不同粒度型煤煤样瓦斯吸附-解吸变形特征实验研究*

翟盛锐

(华北科技学院 安全工程学院，河北 燕郊 065201)

0 引言

矿井瓦斯是煤岩体的主要赋存环境因素之一，基于煤岩材料多孔介质的属性，其表现出对瓦斯的极强吸附能力，国内外学者从煤岩瓦斯的吸附机理、煤岩吸附瓦斯后的力学特征等方面开展了大量研究。聂百胜等[1]利用表面物理化学的相关理论揭示了煤岩体吸附瓦斯的本质；张力等[2]从煤岩细观结构入手阐述了煤吸附瓦斯的过程；何学秋[3]、游木润等[4]研究了煤吸附瓦斯后的变形、变形力及煤的力学特征；王佑安[5]、卢平等[6]研究了煤岩吸附变形与吸附变形力；文献[7-14]通过实验研究了型煤煤样吸附瓦斯后的变形特征，研究结果表明：煤岩体具有吸附膨胀、解吸收缩的变形特征，且煤岩在吸附瓦斯后其力学强度会发生不同程度的降低。

本文首次实验测定了煤岩在不同压力条件下吸附瓦斯全过程的变形特征，得出了瓦斯压力与吸附变形量的表达式，基于实验研究结果发现煤岩瓦斯吸附-解吸引起的膨胀-收缩变形存在一定的残余变形，通过分析得出类残余变形的函数表达式。

1 实验研究

1.1 煤样制作

实验选用的煤样参考文献[15]中型煤煤样的制作方法，取张家口宣东煤矿南山矿北五外区15层1#综放工作面落煤，实验室分选出0.85，0.42，0.18 mm 3种粒度，为增加煤岩的力学强度，模拟不同力学性质的煤岩样，分别加入5%的煤焦油，后置入Φ50 mm×100 mm的圆柱形模具中利用刚性压力机压制。规格及力学参数如表1所示。

表1 型煤试样力学参数Table 1 Mechanical parameters of sample

1.2 实验系统

实验系统主要由用于测定煤岩变形量的应变测试仪、密闭与参考气室、高压气体供给与控制系统3部分组成，如图1所示。

图1 煤岩吸附-解吸变形测量实验系统Fig.1 Experimental system of coal rock adsorption desorption deformation

1)高压与参考气室

密闭与参考气室为煤岩吸附-解吸提供高压实验空间，采用45号不锈钢材料加工而成，耐受压力不低于8 Mpa。

2)应变测试仪

应变测试仪采用Vishay公司生产的P-7000型静态应变仪，用于测量型煤煤样在瓦斯-吸附过程中的变形量，实验系统要求测试精度不高于±2%，采集速率不低于2 KHz。

3)气体供给与控制系统

该系统的主要功能是实现气体从高压气瓶注入气室内，由真空泵、真空压力表、高纯度CH4气体、气压测量与控制系统、电磁阀门等组成。

真空泵：极限压力6×10-2Pa，抽速不低于4 L/s；

真空表：真空度-0.1 MPa，精度为0.000 5 MPa；

压力表：量程0～6 MPa，4级精度。

1.3 实验步骤

1)利用相关管路及气体供给与控制系统，向密闭气室充入不低于5 MPa的He气，观察24 h气压变化，检测管路、气体控制系统、密闭气室的气密性。

2)检测实验系统的气密性，并准确测量试件的尺寸(直径和长度)，参考文献[15]中的方法，使用2-氰基丙烯酸乙酯沿煤岩样水平和垂直方向粘贴电阻应变片，并保证应变片完好后将试样置入高压气室内。

3)应变片的接线通过密闭气室的导线输出孔引出接入P-7000型静态应变测试仪。

4)利用真空泵对高压气室抽真空60 min，开启P-7000静态应变仪，观测真空表，真空度达到-0.1 MPa时，关闭真空控制阀和真空泵。

5)通过供气与气体控制系统，依次向高压气室内注入以1 MPa间隔至5 MPa的He气，每个压力点保持60 min，测量不同气体压力条件下的煤岩变形量。

6)依照2)～5)步骤测量不同粒度煤岩样在各个气体压力条件下的煤岩变形量。

7)将实验气体更换为纯度为99.99%的CH4，重复步骤2)～5)，并保持每个压力点吸附平衡24 h，通过P-7000静态应变仪记录不同压力吸附与解析过程煤岩变形量。

8)数据处理与分析，获取不同压力、不同种类气体、不同煤岩样的变形特征。

试验环境条件：摄氏25℃，标准大气压。

2 结果与讨论

2.1 He气作用下煤岩变形特征

当向高压气室注入He气时，打开压力控制阀的瞬间，由于气室内的压力发生了变化，煤岩样会产生瞬时膨胀变形，实验结果如图2所示。随着He气压力的不断上升，煤岩的变形过程逐渐由膨胀转为收缩变形，试验流量控制在0.02 L/s，充气过程中He气向煤岩体内部以渗流方式进行移动，煤岩产生膨胀变形进而释放弹性势能。

图2 0.5 MPa He气注入时不同粒度煤岩变形特征Fig.2 Deformation characteristics of different coal samples under 0.5 MPa He gas injection

同时，煤岩的收缩变形量与气室气体压力呈很好的线性关系，如图3所示。当He气在0～6 Mpa之间以1 Mpa为间隔逐渐升高时，煤岩处于弹性收缩变形，但气体压力的升高并不会使煤岩体的骨架结构发生破坏，收缩变形量与型煤煤样形成的颗粒度有关。同时，也侧面反映了瓦斯抽采可有效释放含瓦斯煤岩的内聚膨胀能。

图3 不同He气压力条件下煤岩变形特征Fig.3 Deformation characteristics of different coal samples under different He gas pressure conditions

2.2 煤岩瓦斯吸附-解吸过程变形特征

当实验气体为CH4时，气体注入初始阶段与He气的特征基本一致，如图4所示。打开阀门10 s期间煤岩由膨胀变形迅速恢复至初始值，随着CH4的持续注入，压力的逐渐升高，受气体压力的作用，试样产生收缩变形，受注入气体流量控制收缩变形趋于稳定。基于型煤煤样的构成粒度不同，气孔隙与裂隙的结构特征存在较大差异，影响了CH4气体在煤岩样中渗流、扩散、吸附的时间也不同。从图4可以看出，0.85 mm粒度煤样由于孔隙比较大，利于气体的渗流与扩散，气体注入60 min后由收缩变形阶段发展至吸附膨胀变形阶段，而粒度0.18 mm煤样由于具有较大的比表面积，其孔裂隙结构较小，在注入8 h后才开始由收缩变形阶段转为吸附膨胀变形阶段。

图4 CH4气体作用下煤岩变形特征全过程Fig.4 The process of deformation characteristics of coal and rock under the action of CH4 gas

与He气实验结果不同，在不同CH4压力梯度条件下，CH4以渗流的方式逐渐向煤岩体内部扩散，煤岩体对进入其内部的CH4产生吸附。实验以打开阀门瞬间煤岩由收缩状态转向膨胀为记录点，此后煤岩的变形即为瓦斯吸附膨胀变形。不同类型煤岩样、不同瓦斯压力条件下，煤岩瓦斯吸附膨胀变形特征如图5～8所示。

图5 CH4在压力1 MPa条件下煤岩吸附变形Fig.5 The adsorption and deformation characteristics of CH4 1 MPa pressure

图6 CH4在压力2 MPa条件下煤岩吸附变形Fig.6 The adsorption and deformation characteristics of CH4 2 MPa pressure

图7 CH4在压力4 MPa条件下煤岩吸附变形Fig.7 The adsorption and deformation characteristics of CH4 4 MPa pressure

图8 CH4在压力6 MPa条件下煤岩吸附变形Fig.8 The adsorption and deformation characteristics of CH4 6 MPa pressure

实验结果显示：煤岩瓦斯吸附变形量与吸附时间呈指数函数，表达式为ε=e-t，且达到吸附-解吸平衡的时间与煤岩的孔隙、裂隙结构有关，其中0.85 mm粒度煤岩样在12 h后首先达到吸附-解吸平衡，0.42 mm粒度煤岩样次之，0.18 mm粒度煤岩样在吸附24 h后达到吸附-解吸平衡。

煤岩发生瓦斯解吸与吸附这2个过程正好相反，由吸附转为解吸打开密闭气室的控制阀，当密闭气室的压力降至标准大气压，由于煤岩样不受气体围压的作用，煤岩样发生瞬时膨胀变形，根据实验结果显示，这一过程在5 min其变形至最大值且趋于稳定，文章描述的煤岩瓦斯解吸膨胀变形量由此时开始进行记录。

在不同的瓦斯压力和浓度梯度条件下，煤岩发生瓦斯解吸时，气体通过微孔隙或裂隙向低浓度区及低压力区扩散，直至浓度与压力二者达到平衡，如图9～10所示。实验结果得出，煤岩解吸产生的收缩变形与解吸时间的表达式为ε=et，从过程上可描述为3阶段：初始阶段由于瓦斯压力梯度与浓度梯度大，煤岩收缩的变形速率也较大，随着梯度的降低，变形率趋于稳定，当24 h后，煤岩的变形量也趋于稳定，但煤岩吸附瓦斯产生的膨胀变形在解吸后并不能恢复至煤岩吸附前的初始量，存在一定的残余变形量。

结果显示，不同的瓦斯压力条件下煤岩样产生的吸附膨胀变形量也不同，且煤岩瓦斯吸附-解吸产生的膨胀-收缩变形是一个不可逆过程，总存在一定的残余变形。

图9 CH4在压力1 MPa条件下解吸过程的收缩变形Fig.9 The contraction deformation of CH4 1 MPa pressure desorption process

图10 CH4在压力2 MPa条件下解吸过程的收缩变形Fig.10 The contraction deformation of CH4 2 MPa pressure desorption process

取煤岩吸附膨胀变形量与解吸收缩变形量的差值即为解吸残余变形，测量取值如图11所示。

图11 瓦斯吸附-解吸实验变形过程特征Fig.11 Deformation characteristics of coal-rock gas adsorption-desorption test

不同粒度的煤岩样由瓦斯吸附产生的膨胀变形率与变形量也不同，其中0.85 mm粒度煤样与孔隙瓦斯压力变化相关性比较高，且吸附瓦斯后形成的最大膨胀量可达1 118 με，0.42 mm粒度煤样吸附瓦斯后的膨胀量次之，0.18 mm粒度煤样吸附膨胀变形量最小，且吸附瓦斯压力越大，形成的煤体吸附膨胀变形就越大。

在不同瓦斯压力实验条件下煤岩吸附膨胀变形特征如图12所示，不同瓦斯瓦斯压力条件下煤岩解吸产生的收缩变形特征如图13所示。

图12 不同煤岩样瓦斯吸附过程变形特征Fig.12 Deformation characteristics of gas adsorption process of different coal samples

图13 不同煤岩瓦斯解吸过程变形特征Fig.13 Deformation characteristics of gas desorption process of different coal samples

实验测定了煤岩的吸附膨胀变形及解吸收缩变形，测定的煤岩在不同孔隙瓦斯压力条件下的残余变形量，如图14所示。

图14 不同煤岩样瓦斯吸附-解吸的残余变形量特征Fig.14 The residual deformation characteristics of gas adsorption-desorption of different coal samples

不同瓦斯压力条件下煤岩瓦斯吸附-解吸形成的残余变形表达式：

ε=aexp(-p/b)+εm

(1)

式中：ε为在一定压力条件下由瓦斯吸附-解吸产生的煤岩相对变形量；P表示实验瓦斯压力，MPa；a,b,εm为煤岩吸附参数，其中εm吸附-吸附产生的最大残余变形量，a表示煤岩吸附残余变形系数，b表示随着实验气体压力变化产生残余变形的变化率。对式中参数的具体验证过程如表2所示。

表2 煤岩吸附-解吸的残余变形与压力关系Table 2 The residual deformation and pressure relation of coal-rock adsorption-desorption

3 结论

1)煤岩瓦斯吸附膨胀、解吸收缩的变形量与煤岩孔隙结构特征、瓦斯压力有直接关系，其中粒度为0.85 mm的型煤煤样对瓦斯压力比较敏感，且同等瓦斯压力条件下变形量也最大，极限变形可达到1 118 με，粒度0.42 mm的型煤煤样次之，粒度0.18 mm的型煤煤样最小，且粒度0.18 mnm粒度型煤煤样的吸附变形与实验瓦斯压力的变化不太敏感，瓦斯压力越大，由此产生的吸附膨胀变形量就越大。

2)当吸附瓦斯煤岩发生解吸时，煤岩会产生收缩变形，煤岩收缩变形量与时间呈指数方程，实验瓦斯压力越大形成的收缩变形就越大，其产生的残余变形也越大。

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