含瓦斯煤體滲吸水變形特征實驗研究

張 曦，馬衍坤，高 魁，秦萬里

（1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001）

煤層氣開采過程中水的侵入不僅可以改善煤體的物理強度，而且水利化措施后，水分完全可以依靠毛細(xì)管力進(jìn)入煤體內(nèi)部，發(fā)生滲吸作用，從而改變瓦斯的吸附解吸特性[1-5]。在煤礦瓦斯抽采領(lǐng)域，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)水分能夠滲吸置換出煤中瓦斯。如果研究利用水分進(jìn)入煤體后的滲吸效應(yīng)，將會對提高低滲煤層瓦斯抽采效果、縮短瓦斯抽采時間具有重大的意義。目前國內(nèi)外學(xué)者利用理論分析、實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。在吸附膨脹變形機制研究方面：林柏泉、周世寧[6]認(rèn)為含瓦斯煤體變形是由于吸收瓦斯使碳分子間距加大和瓦斯分子楔開了煤層中的微孔隙和微裂隙等。何學(xué)秋[7]等利用表面物理化學(xué)知識認(rèn)為孔隙氣體使煤巖內(nèi)部微孔隙、裂隙的表面的范德華力被削弱而產(chǎn)生膨脹能，從而使煤體宏觀上表現(xiàn)出膨脹變形。C O Karacan[8-9]、曹樹剛等[10]通過對突出危險煤的研究表明突出危險煤的變形曲線可以劃分為6個階段，煤體的應(yīng)變變化率絕對值隨時間逐漸減小，且服從朗格繆爾方程。劉延保[11]聶百勝等[12]得出煤體的吸附膨脹變形垂直層理方向的變形值明顯大于平行層理方向，且吸附氣體壓力越大，其殘余變形值也越大。祝捷等[13]研究表明煤吸附/解吸瓦斯產(chǎn)生的膨脹/收縮變形呈各向異性，卸壓初期煤樣收縮變形較快，之后變形速率減緩，變形需要很長時間才能穩(wěn)定；吸附壓力越大，瓦斯解吸時煤樣的收縮變形越顯著。目前煤體變形研究成果在煤體吸附解吸氣體膨脹變形方面，而含瓦斯煤體滲吸水過程煤體變形鮮有研究，因此，利用自行研制含瓦斯煤體的水滲吸變形實驗系統(tǒng)開展煤體“高壓吸附瓦斯-等壓水滲吸-卸壓退水”的變形實驗，與目前研究的煤體單純吸附解吸氣體變形成果結(jié)合，得到水滲吸作用下含瓦斯煤體的變形規(guī)律，為后期研究滲吸水對含瓦斯煤體吸附解吸作用提供基礎(chǔ)參考。

1 試樣制備與實驗方法

實驗煤樣采自塔子溝煤礦，平行層理方向加工鉆取φ50 mm×100 mm的圓柱形煤體，打磨使煤樣上、下表面平行光滑，同時用無水乙醇處理表面的顆粒物，利用紅外干燥箱，在65℃下持續(xù)干燥原煤12 h，直至質(zhì)量不再變化。避開煤體較大裂隙，在煤樣側(cè)面中部用502膠粘貼焊接好的應(yīng)變片通道，驅(qū)趕氣泡撫平，一次性粘貼完畢待用，同時焊接數(shù)據(jù)采集通道，用AB膠進(jìn)行線路固定和防水涂層。

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗采用自主研制的高壓甲烷煤體自然吸水-數(shù)據(jù)自動采集實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括：高壓甲烷氣瓶、真空泵、儲液器、密封煤樣罐體、煤樣架、高精度壓力傳感器、質(zhì)量傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和針型閥。含瓦斯煤體的水滲吸變形實驗系統(tǒng)如圖1。系統(tǒng)2個主要部分為：①高壓甲烷-煤體自然吸水測試裝置：根據(jù)實驗用途，高精度壓力傳感器、應(yīng)變片設(shè)置在罐體內(nèi)部，可通過罐體壁的數(shù)據(jù)接口與采集系統(tǒng)連接并傳輸數(shù)據(jù)，同時實驗罐體與儲液單元相連，管路設(shè)置針型閥；②智能信號采集分析儀通過密封煤樣罐體側(cè)壁封孔螺絲內(nèi)的傳導(dǎo)線與內(nèi)部應(yīng)變片連接，用于實時監(jiān)測實驗過程中煤體的應(yīng)變信息。

1.2 實驗方法

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水分在煤樣吸附甲烷平衡后自然侵入煤體，確保在水分侵入過程的自然無驅(qū)動力，通過高精度壓力傳感器監(jiān)控密封罐體內(nèi)部的壓力變化，罐體中瓦斯氣體充入壓力設(shè)計采用0.5、1、1.5、2.0 MPa。實驗過程為：①首先將儲液罐裝滿水，將儲液罐上下壓力控制閥關(guān)閉、真空控制閥打開，將吸附罐和整個管路系統(tǒng)抽真空，待達(dá)到一定的真空（4 Pa）后進(jìn)行煤樣形變數(shù)據(jù)的初始采集；②瓦斯吸附平衡階段測試，向罐體內(nèi)充入預(yù)設(shè)壓力的CH4，此時儲液罐上端針型閥打開、下端針型閥關(guān)閉，通過實驗裝置內(nèi)高精度的壓力傳感器將罐內(nèi)壓力值實時采集在電腦數(shù)據(jù)單元，通過信號采集儀記錄時間、煤體變形數(shù)值，4組數(shù)據(jù)均在20 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定變形狀態(tài)；③等壓水滲吸階段，CH4氣體進(jìn)入時儲液器內(nèi)部上端和密封罐體等壓狀態(tài)連接（即儲液器上端針型閥打開），當(dāng)CH4吸附平衡，罐內(nèi)壓力基本無變化，打開儲液器等壓環(huán)境下水自然流入罐區(qū)，直至剛好觸及煤體中部粘貼的橫向和縱向的應(yīng)變片，開展水滲吸的煤體變形監(jiān)控、罐內(nèi)壓力變化；④最后進(jìn)行卸壓排水后的煤體至穩(wěn)定階段的變形監(jiān)測。

2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果主要從“高壓吸附瓦斯-等壓水滲吸-卸壓退水”3個階段分析煤體橫向和縱向變形量的大小趨勢，結(jié)合煤體體應(yīng)變、煤體含水率進(jìn)行分析，得出含瓦斯煤體滲吸水變形特征規(guī)律。

2.1 煤體3階段變形特征

實驗樣品共4組，依次采用壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，單次實驗煤樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時間70 h左右。橫向和縱向變形特征曲線如圖2。

圖2 橫向和縱向變形特征曲線Fig.2 Characteristic curves of transverse and longitudinal deformation

應(yīng)變曲線特征主要分為氣體吸附階段、等壓自然吸水階段、解吸泄水階段。

1）氣體吸附階段。煤體橫向和縱向的應(yīng)變整體變化趨勢呈現(xiàn)一致性，0.5、1 MPa煤體橫向變形基本處在較小壓縮狀態(tài)，1.5、2.0 MPa煤體橫向變形基本處在較小拉伸狀態(tài)，煤體吸附CH4和外加壓力的平衡關(guān)系導(dǎo)致煤體的輕微變形，壓力1.0 MPa以下時煤體對CH4吸附量小而氣體壓力對煤體產(chǎn)生的壓縮變形較大，壓力1.0 MPa以上煤體對甲烷的吸附量大與氣體壓力平衡之間產(chǎn)生了拉升變形；同時縱向的變形量大于橫向，且CH4壓力越大吸附達(dá)到平衡所需的時間越長，說明煤體高壓吸附穩(wěn)定時間與壓力成正比。同時，實驗環(huán)境由于煤體吸附CH4壓力產(chǎn)生不同的下降，下降值分別為0.013、0.028、0.053、0.075 MPa，壓力變化值與初始CH4壓力值之間的關(guān)系如圖3。

2）等壓自然吸水階段。等壓水進(jìn)入罐區(qū)后煤體橫向和縱向變形量均呈現(xiàn)出緩慢上升期、急速上升期和穩(wěn)定期3段過程，4組壓力下等壓自然吸水階段橫縱變形量均在30 h左右趨于穩(wěn)定，等壓吸水至穩(wěn)定的時間與初始CH4壓力無直接關(guān)聯(lián)。等壓自然吸水階段，CH4壓力越大，煤體的橫、縱向變形曲率越大；2.0 MPa瓦斯壓力下煤體橫向和縱向變形量最大，分別為1 716.32×10-6和3 079.31×10-6，現(xiàn)象表明等壓自然吸水階段，煤體橫縱變形量和環(huán)境壓力成正比，而過程穩(wěn)定時間與壓力無關(guān)。該階段，罐內(nèi)壓力有小幅增加，增加值分別為0.004、0.005、0.008、0.013 MPa，吸附氣壓增加值和初始CH4壓力呈二次相關(guān)（圖3（b））。含瓦斯煤體甲烷分子在煤表面產(chǎn)生了吸附，等壓自然吸水后，由于水分子在煤表面的吸附能力大于甲烷分子在煤表面的吸附能力，水分子會與甲烷分子產(chǎn)生競爭吸附，并最終使甲烷分子由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，這就是水的置換作用。

圖3 壓力變化值與初始CH 4壓力值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between pressure variation values and initial pressure of CH 4

3）解吸泄水階段。卸壓泄水后，不同壓力下，橫縱向應(yīng)變特征均緩慢下降至穩(wěn)定，說明卸壓泄水過程中，煤孔隙吸附的CH4和水都在通過孔隙涌出，導(dǎo)致煤體呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)，初始壓力越大，殘余變形越大，同時橫縱變形量均無法恢復(fù)到初始狀態(tài)。在不同的甲烷壓力下，煤體的含水率分別為0.98%、1.05%、1.51%、2.24%，含水率與初始CH4壓力值之間的關(guān)系如圖4。2.0 MPa下橫縱向應(yīng)變殘余變形最大，分別為1 789.82×10-6和3 006.18×10-6，這可能是由于水氣共同影響下，煤體內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹能力取決于水氣共同影響，水氣的競爭吸附，會使得煤體在浸濕區(qū)受到不可逆的孔隙破壞，使得殘余變形和外加壓力成正比。

圖4 含水率與初始CH4壓力值之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between water content and initial pressure of CH 4

2.2 不同瓦斯壓力煤體滲吸水變形特征

由于煤體本身的構(gòu)造及破碎性程度不同，即使嚴(yán)格控制也無法消除實驗結(jié)果的離散型，因此每組實驗時采取對比煤樣的實驗方法，挑選構(gòu)造相同的2塊煤樣做對比，用實驗結(jié)果相差不大的平均值作為實驗結(jié)果，整理出瓦斯與水耦合下體應(yīng)變值，各區(qū)穩(wěn)定體應(yīng)變值見表1。

表1 各區(qū)穩(wěn)定體應(yīng)變值Table 1 Stable volume strain values in each region

體應(yīng)變εv計算方法如下[14]：

式中：εv為體應(yīng)變；εz為縱向應(yīng)變；εh為橫向應(yīng)變；μ為縱橫應(yīng)變比。

不同CH4壓力下煤體滲吸水體應(yīng)變特征曲線如圖5。從圖5可以看出，不同CH4壓力下煤體滲吸水3階段體應(yīng)變呈現(xiàn)出相似的變形曲線規(guī)律。氣體吸附階段，煤體體應(yīng)變短暫壓縮減小，隨后呈拉伸增大至穩(wěn)定，壓力越大變形曲率越大；等壓自然滲吸水階段，煤體的體應(yīng)變均持續(xù)增大拉升至穩(wěn)定，說明水的滲吸使煤體外表產(chǎn)生拉伸變形，且變形增量與壓力成正比，壓力越大變形曲率越大；解吸泄水階段，卸壓泄水后，不同壓力下，體應(yīng)變特征緩慢下降至穩(wěn)定，煤體表面收縮，且壓力越大，體應(yīng)變的殘余變形越大，不可逆性明顯。

圖5 不同CH 4壓力下煤體滲吸水體應(yīng)變特征曲線Fig.5 Characteristic curves of volume strain of coal body infiltration and water absorption under different CH 4 pressures

2.3 瓦斯壓力對煤體分階段變形的影響

實驗測試過程中煤體經(jīng)歷了氣體吸附平衡、水滲吸平衡、解壓泄水平衡3個不同階段，為了更明確地對不同瓦斯壓力下的變形特征進(jìn)行歸納分析，以初始變形量為基點，得出各階段煤樣的應(yīng)變和CH4壓力變化關(guān)系，煤體滲吸水“壓力-體應(yīng)變”曲線如圖6。

圖6 煤體滲吸水“壓力-體應(yīng)變”曲線Fig.6“pressure-volume strain”curves of water imbibition and absorption in coal

在不同瓦斯壓力下，3個階段變形特征擬合后基本呈現(xiàn)出壓力和體應(yīng)變的正相關(guān)性，3階段下的“瓦斯壓力-體應(yīng)變”擬合度較好，基本呈現(xiàn)二次相關(guān)性，說明3階段的變化趨勢基本一致，尤其是水滲吸和卸壓泄水階段，趨勢線基本重合，原因水具有強于甲烷的吸附能力，水會與煤體內(nèi)吸附態(tài)瓦斯展開激烈的競爭吸附，能夠取代吸附態(tài)瓦斯，達(dá)到“置換”目的，瓦斯吸附壓力越大，水分通過毛細(xì)管力進(jìn)入煤體內(nèi)部產(chǎn)生的變形效果越明顯，相應(yīng)置換的吸附態(tài)瓦斯量也越多，環(huán)境壓力增加越多，表現(xiàn)關(guān)性，壓力越大體應(yīng)變的變化量越大，同時水的滲吸使得煤樣產(chǎn)生了殘余變形，以及難以恢復(fù)的不可逆性。

3 結(jié)論

1）含瓦斯煤體滲吸水實驗，煤體在橫向和縱向的應(yīng)變變化趨勢呈現(xiàn)出氣體吸附、水滲吸、卸壓泄水3階段特征。不同瓦斯壓力下縱向的變形量均明顯大于橫向，變形量和瓦斯初始壓力成正比，同一瓦斯壓力下水滲吸階段的變形曲率最大，最大橫、縱變形量為1 716.32×10-6和3 079.31×10-6，水滲吸階段水對瓦斯的“置換”產(chǎn)生的煤體的變形量具有累加性，同時罐區(qū)壓力在增加，最大變化值為0.013 MPa，瓦斯壓力越大，殘余變形越大。

2）在不同瓦斯壓力下，3階段的“瓦斯壓力-體應(yīng)變”擬合度較好，基本呈現(xiàn)二次相關(guān)性，水滲吸階段體應(yīng)變變化趨勢斜率大于單純氣體吸附過程，卸壓泄水后煤體產(chǎn)生的殘余變形較大。

3）含瓦斯煤體滲吸水實驗，卸壓退水后煤樣含水率在0.98%～2.24%之間，瓦斯壓力越大體應(yīng)變變化率越大，水滲吸和卸壓泄水階段體應(yīng)變特征曲線基本重合，變形特征產(chǎn)生了較大的不可逆性殘余變形。