煤巖吸附—解吸變形各向異性特征試驗分析

魏 彬 趙 宇 張玉貴

(①河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454000；②河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454000)

0 引言

煤巖是一種復雜的多相介質體，它在吸附和解吸氣體時，不僅會改變自身物理力學性質，還會引起滲透性能、應力狀態及強度的變化。尤其是煤巖在氣體解吸過程中，基質收縮變形會使滲透性發生動態變化，這對煤與瓦斯突出防治和地面煤層氣抽采均具有重要影響[1]。

針對煤巖吸附—解吸氣體產生變形這一特殊的力學現象，國內外學者開展了廣泛研究，并已取得了一定的研究成果。劉延保等[2-3]用自行研發的含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，做不同瓦斯壓力下的吸附膨脹變形試驗，發現煤樣吸附膨脹變形存在各向異性。Karacan[4-5]在試驗中也發現了煤樣的吸附膨脹變形呈各向異性，并利用CT掃描圖像分析發現不同類型顯微煤巖的變形規律有很大不同。Pan等[6-7]根據能量平衡原理，提出了煤體各向異性膨脹變形的理論模型，描述原場地應力下的煤體吸附變形規律。梁冰等[8]利用自制的吸附—解吸試驗裝置，測試了在低壓吸附瓦斯過程中煤體變形規律。結果表明煤體吸附瓦斯膨脹變形呈各向異性，垂直層理方向和平行層理方向的變形整體變化趨勢呈現一致性。姚宇平[9]認為煤體吸附瓦斯產生膨脹變形是瓦斯分子擠入煤的微孔隙引起的。王佑安等[10]試驗測定了五個礦區13個煤樣在各種CH4和 CO2氣體壓力下的吸附變形量，得出吸附變形隨壓力的變化規律。何學秋等[11]探討了孔隙氣體對煤巖變形及破壞的作用機理。曹樹剛等[12-14]開展了突出危險煤在不同瓦斯壓力條件下的吸附—解吸變形全過程試驗，研討了突出危險煤吸附瓦斯產生膨脹變形、解吸瓦斯產生收縮變形行為。周軍平等[15]、吳世躍等[16]基于吸附過程的熱動力學和能量守恒原理，建立了計算煤巖吸附氣體引起的膨脹應變的理論模型。劉向峰等[17]實測了不同有效應力及加壓方式下煤體的變形量，分析了煤基質吸附(解吸)后的變形機理，得到彈性階段煤體變形值與吸附(解吸)量的變化規律，并擬合出兩者之間的函數關系式。李祥春等[18-19]研究了煤巖吸附膨脹變形與孔隙度、滲透率的關系，認為煤層中瓦斯壓力越大，產生的膨脹變形越大。

縱觀上述文獻，對于煤巖變形各向異性規律的研究，大多將煤巖視為橫向各向同性體，即平行層理方向視為各向同性，只對垂直層理和平行層理兩個方向做對比分析[20-22]。研究表明：煤層中平行層理方向面割理與端割理的發育程度、連通性、裂隙張開度不同，該方向上依然存在明顯的各向異性。開展煤巖吸附—解吸變形各向異性特征研究，對于預測煤儲層滲透性的各向異性特征，優化地面煤層氣抽采井網、儲層改造、井下瓦斯抽采鉆孔布置等均具有重要意義[23-24]。

1 試驗裝置及煤樣制備

1.1 試驗裝置

本次試驗采用自主研發的煤巖氣體吸附—解吸變形試驗系統(圖1)。該系統由抽真空系統、氣源供氣系統、煤樣吸附—解吸系統、恒溫系統和數據采集系統等構成。

圖1 煤巖氣體吸附—解吸變形試驗系統示意圖

1：氣瓶，2：減壓閥，3：氣壓傳感器，4：壓力表，5：應變導線接入口，6：高壓吸附—解吸罐，7：恒溫水浴箱，8：真空泵，9：集氣裝置，10：應變儀，11：電腦

1.2 煤樣制備

試驗所用煤樣取自鶴壁六礦二1煤層，煤種為貧瘦煤。二1煤層位于二疊系山西組下段的頂部，厚度為3.45～17.50m，平均煤層厚度為8.14m，為全區穩定可采煤層。根據煤巖層理和割理的發育情況及試驗設備和測試條件的要求，沿垂直煤體層理(z)、平行層理垂直面割理(y)和平行層理垂直端割理(x)三個正交方向，將煤塊切割加工成尺寸為60mm×60mm×60mm正方體試件，加工后的煤樣如圖2a所示，選取表觀完整、無肉眼可見裂縫的樣品，依次用砂紙將其表面打磨光滑，然后放入干燥箱，溫度調至80℃并干燥24h，冷卻后用保鮮袋密封保存備用，煤樣工業成分測定結果見表1。在進行試驗前，用酒精將煤表面擦拭干凈，用膠水在煤樣表面沿平行層理垂直面割理、平行層理垂直端割理和垂直層理三個方向各粘貼應變片，粘貼應變片后的煤樣如圖2b所示。

圖2 加工煤樣(a)及其應變片粘貼方式(b)

取樣地點煤層煤種水分%灰分%揮發分%鶴壁六礦二1貧瘦煤0.869.3716.71

1.3 試驗方法

本次試驗采用煤巖氣體吸附—解吸變形試驗系統對煤樣進行測試，研究煤體吸附、解吸后的變形規律。基于試驗安全性的考慮，實驗室禁止進行甲烷有關的試驗，故采用氮氣代替甲烷作為吸附質，試驗溫度恒定為25℃，試驗氣體壓力分別為0.5、1.0、1.5和2.0MPa。具體步驟如下：

(1)在進行試驗前，首先檢驗裝置的氣密性，通過向系統中充入1MPa的氦氣，保持1MPa壓力12h，每間隔2h查看壓力表。若壓力表有效讀數均為1.0MPa，則證明系統氣密性良好；

(2)檢驗裝置氣密性后，使用真空泵對高壓吸附—解吸罐持續抽真空，待高壓吸附—解吸罐中抽氣的真空度不低于0.098MPa的負壓時，持續抽真空2h后停止；

(3)向高壓吸附—解吸罐內充入氮氣，通過調節減壓閥和壓力控制閥，使吸附—解吸罐內的氮氣達到預定氣體壓力。煤樣發生吸附膨脹變形，連續監測應變傳感器數值變化。待計算機軟件上的應變曲線近似一條水平直線時，可認為煤樣達到吸附平衡；

(4)在煤樣達到吸附平衡后，迅速打開吸附罐上的氣體壓力控制閥，自然排出吸附罐內氣體。連續監測應變傳感器數值變化，待應變變化率小于2×10-4h-1時，可認為煤樣達到了一個大氣壓下的解吸平衡狀態；

(5)重復步驟(2)～(4)，改變氣體壓力的設定值，完成不同氣體壓力條件下煤樣吸附—解吸變形測試。

2 測試數據分析

2.1 煤巖吸附膨脹變形規律

煤樣在不同氮氣壓力下的吸附膨脹變形曲線如圖3所示，其中壓縮應變為負值，膨脹應變為正值。圖3中ε1、ε2、ε3分別為垂直層理方向(z)、平行層理垂直面割理方向(y)和平行層理垂直端割理方向(x)的應變值。

為了盡量減小試驗誤差，首先對煤樣進行抽真空試驗，在抽真空階段，煤體處于壓縮狀態。當抽真空結束，在向吸附罐內充入一定壓力氮氣的瞬間，煤樣周圍產生了較大的氣體壓力，而此時，氣體很難進入煤體內部，只有裂隙和較大的孔隙(>1000nm)中出現少量滲流氣體，因此這一階段煤樣主要表現為壓縮變形。圖3a～圖3d中可看出隨著氣體壓力加載瞬間完成這種壓縮變形。充入氣體壓力越大，壓縮變形量就越大。待吸附罐內的氮氣達到預定壓力后，煤樣處在巨大的壓力差和濃度差的環境下，氮氣氣體快速地進入煤體中的裂縫和孔隙中并進行滲流和擴散。吸附氣體使煤的微孔隙和微裂隙表面能降低，表面層厚度增大，同時游離的氣體促使微孔隙和微裂隙體積增大，從而使煤體發生膨脹變形[25]。隨著煤體結構內外壓力差及濃度差的逐漸減小，煤體變形速率逐漸降低，直至達到吸附平衡，煤體變形值趨于一個穩定值。

圖3 不同氣體壓力下煤體吸附膨脹變形各向異性特征

由圖3可見，在各種氣體壓力下，煤體吸附膨脹變形均呈現各向異性特征，整體上三個方向的應變變化趨勢呈現一致性，但是垂直層理方向的變形明顯大于平行層理兩個方向的變形，平行層理垂直面割理方向的變形大于垂直端割理方向的變形，即ε1>ε2>ε3。這是由于煤巖層理、面割理和端割理發育程度依次降低。在煤基質變形的基礎上，三個方向上不連續結構面的變形差異是造成煤體吸附膨脹變形各向異性的主要原因。

煤樣不同方向上的吸附膨脹變形量見表2，可知垂直層理方向和平行層理垂直面割理方向的應變值之比約為1.5。在平行層理上，隨著氣體壓力的增大，垂直面割理方向和垂直端割理方向之間的應變量之比越來越小。這是由于隨著氣體壓力的不斷升高，氣體逐漸進入到煤體孔隙當中，引起煤基質的變形，而煤基質的變形勢必會壓縮裂隙的空間，因此，當氣體壓力較高時，煤體變形主要是煤基質的變形。由于平行層理方向裂隙較少，所以，隨著氮氣壓力的逐漸升高，平行層理方向上垂直面割理和垂直端割理之間的應變值之比越來越小。

表2 三個方向上煤巖吸附膨脹最大應變特征

2.2 煤巖解吸收縮變形規律

煤樣在解吸過程中，并不是簡單地一直收縮變形，如圖4所示，在快速排出高壓氣體時會出現一個瞬間的膨脹變形過程。在快速排出氣體時，煤體受到的圍壓迅速減小，來不及釋放的高壓吸附氣體提供的孔隙壓力使煤體所受的有效應力迅速減小，煤樣發生膨脹變形。由于煤體中裂隙發育程度、連通性以及分布上的差別，導致垂直層理方向變形量較大，平行層理垂直面割理方向變形量較小，而平行層理垂直端割理方向無明顯變化。伴隨著煤樣膨脹變形后，開始彈性恢復變形階段，該階段持續時間極短，變形量較大。煤樣在解吸收縮變形階段，收縮變形量隨著時間增長而增加，變形速率不斷減小，最后達到一個近似穩定的值。

圖4 不同氣體壓力下煤體解吸收縮變形曲線

煤體的解吸收縮變形同樣具有各向異性特征，由表3中的數據可知，垂直層理的收縮變形量大于平行層理，平行層理方向上垂直面割理方向的收縮量一般大于垂直端割理方向。

表3 不同方向上煤的解吸變形值

2.3 吸附—解吸殘余變形分析

煤體吸附氣體發生膨脹變形，解吸氣體發生收縮變形，對于此過程的可逆性，目前還存在較大分歧。本文的試驗研究發現，不同氣體壓力下煤樣吸附—解吸過程中均存在一定的殘余應變。這是因為當吸附氣體壓力下降時，發生解吸現象，從而引起煤基質內微孔隙和微裂隙的閉合，原來借助于氣體壓力楔入微孔隙和微裂隙中的部分氣體，由于煤體在氣體壓力下降時的收縮效應，被禁錮在這些微孔隙和微裂隙之中，因此當氣體壓力降為零時，煤體的變形值并不為零，而是存在著一定的殘余變形。

由表4可以看出隨著氮氣壓力的增大，煤巖吸附—解吸殘余變形量明顯增大。通過擬合得到煤體殘余應變值與氣體壓力呈線性關系(圖5)，其一般關系表達式為

ε=aP+b

式中：ε為煤體殘余變形量；P為氣體壓力；a，b為擬合常數。

表4 不同氮氣壓力下的殘余變形量

注：ε=ε1+ε2+ε3為煤巖的體積應變

圖5 煤體殘余應變量與氣體壓力的關系

3 結論

(1)不同壓力下的煤體吸附—解吸變形曲線在垂直層理、平行層理垂直面割理和平行層理垂直端割理方向的整體變化趨勢呈現一致性，在吸附過程中先后經歷抽真空收縮變形、充氣壓縮變形和吸附膨脹變形階段，解吸過程中經歷放氣瞬間膨脹變形、放氣后彈性恢復變形和解吸收縮變形等階段。

(2)煤體吸附—解吸變形呈現各向異性特征，垂直層理方向變形量最大，平行層理垂直面割理方向次之，平行層理垂直端割理方向最小。因此，在進行體積應變計算時，不宜將煤層平行層理方向視為各向同性進行計算，應采取正交各向異性，更符合煤層實際。

(3)煤體吸附—解吸變形過程中，氣體壓力越大，變形量就越大。隨著氣體壓力的逐漸增加，在平行層理上，垂直面割理方向與垂直端割理方向的應變值之比逐漸減小，各向異性特征有所減弱。

(4)煤體的吸附—解吸是一個不可逆的過程，在不同氣體壓力下煤體吸附—解吸后均存在一定的殘余變形，氣體壓力越大，殘余變形量越大，且與氣體壓力呈現線性關系。