甲烷和水共同吸附下煤體變形規律特征研究

楊俁詩 李立坤 陳祥輝 郭亞杰

摘? 要：利用自制的煤體應變監測裝置，采用監測煤體表面應變的方法，開展了水氣共吸的煤體變形實驗，研究煤體在甲烷和水共同吸附下的變形規律。獲得了相關實驗數據并繪制成時間-應變變化曲線。結果表明：在水和甲烷共吸條件下，煤體發生了拉伸變形，縱向變形量大于橫向變形量，試樣臨界區的變形量大于濕區、干區。在不同甲烷壓力作用下，水汽共同作用區域的變形量大于單純氣區和液區。

關鍵詞：水氣共吸;煤體變形;應變

中圖分類號：TD712? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

甲烷，不僅是井下主要事故的危險源和溫室氣體，還是良好的清潔能源，但因為我國煤層的滲透率較低，使得甲烷的抽采效率受到了嚴重影響。為了提高甲烷的抽采效率，增強煤層透氣性，我國學者提出過很多方案，例如密集鉆孔、深孔爆破、水力割縫、注CO2驅替及注N2驅替等，這些方案在煤礦開采中發揮了重要作用，并取得了一定的成績。但無論哪種方案，都存在各自的局限性。例如使用非常多的水利化措施，在實際操作中可能會造成外加水進入煤體，水在接觸到煤體后，會搶占煤體表面的甲烷吸附位點，從而使甲烷的吸附能力降低，在這種情況下，必定會引起煤體變形。

Karr等學者將水分為4類。1）吸附水，指吸附于煤體微孔或毛細孔中的水分。2）表面水，指存在于煤體表面的水。3）毛細水，指毛細孔中的水。4）自由水，指存在于煤顆粒間的水分。國內外眾多學者對水和煤體的相互作用做了大量研究，當前一直認為，煤體與水之間的相互作用主要是范德華力與氫鍵，其中氫鍵的作用遠遠大于范德華力。為了研究煤體甲烷吸附與水滲吸的關系，該文進行水和甲烷共同作用下，采用自制的煤體應變監測裝置，利用應變監測儀開展原煤煤樣分區變形試驗。試驗環境甲烷壓力分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa。通過對不同條件下獲得的數據進行分析，以期為水利化措施及煤礦開采等提供參考。

1 試驗裝置及步驟

1.1 實驗裝置

該試驗裝置主要包括水汽試驗區和應變采集2部分，水汽試驗區（圖1）主要有水路、氣路、反應罐、壓力傳感器和真空泵等;應變采集部分主要有：DT85G數據采集儀、應變片和計算機等。其中，反應罐頂部設計12根應變傳導線用來連接煤塊上的應變片和數據采集儀，同時用AB膠進行連接處的密封處理，反應罐的上方有進出氣管道和固定支架，下方是進出水口，如圖2所示，DT85G數據采集儀為澳大利亞DATATAKER公司生產，具有48個普通模擬通道和4個脈沖通道，18位A/D轉換精度，直接USB接口，且與U盤兼容，可多用戶訪問，在該試驗中設置為每20 s采集一次數據，如圖3所示。

1.2 試樣制備

該試驗所用試樣為Φ50 mm×100的圓柱形煤塊，煤塊使用前先用砂紙打磨，除去表面氧化層，然后挑選較為光滑無裂隙的側面，在其軸向上、中、下部分別貼橫、縱2個應變片，共計6個，用502膠水將應變片的前端粘貼在煤塊上，用704膠將應變片的尾端固定，如圖4所示，待膠水完全凝固后，將應變片尾端的導線與導線焊接，并連接至數據采集儀，同時打開計算機開始采集數據，數據正常則開始試驗。

1.3 試驗步驟

該試驗的具體步驟如下。1）制備試驗所需原煤煤樣。2）把試樣上應變片的尾端與導線焊接在一起，將應變傳導線與數據采集儀連接。3）查看采集到的數據，如有問題重新連接對應的導線，數據正常將試樣放入反應罐。4）密封反應罐，確定數據采集周期，打開真空泵。5）待抽至真空后關閉氣泵，等待應變數據穩定。6）數據穩定后先加水至煤樣中部的縱向應變片底端，后充入甲烷氣體至一定壓力，等待應變數據穩定。7）數據穩定后先打開出氣閥門，將氣體排出，后打開出水閥門，將水排出，待數據穩定后做好記錄。8）開展不同壓力下的多組實驗。

注意事項：由于應變采集儀上裝有溫度感應片，因此在試驗過程中要盡量保持恒溫; 充入甲烷壓力較大時，導線與反應罐頂部接觸部分有可能漏氣，所以在實驗中要做好通風工作，同時保證應變穿導線的穩定;試驗結束后，先放氣后排水的順序一定不能顛倒，否則甲烷氣體可能進入排水管;貼應變片的煤面，一定要盡可能光滑，否則會對試驗結果造成較大影響。

2 試驗結果與分析

由試驗獲得的煤體表面應變的數據，可以得到下列幾組曲線（圖5），分析得出的規律如下。

2.1 同區上的變形規律

在同區的變形上，縱向比橫向更加劇烈，這表明煤樣在氣體吸附和水滲吸的作用下，縱向拉伸變形更明顯。

2.2 水氣共吸后的變形規律

進水進氣后，煤樣會有短暫的小幅度壓縮變形，受到氣體壓力和水壓的共同作用，接著在氣體吸附和水滲吸的過程中逐漸呈現出拉伸變形，干區的縱向變形在進氣短期過程仍有一段壓縮變形。

2.3 泄水泄壓后的變形規律

在曲線規律中，臨界區和濕區變形規律基本一致，且臨界區變形大于濕區，而干區在泄水卸壓后，變形曲線呈現出大幅變化。產生該現象的原因一方面是濕區甲烷含量較少，臨界區是水和甲烷并存，所以兩者共同作用區會出現臨界區的變形較大;泄水卸壓后，干區煤體內的甲烷隨卸壓沿孔隙解吸，同時存在殘余變形，而臨界區和濕區有水的存在，即使卸壓泄水后，水的殘留以及封堵煤體孔隙導致內部氣體的封存，尤其臨界區最為明顯。

3 結論

由試驗曲線可得，煤體在水和甲烷共同存在（即臨界區）的狀態下發生的形變最大，在只有甲烷存在（干區）的狀態下發生的形變最小，而在泄水卸壓后，臨界區發生的形變最大。進水進氣后，曲線先有一段小幅度的上升，而后下降，說明煤體接觸到甲烷和水的瞬間發生了壓縮變形，而后發生拉伸變形。在吸附、滲吸平衡后，進行泄水卸壓，煤體氣體解吸、水退出，水的毛細作用導致部分滲入煤體孔隙的殘余水的留存，因此濕區和臨界區在卸壓泄水后的殘余變形較大，同時臨界區的水侵占了煤體孔隙，會封堵部分進入煤體的甲烷解吸的通道，從而導致臨界區的殘余變形最大。

參考文獻

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