不同溫度、壓力下煤體吸附瓦斯變形特征研究

栗 婧 王亞然 王啟飛 趙乾鵬 洪煥翔

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

★ 煤礦安全 ★

不同溫度、壓力下煤體吸附瓦斯變形特征研究

栗 婧 王亞然 王啟飛 趙乾鵬 洪煥翔

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

為了探討煤體在不同物理場耦合作用下吸附瓦斯后的膨脹變形特征，以型煤為研究對象，利用自行研發的高壓瓦斯煤巖吸附-解吸測試系統對型煤進行了不同溫度、不同壓力下的吸附變形試驗。試驗結果表明，隨著溫度的升高，煤體吸附瓦斯量呈減小趨勢，其軸向變形和環向變形量均有所降低；在相同溫度條件下，隨著壓力的升高，型煤試件的變形量和變形速度均有所降低；不同溫度、壓力下，冪指數函數對于型煤試件吸附、解吸過程中的應變變化的擬合效果要明顯優于朗格繆爾形式公式。

礦井瓦斯災害 多物理場耦合 吸附膨脹變形

瓦斯是成煤作用的伴生物，主要賦存于煤體內部的微觀孔隙、裂隙之間，與煤層之間存在復雜的交互作用；煤體作為一種天然的吸附劑，會吸附大量的瓦斯，煤中吸附態瓦斯約占煤層瓦斯總量的80%～90%。瓦斯的存在對煤體具有特定的影響作用，瓦斯被煤體吸附后，會附著于煤體微觀孔隙的表面并引起煤基質的膨脹變形，這一過程不僅會改變煤體的力學特性，而且膨脹作用還會導致煤體內部裂隙閉合，改變煤體的滲透特性。因此，對煤體吸附瓦斯后的膨脹變形特征進行研究將有助于提高對含瓦斯煤體力學特性和瓦斯運移特征的認識，對實現礦井瓦斯災害防治、地面及井下抽采瓦斯及完善井下煤氣共采、煤層氣開采等具有重大的現實意義。

國內外學者利用理論分析、試驗測試等手段對煤體吸附瓦斯后的變形特征開展了大量研究。理論方面，Grayl認為煤體吸附瓦斯的膨脹變形量與煤層瓦斯壓力呈正比，并給出了計算關系式；Panz等假設煤吸附膨脹所導致的表面自由能改變與吸附量是線性相關的，并引入煤密度、彈性模量和孔隙度等參數推導出煤體吸附瓦斯的膨脹模型；聶百勝等根據煤體表面化學理論推導出了煤固體膨脹變形的計算模型；白冰等認為固體吸附后表面的動力能下降是固體膨脹的主要原因；吳世躍等根據煤體表面物理化學特性和力學原理，推導出吸附變形與熱力學的關系式；周軍平等根據能量守恒原理和熱力學原理，提出了煤巖吸附膨脹應變模型。試驗方面，國內外研究人員對煤吸附膨脹變形的特性和影響因素(溫度、壓力、煤體結構、含水量等)進行了觀測分析。文獻均使用試驗手段測試吸附瓦斯狀態下的煤體膨脹變形量，其中，韓勇等對不同煤樣進行高壓吸附試驗，并用Langmiur方程對所得數據進行擬合，結果表明不同煤樣的吸附能力差異較大，且Langmiur式能較好地描述瓦斯吸附現象；Majewskaz等研究了煤體在CO2和CH4循環作用下的吸附特征，結果發現，每次循環都會對煤的物理結構產生影響，吸附膨脹應變減小；Bergen F V等采用不同煤階、不同含水量的煤樣做氣體吸附變形試驗，發現水分能抑制吸附膨脹；劉延保等發現煤體的吸附變形效應具有各向異性特征，煤體在垂直層理方向的變形要明顯大于平行層理方向；徐滿貴等對軟煤和硬煤在恒溫條件下的吸附特征進行研究，發現軟煤的吸附速率和吸附飽和量均大于硬煤，得出軟煤較硬煤吸附瓦斯能力更強的結論；梁冰等對低壓吸附條件下瓦斯的變形量進行測試；張遵國等對原煤和型煤的吸附瓦斯膨脹變形特征進行對比研究，發現兩者的變形具有不同的階段性特征；聶百勝等采用不同的加壓方式對煤體的吸附變形特征進行研究，發現等梯度加壓方式時煤體的變形量要稍高于一次性加壓方式。

綜上所述，前人在煤體吸附變形方面的研究取得了豐碩成果，但針對不同溫度、壓力下的吸附變形規律方面的研究還有所欠缺。鑒于此，本文以型煤試樣為研究對象，利用自主研發的高壓瓦斯煤巖吸附-解吸測試系統，進行煤體吸附瓦斯后的膨脹變形試驗,對不同溫度和壓力條件下煤體吸附瓦斯的變形量、變形速率、變形動態過程以及吸附瓦斯量與膨脹變形的對應關系等問題展開針對性探究。

1 吸附膨脹變形試驗研究

1.1 試驗系統

試驗測試使用了自主研制的煤體高壓多場耦合吸附-解吸瓦斯變形測試試驗系統，如圖1所示。該試驗系統包括高壓氣瓶、吸附罐、應變測試系統(SDY動靜態應變儀和HIOKI日置8860-50存儲記錄儀)、溫度控制系統(溫控儀、溫度傳感器和玻璃纖維加熱帶)和抽真空系統5個組成部分，具有測定不同溫度、壓力下煤體吸附-解吸瓦斯變形量的功能。

圖1 試驗系統圖

1.2 試驗樣品

本次試驗研究所使用型煤煤樣采自于冀中能源集團東龐礦2#煤層第十二采區的21213掘進工作面。制作過程中，首先對煤塊進行破碎，而后使用球磨機進行研磨，再利用篩子篩分出0.25～0.5 mm粒徑的煤粉，在煤粉中按1∶4的配比添加煤焦油。攪拌混合均勻后，將制備好的煤粉裝到模具中，控制伺服壓力機以一定壓力制成型煤。壓制好的型煤試件在室內風干，養護30 d。型煤試件尺寸為?50 mm×75 mm。黏貼有應變片的待測樣品如圖2所示。

圖2 黏貼有應變片的待測樣品

為對煤樣的特性進行準確分析，用煤質分析儀對煤樣進行了工業性分析和元素分析測試，其水分Mad為1.76%、灰分Aad為9.13%、干基揮發份Vdaf為38.92%、固定碳Fc為73.4%，含硫量S為0.35%，含氫量H為4.21%，含氮量N為1.46%，含氧量O為14.1%。

1.3 試驗方法

試驗采用純度(體積分數)為99.99%的CH4氣體作為吸附介質，在20℃和60℃兩個不同環境溫度下進行吸附變形量測試，試驗氣體壓力分設1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa 4個梯度，具體試驗步驟如下：

(1)試驗前將待測樣品放入恒溫干燥箱中，在箱內溫度為65℃下持續烘干10 h后，將樣品置入干燥皿中冷卻至室溫。然后，清潔樣品壁面并安設應變片。

(2)將待測試樣放入腔體中，連接好應變片，并用絕緣膠帶貼好，防止其與管壁接觸，然后連接好其他系統組件并將腔體密封，保證系統氣密性良好。

(3)開啟溫度控制系統及壓力監測系統，進行試驗前的系統預熱，時間不低于0.5 h，通過溫度控制器和溫度探頭保證腔體內部環境溫度穩定于預設溫度(±2℃)。

(4)開啟真空泵，對整個試驗過程進行抽真空操作，持續時長不低于4 h，且系統真空度要低于50 Pa，之后關閉真空泵，維持真空狀態4 h。

(5)按照1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 4個壓力梯度順序使用高壓氣瓶向密封腔體內部充入CH4氣體。如在1 MPa壓力時，調節減壓閥并打開針型閥，保證腔內壓力恒定為1 MPa，維持3 h并觀測煤體的吸附變形量，而后將壓力提高至2 MPa，重復以上操作進行試驗。如此反復，直至完成4個壓力梯度的測試。

(6)在吸附試驗完成時，開始泄壓解吸瓦斯，先將內部壓力降低到2 MPa，維持2 h，再降至大氣壓，維持2 h，解吸試驗完畢。

(7)試驗完成，進行下一組測試。

2 試驗結果與分析

2.1 不同溫度下的吸附變形特征

依據試驗方案的設計，本次試驗可分為5個階段，其中，前4個階段是充氣壓力以1 MPa的梯度依次遞增的吸附階段，最后一個階段為卸壓解吸階段，每個階段持續時間為3 h。不同溫度下煤體吸附瓦斯之后的變形情況如圖3、圖4所示。由圖3(a)和圖4(a)可以看出，試驗過程中各階段的氣體壓力保持了較高的穩定性。由圖3(b)、(c)和圖4(b)、(c)可以看出，型煤試件對于充入的吸附氣體壓力具有較強的敏感性。相同壓力下，隨著CH4氣體的充入，型煤試件的軸向變形與環向變形隨著時間變化均逐漸增大，但其應變的增長速率則隨時間變化逐漸減小；當充入氣體的壓力升高時，型煤試件的軸向應變和環向應變在原有變形的基礎上，以相類似的規律逐漸增大；而當腔體內氣體壓力卸載時，型煤試件的軸向變形和環向變形均逐漸減小。在相同環境溫度條件下環向變形與軸向變形的差別不大，但環向變形相對小于軸向變形。20℃條件下，環向變形與軸向變形的最大值分別為443.75 με和549.70 με；而在60℃條件下，環向變形的最大值卻大于軸向變形最大值，分別為504.75 με和477.99 με。

圖3 20℃型煤吸附解吸軸向應變和環向應變

圖4 60℃型煤吸附解吸軸向應變和環向應變

由此可以看出，煤體的吸附變形過程除了受吸附氣體壓力的影響外，同樣受環境溫度的影響。因此，需要對型煤的升溫變形量進行對照試驗。20℃抽真空后，在不充入氣體的條件下，在12 h的時間內逐漸升溫至60℃，測定型煤由環境溫度變化而引起的變形量。其軸向應變與環向應變隨升溫時間變化的結果如圖5所示。

圖5 型煤升溫變形試驗結果

由圖5可知，軸向應變和環向應變在溫度升高后煤樣均產生了膨脹變形，在溫度升高初始時刻變形量急劇增大而后趨于穩定。將穩定后的煤體變形記為極限膨脹變形量，則相較于20℃條件，60℃時煤樣在軸向和環向的極限變形量分別為62.51 με和55.23 με。

為了探究溫度場對型煤吸附解吸變形規律的影響，分別提取了同等壓力、不同溫度條件下煤體的極限變形量，溫度對煤體吸附變形量的影響分析如圖6所示，其中60℃時煤體吸附瓦斯的變形量為測試值和極限變形量的差值。由圖6可以看出，對于煤體吸附瓦斯后的軸向變形，在各個壓力點均有隨著溫度的升高變形量減小的趨勢；而對于環向變形盡管這種趨勢沒有軸向變形明顯，但依然可見低溫條件下的變形量要稍大于高溫條件。隨溫度升高，煤體吸附的瓦斯量減少，附著于煤體微孔表面的氣體分子總量也有所減少，造成煤體的膨脹變形量降低，由此可見，溫度的升高有削減煤體吸附瓦斯效果的趨勢。

圖6 溫度對煤體吸附變形量的影響分析

2.2 不同瓦斯壓力下的吸附變形特征

試驗測試過程中瓦斯進入腔體之后煤體經歷了滲流、擴散、吸附3個不同階段，由此可見，煤樣最終吸附足量的瓦斯并產生膨脹變形需要一定的過程。為了更明確地對各氣體壓力下的變形特征進行對比分析，在此以每個階段的起始變形量為基點，將各階段的煤樣變形進行調零處理，從而得到各階段煤樣的應變隨時間的變化關系，結果如圖7所示。由圖7可知，在各個壓力階段，重新充入瓦斯氣體后，瓦斯壓力的增大使得前一狀態下的動態吸附平衡被打破，并向吸附作用偏移。雖然不同壓力下煤體膨脹變形量的變化在曲線上極具相似性，但是明顯可以看出，初始壓力狀態較低時，瓦斯的注入引起的煤體變形量更大，即無論是軸向變形量還是環向變形量，在1 MPa時煤體的膨脹變形量和變形速率最大，之后隨壓力的增大，煤體的吸附變形量和吸附變形速率均有所降低，4 MPa時達到最低。

圖7 不同瓦斯壓力下煤體的吸附變形特征

為了更直觀地對各階段煤體的膨脹變形過程及特征進行定量描述，本文分別采用秦躍平的修正Langmuir函數和孫重旭的冪指數函數來對煤體的吸附變形進行擬合分析。在此假定煤體的吸附變形與煤體的吸附量存在線性關系，變形系數為k。則對于朗格繆爾(Langmuir)形式而言，煤體的吸附變形量隨時間變化的關系可以表示為：

A′=k×A

(1)

式中：Qt——瓦斯累計吸附量，ml/g；

A′——極限吸附變形量；

A——瓦斯飽和吸附量，ml/g；

B——吸附變形常數，1/s0.5；

k——變形系數，g/ml；

t——吸附時間，s。

由于線性擬合的操作更為簡單，可靠性也更強，為了便于數據處理，在此采用線性擬合方法對吸附變形曲線進行分析。對式(1)取倒數，得：

(2)

對于冪指數形式而言，煤體的吸附變形量隨時間的關系可以表示為：

ε=k×Qt=katb=a′tb

a′=k×a

(3)

式中：a——與煤本身有關的吸附常數；

b——吸附特征參數，取0～1；

a′——t=1時的吸附變形量。

同樣對式(3)取對數，變換成線性形式：

Y=lna′+bT′

T′=lnt

(4)

因此，通過試驗中采集到的吸附變形量數據(各階段經過了歸零處理)，利用式(2)和式(4)進行線性擬合，便可得到相應的擬合曲線，得到各階段中對應的A′、B，以及a′、b值。其中，型煤在20℃、1 MPa條件下吸附過程的變形量不同擬合效果如圖8所示。由圖8可知，在1 MPa條件下，型煤20℃時的吸附變形隨時間的變化規律用冪指數形式來描述具有更好的擬合效果，而Langmuir形式盡管趨勢也基本相同，但其擬合效果相對較差，尤其在吸附變形后期，其偏移量逐漸增大。經證實，在其他氣體壓力下的吸附解吸變形過程中，均具有同樣的分析結果。

圖8 20℃型煤1 MPa甲烷吸附變形量擬合結果

3 結論

(1)當充氣吸附時，型煤試件的軸向變形與環向變形隨著時間變化均逐漸增大，但其應變的增長速率則隨著時間變化在逐漸遞減；當卸壓解吸時，其軸向變形與環向變形隨時間均逐漸減小，而其變形降低速度隨時間也逐漸減小。

(2)隨著溫度的升高，煤體吸附瓦斯量呈減小趨勢，其軸向變形和環向變形量均有所降低。在相同溫度條件下，隨著壓力的升高，型煤試件的變形量和變形速度均有所降低。

(3)不同溫度、壓力下，冪指數函數對于型煤試件吸附、解吸過程中的應變變化的擬合效果要明顯優于朗格繆爾形式公式。

(4)由于升溫時煤體的熱膨脹趨于穩定后，仍然有一定波動趨勢，故認為在較高溫度下隨時間的推移煤體有可能產生不可逆的內部結構破壞，因而，前述利用極限膨脹量估計升溫后變形量的方法仍存在一定的誤差，這有可能是造成環向變形量隨溫度變化不明顯的原因之一，此問題尚需進一步研究。

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(責任編輯 張艷華)

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

國家自然科學基金資助項目(51174112),中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2015QZ04)

栗婧，王亞然，王啟飛等. 不同溫度、壓力下煤體吸附瓦斯變形特征研究[J].中國煤炭，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,山西長治人，講師，碩士生導師，博士，主要研究方向為礦山安全、安全應急、安全管理。