的影响分析

2.2 不同瓦斯压力下的吸附变形特征

试验测试过程中瓦斯进入腔体之后煤体经历了渗流、扩散、吸附3个不同阶段，由此可见，煤样最终吸附足量的瓦斯并产生膨胀变形需要一定的过程。为了更明确地对各气体压力下的变形特征进行对比分析，在此以每个阶段的起始变形量为基点，将各阶段的煤样变形进行调零处理，从而得到各阶段煤样的应变随时间的变化关系，结果如图7所示。由图7可知，在各个压力阶段，重新充入瓦斯气体后，瓦斯压力的增大使得前一状态下的动态吸附平衡被打破，并向吸附作用偏移。虽然不同压力下煤体膨胀变形量的变化在曲线上极具相似性，但是明显可以看出，初始压力状态较低时，瓦斯的注入引起的煤体变形量更大，即无论是轴向变形量还是环向变形量，在1 MPa时煤体的膨胀变形量和变形速率最大，之后随压力的增大，煤体的吸附变形量和吸附变形速率均有所降低，4 MPa时达到最低。

图7 不同瓦斯压力下煤体的吸附变形特征

为了更直观地对各阶段煤体的膨胀变形过程及特征进行定量描述，本文分别采用秦跃平的修正Langmuir函数和孙重旭的幂指数函数来对煤体的吸附变形进行拟合分析。在此假定煤体的吸附变形与煤体的吸附量存在线性关系，变形系数为k。则对于朗格缪尔(Langmuir)形式而言，煤体的吸附变形量随时间变化的关系可以表示为：

A′=k×A

(1)

式中：Qt——瓦斯累计吸附量，ml/g；

A′——极限吸附变形量；

A——瓦斯饱和吸附量，ml/g；

B——吸附变形常数，1/s0.5；

k——变形系数，g/ml；

t——吸附时间，s。

由于线性拟合的操作更为简单，可靠性也更强，为了便于数据处理，在此采用线性拟合方法对吸附变形曲线进行分析。对式(1)取倒数，得：

(2)

对于幂指数形式而言，煤体的吸附变形量随时间的关系可以表示为：

ε=k×Qt=katb=a′tb

a′=k×a

(3)

式中：a——与煤本身有关的吸附常数；

b——吸附特征参数，取0～1；

a′——t=1时的吸附变形量。

同样对式(3)取对数，变换成线性形式：

Y=lna′+bT′

T′=lnt

(4)

因此，通过试验中采集到的吸附变形量数据(各阶段经过了归零处理)，利用式(2)和式(4)进行线性拟合，便可得到相应的拟合曲线，得到各阶段中对应的A′、B，以及a′、b值。其中，型煤在20℃、1 MPa条件下吸附过程的变形量不同拟合效果如图8所示。由图8可知，在1 MPa条件下，型煤20℃时的吸附变形随时间的变化规律用幂指数形式来描述具有更好的拟合效果，而Langmuir形式尽管趋势也基本相同，但其拟合效果相对较差，尤其在吸附变形后期，其偏移量逐渐增大。经证实，在其他气体压力下的吸附解吸变形过程中，均具有同样的分析结果。

图8 20℃型煤1 MPa甲烷吸附变形量拟合结果

3 结论

(1)当充气吸附时，型煤试件的轴向变形与环向变形随着时间变化均逐渐增大，但其应变的增长速率则随着时间变化在逐渐递减；当卸压解吸时，其轴向变形与环向变形随时间均逐渐减小，而其变形降低速度随时间也逐渐减小。

(2)随着温度的升高，煤体吸附瓦斯量呈减小趋势，其轴向变形和环向变形量均有所降低。在相同温度条件下，随着压力的升高，型煤试件的变形量和变形速度均有所降低。

(3)不同温度、压力下，幂指数函数对于型煤试件吸附、解吸过程中的应变变化的拟合效果要明显优于朗格缪尔形式公式。

(4)由于升温时煤体的热膨胀趋于稳定后，仍然有一定波动趋势，故认为在较高温度下随时间的推移煤体有可能产生不可逆的内部结构破坏，因而，前述利用极限膨胀量估计升温后变形量的方法仍存在一定的误差，这有可能是造成环向变形量随温度变化不明显的原因之一，此问题尚需进一步研究。

[1] 俞启香,程远平.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社, 2012

[2] 姚宇平.吸附瓦斯对煤的变形及强度的影响[J].煤矿安全,1988(12)

[3] 李祥春,聂百胜,何学秋等.瓦斯吸附对煤体的影响分析[J].煤炭学报,2011(12)

[4] Pan Z, Connell L D. A theoretical model for gas adsorption-induced coal swelling[J]. International Journal of Coal Geology, 2007(4)

[5] 聂百胜,何学秋,王恩元.煤的表面自由能及应用探讨[J]. 太原理工大学学报,2000(4)

[6] 白冰,李小春,刘延锋等.CO2-ECBM中气固作用对煤体应力和强度的影响分析[J].岩土力学,2007(4)

[7] 吴世跃,赵文,郭勇义.煤岩体吸附膨胀变形与吸附热力学的参数关系[J].东北大学学报,2005(7)

[8] 周军平, 鲜学福, 姜永东等.基于热力学方法的煤岩吸附变形模型[J].煤炭学报,2011(3)

[9] Seidel JR,Huitt L G.Experimental Measurement of Coal Matrix Shrinkage Due to Gas Desorption and Implications for Cleat Permeability Increases[C].Society of Petroleum Engineers,1995

[10] Harpalani S, Chen G. Influence of gas production induced volumetric strain on permeability of coal[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 1997(4)

[11] 韩勇,张瑾,李璐等.平顶山矿区煤孔隙特征及瓦斯吸附控制机理研究[J].中国煤炭,2017(5)

[12] Majewska Z, Zietek J. Acoustic emission and sorptive deformation induced in coals of various rank by the sorption-desorption of gas[J]. Acta Geophysica, 2007(3)[13] Bergen F V, Spiers C, Floor G, et al. Strain development in unconfined coals exposed to CO2, CH4, and Ar: Effect of moisture[J]. International Journal of Coal Geology,2009(1)

[14] 刘延保,曹树刚,李勇等.煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010(12)

[15] 许满贵,孟然,韩金子等. 软煤体孔隙结构影响瓦斯吸附特性的试验研究[J].中国煤炭,2015(10)

[16] 梁冰,于洪雯,孙维吉等.煤低压吸附瓦斯变形试验[J].煤炭学报,2013(3)

[17] 张遵国,曹树刚,郭平等.原煤和型煤吸附-解吸瓦斯变形特性对比研究[J].中国矿业大学学报,2014(3)

[18] 聂百胜,卢红奇,李祥春等.煤体吸附-解吸瓦斯变形特征试验研究[J].煤炭学报,2015(4)

(责任编辑 张艳华)

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

国家自然科学基金资助项目(51174112),中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015QZ04)

栗婧，王亚然，王启飞等. 不同温度、压力下煤体吸附瓦斯变形特征研究[J].中国煤炭，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,山西长治人，讲师，硕士生导师，博士，主要研究方向为矿山安全、安全应急、安全管理。