煤體的吸附膨脹變形特性研究

李會云

(晉煤集團晉圣公司 億欣煤業公司，山西 晉城 048006)

煤是一種傳統能源，是一種雙重孔隙介質，即孔隙、裂隙結構[1-2]。煤中存在吸附態和游離態的甲烷，其中吸附態的甲烷占80%以上[3]。當煤層受到采動、抽采影響后，煤層內的瓦斯平衡狀態被打破，在采動影響的區域內煤層瓦斯會重新分布，在瓦斯重新分布的過程中，煤體會發生微觀的變形，這種微觀的變形會造成煤體滲透率的改變，從而影響瓦斯抽采率發生變化。張遵國等[4]對不同含水率軟煤的吸附特性及膨脹特性進行了研究，結果表明：水分可抑制膨脹變形的增加，在一定的含水率范圍內，極限吸附膨脹變形量隨著含水率的增加而減小；栗婧等[5]對不同溫度條件下的型煤吸附解吸變形進行了研究，研究發現吸附過程中的變形具有各向異性的特性，解吸過程中的變形具有各向同性的特征；翟盛銳等[6]對不同粒度的型煤煤樣的變形特性進行了實驗研究，由直徑為0.85 mm的煤樣制作的型煤吸附解吸變形最大，由直徑為0.42 mm的煤樣制作的型煤吸附解吸變形最小，煤樣解吸后存在一定的殘余變形；刑俊旺[7]對不同氣體引起的煤體變形特性進行研究，結果發現：對于同一注入壓力，氦氣引起的體應變增幅較大，CO2引起的體應變增幅最小。本文基于吸附膨脹變形測試，采用垂直于層理方向的原煤煤樣對煤體的膨脹變形特性進行研究，以期為煤層瓦斯抽采提供理論依據。

1 實驗煤樣的制作及實驗步驟

1.1 實驗煤樣的制作

實驗煤樣取自山西晉煤集團晉圣公司億欣煤業，在工作面選取大塊無構造的煤樣，密封保存后送至實驗室。實驗煤樣的堅固性系數為1.22。為了研究煤樣的吸附膨脹特性，沿著煤樣垂直于層理的正交方向，采用HZ-15型電動取芯機進行取芯。取芯時參照中華人民共和國國家標準GB11818-89《混凝土鉆孔取芯機技術標準》，取芯過程中轉速不宜過快，轉速過快會破壞煤芯，在取芯過程中加入少量的水會避免粉塵過大和鉆頭溫度過高，取芯機鉆頭的直徑為50 mm，長度為400 mm。直徑為50 mm的煤芯取出后，采用切磨機對所取出的煤芯進行切磨，使煤芯的高度為50 mm，同時使煤芯端面的不平整度小于0.02 mm，制得的試樣如圖1所示。

圖1 直徑為50 mm、高度為50 mm的實驗煤樣

1.2 實驗步驟

用于煤樣測試的實驗系統為吸附膨脹測試系統(如圖2所示)，該實驗系統包括抽真空系統、死體積標定系統、充氣系統、吸附系統、監控系統及解吸測試系統。具體實驗步驟如下：

1) 將所制得的煤樣采用恒溫干燥箱進行干燥，干燥溫度為105℃，在干燥過程中，每次間隔1個小時對煤樣進行稱重，直至前后兩個小時煤樣的質量不再發生改變，視為干燥結束；

2) 對實驗煤樣進行稱重，稱重后將實驗煤樣放入煤樣罐7中，擰緊煤樣罐；

3) 打開恒溫水浴10，設置實驗溫度為30℃，將氦氣罐1中的氣體充入煤樣罐中并保壓3 h；在3 h內，如果煤樣罐的壓力降低，需對實驗系統進行重新檢漏；如果煤樣罐內壓力不發生變化，則繼續進行實驗；

4) 打開應變儀12的電源，同時打開真空泵5的電源，則真空泵開始對煤樣罐進行抽真空，同時電腦自動記錄抽真空期間煤樣的應變，當煤樣罐內的真空度小于20 Pa時，視為抽真空結束；

5) 抽真空結束以后，采用甲烷罐2對煤樣罐進行充氣，當充至某一壓力值時，關閉閥門d，使煤樣罐內的煤樣進行吸附，同時電腦自動記錄吸附期間煤樣的應變；

6) 實驗結束后，整理實驗數據，并按照上述實驗步驟對另一煤樣進行測試，排除吸附膨脹無法恢復原樣的影響。

圖2 吸附膨脹變形測試系統

2 結果與分析

本文共測試了3個吸附平衡壓力下的膨脹變形及抽真空的收縮變形，文中定義收縮變形為負，膨脹變形為正，不考慮充氣瞬間對煤體變形的影響。3個煤樣抽真空期間的收縮變形隨時間的變化規律如圖3所示； 3個煤樣吸附期間的膨脹變形隨時間的變化規律如圖4所示。

由圖3可知，3個煤樣的體應變均隨著時間的增加而逐漸增加，即煤樣的收縮度增加，但是增加的幅度逐漸減小。出現這種現象的原因是，隨著時間的增加，煤樣罐內的真空度逐漸減小，煤體孔隙內的氣體逐漸減少，因此煤樣的收縮度逐漸增加。3個煤樣收縮變形出現差異的原因主要是煤體內部孔隙結構的不同，即3號煤樣內大的裂隙和孔隙占據的數量比2號煤樣和1號煤樣的都要大。因此出現3號煤樣的收縮變形大于2號煤樣的收縮變形，2號煤樣的收縮變形大于1號煤樣的收縮變形。試樣的體應變(ε)與時間滿足Langmuir的函數關系，可采用Langmuir函數對圖3中的散點曲線進行擬合，擬合公式如式(1)所示，擬合參數如表1所示，擬合效果較好。

(1)

式中：ε為體應變；a和b為擬合參數；t為抽真空時間。

表1 式(1)中的擬合參數

由圖4可知，3個煤樣的體應變均隨著吸附時間的增加而逐漸增加，即煤樣的膨脹變形逐漸增加，但是增加的幅度逐漸減小。出現這種現象的原因是，隨著吸附時間的增加，煤體孔隙內瓦斯的吸附量逐漸增加，同時裂隙內被一定量的瓦斯所填充，造成煤體孔隙、裂隙膨脹，因此膨脹變形的量逐漸增加。膨脹變形增加的幅度逐漸變小的原因是，隨著吸附的進行，煤體對瓦斯的吸附能力逐漸減弱，因此膨脹變形增加的幅度逐漸變小。吸附平衡壓力越大，試樣的體應變越大，因為吸附平衡壓力越大，煤體孔隙內吸附的瓦斯越多，因此其體應變越大。煤體的膨脹變形，即體應變與時間滿足冪函數的函數關系，采用冪函數可以對散點進行較好的擬合，擬合公式如式(2)所示，擬合參數如表2所示。

ε=ctd

(2)

式中：ε為體應變；c和d為擬合參數；t為抽真空時間。

圖4 吸附期間煤樣的膨脹變形隨時間的變化規律

表2 式(2)中的擬合參數

3 結 語

1) 對煤體進行抽真空時，煤體會發生收縮變形，煤體的體應變隨著時間的增加而逐漸增加，煤樣的體應變與時間滿足Langmuir的函數關系；

2) 煤體進行吸附瓦斯時，煤體會發生膨脹變形，煤體的體應變隨著時間的增加而逐漸增加，煤體的體應變與時間滿足冪函數的函數關系；

3) 隨著吸附平衡壓力的增加，煤體吸附的瓦斯量逐漸增多，煤體的體應變逐漸增加。