煤体的吸附膨胀变形特性研究

李会云

(晋煤集团晋圣公司 亿欣煤业公司，山西 晋城 048006)

煤是一种传统能源，是一种双重孔隙介质，即孔隙、裂隙结构[1-2]。煤中存在吸附态和游离态的甲烷，其中吸附态的甲烷占80%以上[3]。当煤层受到采动、抽采影响后，煤层内的瓦斯平衡状态被打破，在采动影响的区域内煤层瓦斯会重新分布，在瓦斯重新分布的过程中，煤体会发生微观的变形，这种微观的变形会造成煤体渗透率的改变，从而影响瓦斯抽采率发生变化。张遵国等[4]对不同含水率软煤的吸附特性及膨胀特性进行了研究，结果表明：水分可抑制膨胀变形的增加，在一定的含水率范围内，极限吸附膨胀变形量随着含水率的增加而减小；栗婧等[5]对不同温度条件下的型煤吸附解吸变形进行了研究，研究发现吸附过程中的变形具有各向异性的特性，解吸过程中的变形具有各向同性的特征；翟盛锐等[6]对不同粒度的型煤煤样的变形特性进行了实验研究，由直径为0.85 mm的煤样制作的型煤吸附解吸变形最大，由直径为0.42 mm的煤样制作的型煤吸附解吸变形最小，煤样解吸后存在一定的残余变形；刑俊旺[7]对不同气体引起的煤体变形特性进行研究，结果发现：对于同一注入压力，氦气引起的体应变增幅较大，CO2引起的体应变增幅最小。本文基于吸附膨胀变形测试，采用垂直于层理方向的原煤煤样对煤体的膨胀变形特性进行研究，以期为煤层瓦斯抽采提供理论依据。

1 实验煤样的制作及实验步骤

1.1 实验煤样的制作

实验煤样取自山西晋煤集团晋圣公司亿欣煤业，在工作面选取大块无构造的煤样，密封保存后送至实验室。实验煤样的坚固性系数为1.22。为了研究煤样的吸附膨胀特性，沿着煤样垂直于层理的正交方向，采用HZ-15型电动取芯机进行取芯。取芯时参照中华人民共和国国家标准GB11818-89《混凝土钻孔取芯机技术标准》，取芯过程中转速不宜过快，转速过快会破坏煤芯，在取芯过程中加入少量的水会避免粉尘过大和钻头温度过高，取芯机钻头的直径为50 mm，长度为400 mm。直径为50 mm的煤芯取出后，采用切磨机对所取出的煤芯进行切磨，使煤芯的高度为50 mm，同时使煤芯端面的不平整度小于0.02 mm，制得的试样如图1所示。

图1 直径为50 mm、高度为50 mm的实验煤样

1.2 实验步骤

用于煤样测试的实验系统为吸附膨胀测试系统(如图2所示)，该实验系统包括抽真空系统、死体积标定系统、充气系统、吸附系统、监控系统及解吸测试系统。具体实验步骤如下：

1) 将所制得的煤样采用恒温干燥箱进行干燥，干燥温度为105℃，在干燥过程中，每次间隔1个小时对煤样进行称重，直至前后两个小时煤样的质量不再发生改变，视为干燥结束；

2) 对实验煤样进行称重，称重后将实验煤样放入煤样罐7中，拧紧煤样罐；

3) 打开恒温水浴10，设置实验温度为30℃，将氦气罐1中的气体充入煤样罐中并保压3 h；在3 h内，如果煤样罐的压力降低，需对实验系统进行重新检漏；如果煤样罐内压力不发生变化，则继续进行实验；

4) 打开应变仪12的电源，同时打开真空泵5的电源，则真空泵开始对煤样罐进行抽真空，同时电脑自动记录抽真空期间煤样的应变，当煤样罐内的真空度小于20 Pa时，视为抽真空结束；

5) 抽真空结束以后，采用甲烷罐2对煤样罐进行充气，当充至某一压力值时，关闭阀门d，使煤样罐内的煤样进行吸附，同时电脑自动记录吸附期间煤样的应变；

6) 实验结束后，整理实验数据，并按照上述实验步骤对另一煤样进行测试，排除吸附膨胀无法恢复原样的影响。

图2 吸附膨胀变形测试系统

2 结果与分析

本文共测试了3个吸附平衡压力下的膨胀变形及抽真空的收缩变形，文中定义收缩变形为负，膨胀变形为正，不考虑充气瞬间对煤体变形的影响。3个煤样抽真空期间的收缩变形随时间的变化规律如图3所示； 3个煤样吸附期间的膨胀变形随时间的变化规律如图4所示。

由图3可知，3个煤样的体应变均随着时间的增加而逐渐增加，即煤样的收缩度增加，但是增加的幅度逐渐减小。出现这种现象的原因是，随着时间的增加，煤样罐内的真空度逐渐减小，煤体孔隙内的气体逐渐减少，因此煤样的收缩度逐渐增加。3个煤样收缩变形出现差异的原因主要是煤体内部孔隙结构的不同，即3号煤样内大的裂隙和孔隙占据的数量比2号煤样和1号煤样的都要大。因此出现3号煤样的收缩变形大于2号煤样的收缩变形，2号煤样的收缩变形大于1号煤样的收缩变形。试样的体应变(ε)与时间满足Langmuir的函数关系，可采用Langmuir函数对图3中的散点曲线进行拟合，拟合公式如式(1)所示，拟合参数如表1所示，拟合效果较好。

(1)

式中：ε为体应变；a和b为拟合参数；t为抽真空时间。

表1 式(1)中的拟合参数

由图4可知，3个煤样的体应变均随着吸附时间的增加而逐渐增加，即煤样的膨胀变形逐渐增加，但是增加的幅度逐渐减小。出现这种现象的原因是，随着吸附时间的增加，煤体孔隙内瓦斯的吸附量逐渐增加，同时裂隙内被一定量的瓦斯所填充，造成煤体孔隙、裂隙膨胀，因此膨胀变形的量逐渐增加。膨胀变形增加的幅度逐渐变小的原因是，随着吸附的进行，煤体对瓦斯的吸附能力逐渐减弱，因此膨胀变形增加的幅度逐渐变小。吸附平衡压力越大，试样的体应变越大，因为吸附平衡压力越大，煤体孔隙内吸附的瓦斯越多，因此其体应变越大。煤体的膨胀变形，即体应变与时间满足幂函数的函数关系，采用幂函数可以对散点进行较好的拟合，拟合公式如式(2)所示，拟合参数如表2所示。

ε=ctd

(2)

式中：ε为体应变；c和d为拟合参数；t为抽真空时间。

图4 吸附期间煤样的膨胀变形随时间的变化规律

表2 式(2)中的拟合参数

3 结 语

1) 对煤体进行抽真空时，煤体会发生收缩变形，煤体的体应变随着时间的增加而逐渐增加，煤样的体应变与时间满足Langmuir的函数关系；

2) 煤体进行吸附瓦斯时，煤体会发生膨胀变形，煤体的体应变随着时间的增加而逐渐增加，煤体的体应变与时间满足幂函数的函数关系；

3) 随着吸附平衡压力的增加，煤体吸附的瓦斯量逐渐增多，煤体的体应变逐渐增加。