外力擾動條件下的瓦斯解吸機理與實驗研究＊

齊黎明 郭 達 關聯合 陳學習

（1.中國礦業大學 （北京）地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區，100083；2.開灤 （集團）有限責任公司，河北省唐山市，063018；3.華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，101601）

外力擾動條件下的瓦斯解吸機理與實驗研究＊

齊黎明1，2，3郭 達2關聯合2陳學習3

（1.中國礦業大學 （北京）地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區，100083；2.開灤 （集團）有限責任公司，河北省唐山市，063018；3.華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，101601）

從理論上對煤體孔隙壁面擴展位移進行了分析，在此基礎上，提出了外力擾動條件下的瓦斯吸附分子轉變為游離態的判斷依據；開展了外力擾動條件下的煤樣瓦斯解吸實驗方案設計與實施，并對實驗數據進行了處理；對擾動誘導煤與瓦斯突出等動力災害的機理提出了新的解釋。研究結果顯示，在外力擾動條件下，煤體對瓦斯的吸附平衡被打破，游離瓦斯所占的比例有所增大，瓦斯壓力上升，煤與瓦斯突出等動力災害發生的動力增加。

瓦斯壓力 瓦斯解吸 吸附平衡

瓦斯在煤層中賦存的形態主要有自由瓦斯和吸附瓦斯。其中，自由瓦斯約占10%，以氣態形式存在；吸附瓦斯約占90%，以固溶體形式存在。自由瓦斯和吸附瓦斯的這種比例存在于吸附平衡條件下，如果吸附平衡條件被打破，比如煤體含水率、溫度及電磁環境等發生變化，則自由瓦斯和吸附瓦斯的比例關系將發生變化。由于煤層瓦斯壓力是煤層孔隙內氣體分子熱運動撞擊所產生的作用力，它在某一點上各向大小相等，方向與孔隙壁垂直。因此，煤體對瓦斯的吸附平衡被打破后，煤層瓦斯壓力必定也跟著變化。

改變煤體對瓦斯的吸附平衡狀態除了上述幾種情況外，外力擾動也具有這種功能。目前，在國內外公開的文獻資料上，只有西安科技大學的李樹剛、趙勇和張天軍等開展了低頻振動對瓦斯吸附和解吸的影響研究，但是，研究方式僅停留在實驗室實驗方面。為更深入探索外力擾動對煤體吸附平衡的影響，本文從理論上對外力擾動條件下的瓦斯解吸機理進行分析，并開展相應的實驗研究。

1 煤體孔隙壁面擴展位移理論分析

通常認為，煤體內部的孔隙可簡化為一個長半軸為a、短半軸為b的橢圓孔。在外加應力擾動條件下，孔隙空間必然會發生變化，假定變化后的孔隙空間仍為橢圓狀，且長半軸a不變，短半軸b增加為b1；煤體最大主應力由σ1降為σ11，最小主應力由σ3降為σ33，變形后的煤體受力狀況如圖1所示。

圖1 產生裂紋后的煤體應力分布示意圖

再假定孔隙裂紋擴展過程中，孔隙煤壁的移動方向為該點與圓心的延長線，則該點的振動幅度為前后兩個圓心與邊緣的距離之差。有關橢圓中心到邊緣的距離計算，由于橢圓沿x軸和y軸都呈對稱關系，因此，分析計算時，只需考慮其四分之一即可，具體如圖2所示。

圖2中，橢圓圓心到邊緣點的距離為L，該點到x軸的垂直高度為H，與x軸的夾角為θ，垂線與x軸交叉位置距右焦點的距離為s，焦點到中心的距離為c，長半軸的長度為a，根據空間幾何關系，可得方程組如下：

圖2 橢圓邊緣點的分布示意圖

將式 （1）分別代入式 （2）和式 （3），可得：

將式 （4）代入式 （5），可得：

當煤孔隙裂紋擴展變形后，在新的橢圓條件下，相應位置邊緣到圓心的距離為L1，焦距的一半為c1，有：

則煤體孔隙煤壁位移為：

從圖1可以看出，裂紋擴展卸壓后，煤體向外收縮的位移也為r，則有：

式中：E——煤體的彈性模量，MPa；

R——孔隙煤壁厚度，m。

聯合式 （6）、（7）、（8）、（9）即可求解出煤壁內部不同位置的位移，具體計算過程比較復雜，可以通過數值計算得出其結果。

2 煤體孔隙壁面擴展位移與瓦斯解吸的關系

煤體孔隙壁面對瓦斯分子產生吸附作用主要是煤體表面的分子與瓦斯分子相互吸引，瓦斯分子在煤孔隙表面做短暫的停留。處于吸附狀態下的瓦斯分子一方面要受到煤體孔隙表面范德華力的作用，另一方面自身仍在做無規則運動，具有一定的動能，該能量較小，不足以克服范德華力逃逸出來，其受力分析如圖3所示。

煤體孔隙破裂產生裂紋的瞬間，煤壁迅速反彈，產生振動，類似于圖3中左側煤體向左移動，并帶動瓦斯分子一起向左移，這將給處于自由晃動下的瓦斯分子一個力的作用，這個力方向向左，在瞬間內能讓瓦斯分子產生加速度，趕上煤壁向左移動的速度，這個力的主動方為煤壁，被動方為瓦斯分子，此時，范德華力除了要克服分子的自由運動以外，還得為瓦斯分子的向左加速運動提供力的作用，如果不足，分子在左移的瞬間，就會離開煤壁，變成游離狀態。根據前面的分析可知，在橢圓的不同位置，煤壁移動的位移不同，在相同的時間內，需要產生加速度的力也不一樣，瓦斯分子逃出范德華力束縛的比例也不同。

圖3 煤壁吸附瓦斯受力平衡示意圖

假定煤壁與瓦斯分子間的范德華力為f，瓦斯分子自由運動產生的應力為F1，煤壁由于瞬間位移產生的附加應力為F2，則瓦斯分子逃離煤壁的應力條件如下：

如果式 （10）兩邊相等，屬于臨界狀態。

根據牛頓定律，再進行變換，有：

根據式 （12）可知，煤體孔隙壁面的瓦斯分子在煤壁破裂產生振動的瞬間，能否解吸出來主要取決于煤壁振動位移越大，瓦斯分子質量越大，其解吸的可能性越大；振動越劇烈，即時間越短，則瓦斯解吸可能性越大。

3 外力擾動條件下的煤樣瓦斯解吸實驗

3.1 方案設計與實施

（1）實驗方案設計。現場采取淮南礦區朱集礦1112（1）運輸巷道11-2煤層的新鮮煤樣，加工后，粒徑約為0.17～0.25 mm，選取150 g，裝入煤樣罐內，煤樣體積約占煤樣罐容積的四分之三，

式中：m——瓦斯分子的質量，kg；

t——時間，s。

聯合式 （10）和式 （11），有：在煤樣罐內放入鐵球，增加旋轉過程中的撞擊作用。裝上防震壓力表，擰緊煤樣罐，反復注入高壓瓦斯，等待最終吸附平衡，平衡后的壓力讀數顯示為0.56 MPa，最后，將實驗裝置安設在電動機上面，通過電動機的旋轉，讓煤樣受到外力的撞擊作用，以此來模擬外力對煤樣的擾動作用。

（2）實驗結果。開動電機，旋轉煤樣罐，約10 min后，斷電，觀察實驗結果為0.62 MPa。由此可見，通過旋轉擾動撞擊，確實可以改變原煤樣的吸附特性。

3.2 實驗結果分析

由于煤樣罐內存在四分之一的自由空間，在旋轉撞擊作用下解吸出的瓦斯，除了促使煤樣內部的孔隙瓦斯壓力上升外，還得滿足自由空間瓦斯上升的需求，因此，最終真實的瓦斯壓力值應通過分析計算進行修正。

假設罐的總容積為V，煤樣的孔隙率為η，鐵球的體積為V2，則孔隙容積V02為：

罐內可供自由瓦斯存在的空間總體積V12為：

式中：p01——瓦斯壓力讀數，MPa。

朱集礦11-2煤層的孔隙率約為12%，V2約為瓦斯罐總容積的10%，通過計算，實際瓦斯壓力值應為1.04 MPa，與初始瓦斯壓力值0.56 MPa相比，上升了85.8%。

根據朱集礦11-2煤層的實驗結果可知，在旋轉擾動條件下，煤體對瓦斯的吸附平衡被打破，游離瓦斯所占的比例有所增大，瓦斯壓力上升。

4 結論

煤礦井下瓦斯動力災害嚴重威脅著礦井安全生產，在我國，隨著礦井開采深度的逐步增加，發生瓦斯動力災害的礦井數量和災害嚴重程度都呈上升趨勢。生產實踐表明，采掘作業擾動與瓦斯動力災害的關系非常密切，很多瓦斯動力災害都是在外力擾動條件下發生的。以開灤礦區馬家溝礦為例，該礦瓦斯動力現象皆是在外力擾動作用下產生的，其中由爆破引起的動力現象次數為28次，占51.9%，每次動力現象前作業方式見表1。

表1 馬家溝礦動力現象與作業方式關系表

有關外力擾動工作面煤壁并誘導突出，傳統的觀點認為，其機理在于擾動破壞了工作面前方煤巖體結構的整體穩定性，導致煤巖體坍塌，從而使得飽含高壓瓦斯的煤體被暴露出來，在高瓦斯壓力梯度作用下發生突出。

根據本文的研究，外力擾動不僅能夠影響到工作面前方煤巖體結構的整體穩定性，而且，能夠直接破壞煤體對瓦斯的吸附平衡作用，使得瓦斯壓力急劇上升，增大了煤與瓦斯突出等動力災害發生的動力。這也就從另外一個側面解釋了外力擾動對煤與瓦斯突出等各類動力災害的誘導作用機制。

［1］何學秋.含瓦斯煤巖流變動力學 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1995

［2］張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術 ［M］.北京：煤炭工業出版社，2001

［3］俞啟香.礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1992

［4］閆凱，趙東.水分對煤吸附瓦斯特性影響及微觀機理實驗研究 ［J］.中國煤炭，2013（3）

［5］王劍光，佘小廣.注氣驅替煤層氣機理研究 ［J］.中國煤炭，2004（12）

［6］李樹剛，趙勇，張天軍.基于低頻振動的煤樣吸附／解吸特性測試系統 ［J］.煤炭學報，2010（7）

［7］林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998

［8］李樹剛，趙勇，張天軍等.低頻振動對煤樣解吸特性的影響 ［J］.巖石力學與工程學報，2010（增2）

［9］李樹剛，趙勇，張天軍.低頻機械振動影響煤樣吸附特性研究 ［J］.中國礦業大學學報，2012（6）

［10］齊黎明.馬家溝礦深部煤與瓦斯突出機理及預測研究 ［D］.徐州：中國礦業大學，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

國家自然科學基金資助 （51204070），河北省重點基礎研究項目 （11965629D），中央高校基本科研業務費資助 （2012E1202，2011SYSJJ01），教育部 “新世紀優秀人才支持計劃”（NCET-11-0837）

齊黎明 （1979-），男，安徽省安慶市人，副教授，博士后，從事礦山安全方面的教學科研工作。

（責任編輯 張艷華）