煤層瓦斯抽采多物理場參數(shù)動態(tài)響應(yīng)特征及其耦合規(guī)律

彭守建，賈 立，許 江，陳捷仁，戴詩杰，陳月霞

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044; 2. 重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400044;3.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，河北 廊坊 065201)

我國油氣資源進口量位居全球前列，對外依存度高。保證油氣資源的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)已成為國家重大戰(zhàn)略，實現(xiàn)煤層瓦斯高效抽采為拓展油氣資源供應(yīng)渠道提供了可能。瓦斯抽采是一個多物理場耦合過程，不同物理場之間相互作用，共同影響瓦斯運移通道的動態(tài)響應(yīng)，改變煤體骨架和基質(zhì)變形，從而影響煤層瓦斯的抽采效果。因此，研究瓦斯抽采過程中的多物理場參數(shù)動態(tài)響應(yīng)特征及其耦合作用機理，對實現(xiàn)煤層瓦斯高效抽采和煤礦瓦斯災(zāi)害防治具有重要意義。為此，相關(guān)學(xué)者展開了系列研究。鮮學(xué)福等研究了變形場和外加電場對瓦斯?jié)B流的影響，獲得了考慮變形場和外加電場耦合作用時的一維達西定律修正公式；林柏泉等研究了含瓦斯煤體的變形規(guī)律，指出瓦斯吸附過程屬于膨脹變形，解吸過程屬于收縮變形；CONNELL開展了真三軸條件下的煤巖滲透率模擬試驗，并建立了考慮應(yīng)力場和瓦斯壓力場耦合作用下的滲透率模型；TAO等探討了溫度場、滲流場和應(yīng)力場耦合環(huán)境下砂巖滲透率演化規(guī)律，及其孔裂隙結(jié)構(gòu)特征；FAN等優(yōu)化了THM耦合數(shù)學(xué)模型，并詳細對比分析了注CO和N驅(qū)替瓦斯效果和增產(chǎn)增滲機理；倪小明等構(gòu)建了氣-水兩相流階段煤基質(zhì)收縮數(shù)學(xué)模型，探討了有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)對煤體變形的影響；梁冰等開展了原煤瓦斯吸附過程中的煤體變形量測試試驗，認為原煤吸附膨脹變形呈各向異性；許江等自主研發(fā)了多場耦合瓦斯抽采大型物理模擬試驗裝置，實現(xiàn)了瓦斯抽采過程中物理場參數(shù)的三維采集與實時監(jiān)控；李波波等建立了考慮溫度場和瓦斯壓力場耦合作用下的滲透率數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合室內(nèi)試驗驗證了數(shù)學(xué)模型的可靠性。

目前，針對不同應(yīng)力條件下瓦斯同步抽采過程中多物理場參數(shù)動態(tài)響應(yīng)及其耦合規(guī)律的研究還較少，對于多物理場耦合作用下抽采過程中煤體變形機理的認識仍有待深化。鑒于此，筆者利用自主研發(fā)的多場耦合瓦斯抽采物理模擬試驗裝置，開展工作面前方不同應(yīng)力區(qū)域瓦斯同步抽采物理模擬試驗，實現(xiàn)多物理場數(shù)據(jù)三維采集，分析抽采過程中煤層多物理場參數(shù)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律及其耦合作用機理，以期為瓦斯抽采工程提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

多場耦合瓦斯抽采物理模擬試驗裝置如圖1所示。該裝置主要由煤層模擬系統(tǒng)、注氣吸附系統(tǒng)、真三軸伺服加載控制系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。其中，煤層模擬系統(tǒng)主要由試件箱體(1 050 mm×400 mm×400 mm)、抽采管(長度為330 mm)和多孔金屬板(300 mm×162 mm)組成，試件箱體用來鋪設(shè)型煤相似材料和各種傳感器，可實現(xiàn)瓦斯抽采過程中煤層多物理場參數(shù)三維采集。抽采管由長度分別為160 mm和170 mm的有效抽采段和連接段組成，有效抽采段部分分布有透氣孔，連接段前端設(shè)計有可變形軟管，用來防止氣體運移速率過快使抽采管折斷。瓦斯抽采系統(tǒng)由流量計、針型閥、氣壓傳感器和模擬井筒組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成瓦斯壓力、煤體溫度、地應(yīng)力、煤體變形和流量等參數(shù)的采集。裝置的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 多場耦合瓦斯抽采物理模擬試驗裝置Fig.1 Multi field coupling gas drainage physical simulation test device

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗方案及步驟

謝和平等指出工作面前方煤體地應(yīng)力起始于準靜水壓力狀態(tài)，隨著工作面推進，垂直應(yīng)力由三向等壓狀態(tài)升至峰值應(yīng)力，而后進入卸壓狀態(tài)，即在工作面前方易形成不同應(yīng)力分布區(qū)域。基于此，結(jié)合相似模擬常數(shù)為5，確定了試驗過程中應(yīng)力Ⅰ區(qū)水平、垂直加載應(yīng)力==2.0 MPa，應(yīng)力Ⅱ區(qū)==3.5 MPa，應(yīng)力Ⅲ區(qū)==5.0 MPa，應(yīng)力Ⅳ區(qū)==1.0 MPa，第三向加載應(yīng)力=2.0 MPa，瓦斯壓力為1.0 MPa。即試驗過程中地應(yīng)力加載呈階梯狀(圖2)，模擬工作面前方不同應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力特征，試驗過程中的應(yīng)力加載方式如圖2所示。煤樣基礎(chǔ)性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)見表2。試驗主要步驟：① 前期準備：把從貴州金佳煤礦取回的煤樣進行破碎、篩分和烘干。② 型煤制備：基于前期研究確定的型煤相似材料最優(yōu)配比方案，開展型煤相似材料的配制，并充分攪拌均勻。③ 試件成型：為便于安裝傳感器和抽采管，型煤壓制成型分4次完成，即分為4層壓制成型，每次成型壓力均為7.5 MPa，保壓時間均為1 h。④ 抽真空：通過氦氣檢查試件箱體密封性之后，使用真空泵進行抽真空處理，待煤層內(nèi)部氣壓下降至0.1 kPa時關(guān)閉真空泵。⑤ 應(yīng)力加載與充氣吸附：首先編寫應(yīng)力加載程序，啟動應(yīng)力加載，然后再打開高壓氣瓶進行充氣，為保證試驗過程安全，吸附氣體為CO，吸附時間約48 h。⑥ 瓦斯抽采：在確保煤層瓦斯壓力吸附平衡，且地應(yīng)力加載穩(wěn)定之后，關(guān)閉進氣口閥門，并打開出氣口閥門，開始抽采。抽采負壓為大氣壓。⑦ 結(jié)束試驗：當(dāng)瓦斯壓力接近枯竭壓力時，結(jié)束試驗。

圖2 地應(yīng)力加載與傳感器空間布置Fig.2 In-situ stress loading and spatial arrangement of sensors

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 多物理場參數(shù)動態(tài)響應(yīng)特征

2.1.1 瓦斯壓力響應(yīng)特征

瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)的方式賦存于煤層中。在原始煤層中，基質(zhì)中的吸附態(tài)瓦斯和孔裂隙中的游離態(tài)瓦斯處于“吸附-脫附”動態(tài)平衡。在瓦斯抽采過程中，煤層瓦斯壓力平衡狀態(tài)被打破，隨著游離態(tài)瓦斯被抽出，致使瓦斯壓力衰減，促使吸附態(tài)瓦斯發(fā)生脫附，補充為游離態(tài)瓦斯。圖3為抽采過程中不同應(yīng)力區(qū)的瓦斯壓力演化情況。

4個應(yīng)力區(qū)的瓦斯壓力演化曲線整體上均呈現(xiàn)先快速衰減、后緩慢變化的特征，即在抽采前期瓦斯壓力衰減明顯，中后期瓦斯壓力變化較小。就瓦斯壓力衰減速率而言，不同區(qū)域存在明顯差異。以瓦斯壓力衰減至0.14 MPa為例，應(yīng)力Ⅳ區(qū)、應(yīng)力Ⅲ區(qū)、應(yīng)力Ⅱ區(qū)和應(yīng)力Ⅰ區(qū)分別用時7.55，64.50，35.60，30.00 min，即應(yīng)力Ⅳ區(qū)瓦斯壓力衰減速率最快，其次是應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)，而應(yīng)力Ⅲ區(qū)最慢。

表2 煤樣工業(yè)分析和基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)

圖3 瓦斯壓力動態(tài)演化曲線Fig.3 Dynamic evolution curves of gas pressure

在外部荷載作用下，煤層內(nèi)部積聚和存儲彈性應(yīng)變能，煤體積聚的彈性應(yīng)變能可表示為

(1)

式中，為煤體彈性模量；為煤體泊松比；，和為三向應(yīng)力。

由式(1)可知，因不同應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體所受應(yīng)力大小不同，煤基質(zhì)和孔裂隙骨架積聚和存儲的彈性應(yīng)變能亦有所差異，致使不同區(qū)域的煤基質(zhì)和孔裂隙體積變化存在差異，進而使得不同應(yīng)力區(qū)的導(dǎo)流能力差異顯著，即應(yīng)力Ⅳ區(qū)導(dǎo)流能力強，壓降速率大，其次是應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)，而應(yīng)力Ⅲ區(qū)的導(dǎo)流能力和壓降速率均較小。

2.1.2 煤體溫度響應(yīng)特征

在瓦斯抽采過程中，瓦斯解吸是一個吸熱過程，導(dǎo)致煤體溫度變化，圖4為瓦斯抽采過程中不同應(yīng)力區(qū)的煤體溫度變化情況。由圖4可知，應(yīng)力Ⅳ區(qū)溫度下降量最大，應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)溫度下降量次之，應(yīng)力Ⅲ區(qū)溫度下降量最小。此外，就溫度下降速度而言，4個區(qū)域的煤體溫度下降均呈現(xiàn)先急劇衰減，后緩慢變化的特征。

根據(jù)瓦斯抽采過程中的熱力學(xué)過程可知

=

(2)

式中，為瓦斯壓力；為氣體比體積；為多變指數(shù)；為常數(shù)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有

=

(3)

式中，為氣體狀態(tài)常數(shù)；為溫度。

聯(lián)立式(2),(3)可得

(4)

式中，和分別為時刻所對應(yīng)的瓦斯壓力和煤體溫度；和分別為時刻所對應(yīng)的瓦斯壓力和煤體溫度。

通過式(4)可得溫度下降量與瓦斯壓力的關(guān)系

(5)

由式(4)和式(5)可知，在瓦斯抽采過程中，隨著瓦斯壓力減小，煤體溫度逐漸降低。由于瓦斯壓力衰減速率和衰減量呈現(xiàn)：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)(圖3)。因此，溫度衰減速率和衰減量呈現(xiàn)出圖4所示的響應(yīng)特征：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)。

圖4 煤體溫度動態(tài)演化曲線Fig.4 Dynamic evolution curves of coal temperature

2.1.3 煤體變形響應(yīng)特征

在瓦斯抽采過程中，不同應(yīng)力區(qū)煤體變形動態(tài)演化特征如圖5所示。由圖5(a)可知，煤體變形具有延遲效應(yīng)，即在抽采瞬間煤體并沒有立即發(fā)生變形，而是隨著抽采的進行，煤體變形才逐漸開始增加，之后處于動態(tài)非線性變化中。其中，在抽采前期煤體變形增加速率大，抽采后期煤體變形增加速率相對較小。圖5(b)為抽采結(jié)束時煤體的體積應(yīng)變值和地應(yīng)力值，應(yīng)力Ⅰ區(qū)～應(yīng)力Ⅳ區(qū)的體積應(yīng)變分別為：2.54×10,2.36×10,2.56×10和2.79×10。

在抽采初始階段，煤層瓦斯壓力快速衰減(圖3)，導(dǎo)致煤層有效應(yīng)力增大，從而使得煤體發(fā)生有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)，致使煤體變形開始增加。隨后，由于吸附態(tài)瓦斯解吸使得煤體溫度降低，進而導(dǎo)致煤層瓦斯氣體分子運移速率減小，從而使得有效應(yīng)力增加速率減小。因此，煤體變形呈現(xiàn)先快后慢的增長趨勢。此外，吸附態(tài)瓦斯不斷解吸，使得煤基質(zhì)發(fā)生收縮效應(yīng)，也進一步增加了煤體的變形，最終使得煤體變形曲線呈現(xiàn)非線性變化特征。在抽采結(jié)束時，瓦斯壓力和煤體溫度最終下降量為：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)，致使煤體變形增加量呈現(xiàn)：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)。其中，應(yīng)力Ⅲ區(qū)瓦斯壓力和溫度下降量最小，但變形并非最小，這是由于不同應(yīng)力區(qū)之間相互接觸，變形受相鄰應(yīng)力區(qū)的影響，應(yīng)力Ⅲ區(qū)緊鄰的應(yīng)力Ⅳ區(qū)變形量最大，其對應(yīng)力Ⅲ區(qū)側(cè)向受限減弱，受泊松效應(yīng)影響，致使應(yīng)力Ⅲ區(qū)變形有所增加。綜上所述，在同步抽采過程中，各應(yīng)力區(qū)域煤體變形受瓦斯壓力、煤體溫度、瓦斯解吸和泊松效應(yīng)等綜合影響。

圖5 煤體變形動態(tài)演化曲線Fig.5 Dynamic evolution of coal deformation

在瓦斯抽采過程中，伴隨著溫度降低和瓦斯壓力衰減。在溫度場和瓦斯壓力場耦合作用下導(dǎo)致的煤巖體積應(yīng)變?yōu)?/p>

=3Δ

(6)

其中，為煤巖寬度;Δ為溫度場和瓦斯壓力場耦合作用下的煤巖寬度變化量。有學(xué)者指出線應(yīng)變()可表示為

=Δ=

(7)

式中，為變形常數(shù)(=/，為比表面積；為煤巖密度；為吸附解吸導(dǎo)致的收縮模量)；為瓦斯吸附解吸導(dǎo)致的煤巖表面自由能變化值：

(8)

式中，和分別為吸附平衡瓦斯壓力和解吸后瓦斯壓力；為表面超量。

表面超量可通過下式獲得

=()

(9)

式中，為過剩吸附量；為標準摩爾體積。

過剩吸附量可表示為

(10)

式中，和均為吸附常數(shù)；和分別為2個吸附位點的吸附常數(shù)；為權(quán)重系數(shù)；和分別為吸附相和游離相密度。

把式(7)～(10)代入式(6)可獲得考慮溫度變化和瓦斯吸附解吸耦合作用導(dǎo)致的煤巖體積變形為

(11)

由式(11)可知，在進行煤層瓦斯抽采時，煤體變形響應(yīng)除受地應(yīng)力影響外，同時還受到煤體溫度和瓦斯解吸耦合作用影響，導(dǎo)致煤體變形呈非線性變化。在本文試驗中，應(yīng)力Ⅳ區(qū)施加應(yīng)力值最小，但其最終的體積應(yīng)變值最大，這是因為該區(qū)域在抽采過程中受瓦斯解吸和溫度影響的變形效應(yīng)較顯著。因此，下面將進一步分析在瓦斯抽采過程中煤體瓦斯壓力、溫度和煤體變形的動態(tài)耦合機制。

2.2 瓦斯壓力與煤體變形的耦合關(guān)系

圖6(a)為應(yīng)力Ⅳ區(qū)瓦斯壓力與體積應(yīng)變耦合關(guān)系曲線。抽采0 min時刻對應(yīng)點，隨著抽采的進行，達到點時的瓦斯壓力為0.31 MPa，煤體變形為0，段展示出瓦斯壓力減小，煤體未發(fā)生變形，即變形存在一個延遲階段；當(dāng)抽采進入段，瓦斯壓力持續(xù)衰減，過點之后，煤體變形開始增加(定義為“煤體變形啟動點”，后續(xù)簡稱“啟動點”)，即變形存在一個啟動階段；達到點之后，變形呈“二次遞增”趨勢(定義為“煤體變形二次遞增點”，后續(xù)簡稱“二次遞增點”)，即變形存在一個二次遞增階段；當(dāng)抽采至點時，試驗結(jié)束，體積應(yīng)變?yōu)?.79×10，瓦斯壓力為0.01 MPa。

圖6 瓦斯壓力與煤體變形的耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship between gas pressure and coal deformation

由此可見，在應(yīng)力Ⅳ區(qū)瓦斯抽采時，瓦斯壓力與煤體變形耦合曲線具有階段變化特征，大致可分為3個階段：第1階段以瓦斯壓力加速衰減，且煤體未發(fā)生形變?yōu)樘卣鳎远螢榇恚坏?階段以瓦斯壓力持續(xù)衰減，煤體變形開始增加為特征，以段為代表；第3階段以瓦斯壓力持續(xù)衰減，煤體變形出現(xiàn)二次遞增為特征，以段為代表。

同樣，在應(yīng)力Ⅲ區(qū)進行瓦斯抽采時，點為抽采0 min時刻點，在段，瓦斯壓力加速衰減，煤體變形為0，即存在變形延遲現(xiàn)象；當(dāng)抽采至啟動點之后，變形開始逐漸增加；抽采達到點時，變形具有二次遞增趨勢，此后，變形具有加速遞增現(xiàn)象；抽采至試驗結(jié)束點時，體積應(yīng)變?yōu)?.56×10，瓦斯壓力為0.02 MPa。結(jié)合圖6(c)～(d)分析可知，應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)的瓦斯壓力與體積應(yīng)變耦合關(guān)系曲線同樣具有上述階段變化特征，存在變形延遲階段、變形啟動階段和變形二次遞增階段。

綜上所述，在瓦斯抽采過程中，煤體變形存在延遲效應(yīng)，僅當(dāng)瓦斯壓力衰減至某一臨界值時，煤體才開始發(fā)生變形，即存在一個啟動點；隨著抽采進行，煤體變形存在二次遞增現(xiàn)象，即存在一個二次遞增點。分析上述現(xiàn)象的原因，主要在于瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于煤層中，游離態(tài)瓦斯約占10%，吸附態(tài)瓦斯約占90%，在進行瓦斯抽采時，游離態(tài)瓦斯最先運移出煤層，由于其含量極少，其導(dǎo)致的有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)基本可以忽略，同時，由于煤儲層中分布有大量的微孔和小孔，對于吸附態(tài)瓦斯具有一定的束縛能力，加上煤基質(zhì)對氣體具有毛細凝結(jié)作用，導(dǎo)致產(chǎn)生瓦斯解吸滯后現(xiàn)象，從而使得煤體瓦斯解吸致變形延遲，對應(yīng)段；隨著抽采的進行，吸附態(tài)瓦斯不斷補充為游離態(tài)瓦斯，游離態(tài)瓦斯含量不斷增加，并逐漸運移出煤層，導(dǎo)致煤層有效應(yīng)力增加，煤體孔裂隙骨架被壓縮，進而導(dǎo)致煤體發(fā)生變形，對應(yīng)段，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)是突破變形延遲的關(guān)鍵；當(dāng)吸附態(tài)瓦斯逐漸解吸至某一臨界值時，煤基質(zhì)發(fā)生收縮，煤體變形進一步增加，使得煤體變形呈二次遞增現(xiàn)象，此后有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)相互競爭，共同影響著煤體變形，對應(yīng)段，即基質(zhì)收縮效應(yīng)是煤體變形二次遞增的主控因素。

2.3 煤體溫度與煤體變形的耦合關(guān)系

從瓦斯壓力與煤體變形的耦合關(guān)系分析看，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)對煤體變形均存在影響。然而，結(jié)合式(11)可知，煤體溫度同樣是影響煤體變形的重要因素，因此，擬進一步探討煤體溫度與煤體變形的耦合機制。圖7為煤體溫度與煤體變形的耦合關(guān)系曲線。在圖7(a)中，點為抽采開始時刻點，對應(yīng)的煤體變形與溫度均未發(fā)生變化，隨著抽采的進行，煤體溫度開始下降，而變形維持不變，對應(yīng)段，即發(fā)生變形延遲現(xiàn)象；當(dāng)抽采過點之后，變形有增加趨勢，溫度仍然保持下降變化，即存在變形啟動點；此后，變形逐漸增加，溫度持續(xù)下降，達到抽采點時，變形進一步增加，即點為變形二次增加點；當(dāng)抽采至點時，對應(yīng)的溫度下降量達到峰值，-11.5 ℃；隨著抽采至試驗結(jié)束點時，煤體溫度達到-10.86 ℃，即段呈現(xiàn)煤體溫度回升且變形持續(xù)增加的現(xiàn)象。

圖7 煤體溫度與煤體變形的耦合關(guān)系Fig.7 Coupling relationship between coal temperature and coal deformation

分析上述現(xiàn)象的原因，這是因為煤層中游離態(tài)瓦斯含量極少，即游離瓦斯導(dǎo)致的有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)基本可以忽略，加上煤層中大量的微孔和小孔對吸附態(tài)瓦斯的束縛作用，以及煤基質(zhì)對氣體的毛細凝結(jié)作用，在這雙重影響因素下，導(dǎo)致瓦斯解吸滯后，煤體變形延遲，對應(yīng)段；隨著抽采的進行，煤體溫度持續(xù)降低，孔隙裂隙持續(xù)吸熱，致使孔隙裂隙骨架發(fā)生解吸吸熱收縮變形，煤體變形增加，對應(yīng)段(結(jié)合2.2節(jié)可知，在階段，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)同樣會對孔隙裂隙骨架發(fā)生作用，致使其產(chǎn)生變形，即在此階段，變形是解吸吸熱導(dǎo)致的收縮變形和有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)雙重作用的結(jié)果，換言之，解吸熱收縮效應(yīng)和有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)是突破變形延遲現(xiàn)象的關(guān)鍵；當(dāng)抽采進入段時，變形出現(xiàn)二次遞增現(xiàn)象，這和2.2節(jié)分析的一致，即由基質(zhì)收縮效應(yīng)起主導(dǎo)作用導(dǎo)致的變形量增加，此階段也存在解吸吸熱導(dǎo)致的收縮變形和有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)的雙重作用；當(dāng)抽采進入段，由于應(yīng)力Ⅳ區(qū)溫度下降速率和下降量較大，導(dǎo)致與其他3個應(yīng)力區(qū)形成較大的溫度差，進而形成熱傳遞，導(dǎo)致其溫度上升，而煤體變形有延遲效應(yīng)，所以變形維持增加趨勢。對比圖7(b)～(d)，煤體溫度與體積應(yīng)變耦合曲線同樣具有上述特征，均具有階段性變化特征，區(qū)別在于：4個應(yīng)力區(qū)對應(yīng)的延遲現(xiàn)象存在明顯差異，煤體變形啟動點對應(yīng)的煤體溫度差異顯著，總體呈現(xiàn)：應(yīng)力Ⅲ區(qū)變形延遲現(xiàn)象最顯著，啟動點的煤體溫度下降量最大，應(yīng)力Ⅱ區(qū)和應(yīng)力Ⅰ區(qū)次之，而應(yīng)力Ⅳ區(qū)則最小。這是由于，在應(yīng)力Ⅳ區(qū)，對應(yīng)的煤體溫度下降速率和下降量最大，促進了解吸吸熱導(dǎo)致的收縮變形發(fā)生速率加快，最終呈現(xiàn)變形延遲現(xiàn)象減弱。

3 結(jié) 論

(1)在瓦斯抽采過程中，煤體溫度持續(xù)下降，其中應(yīng)力Ⅳ區(qū)下降速率最快，其次為應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)，應(yīng)力Ⅲ區(qū)溫度下降速度最慢，瓦斯壓力衰減特征和煤體溫度下降規(guī)律具有相似性。煤體變形受煤體溫度和瓦斯壓力耦合作用影響，使煤體變形呈非線性增加，且抽采前期增速快，后期相對較慢。應(yīng)力Ⅳ區(qū)煤體變形量最大，應(yīng)力Ⅲ區(qū)由于受到泊松效應(yīng)影響，其煤體變形大于應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)。

(2) 在瓦斯抽采中，煤體變形具有階段性變化特征，包括變形延遲階段、變形啟動階段和變形二次遞增階段，其中，變形延遲的實質(zhì)是煤層中大量分布的微孔和小孔，對吸附態(tài)瓦斯脫附的束縛作用，加上煤基質(zhì)對瓦斯的毛細凝結(jié)作用，導(dǎo)致瓦斯解吸滯后，從而出現(xiàn)煤體變形延遲現(xiàn)象。隨著抽采進行，煤體變形延遲被突破，變形逐漸增加，并出現(xiàn)二次遞增現(xiàn)象。

(3) 在瓦斯抽采過程中，煤體變形的動態(tài)響應(yīng)受到有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)、基質(zhì)收縮效應(yīng)、解吸熱收縮效應(yīng)和泊松效應(yīng)等共同影響，其中，泊松效應(yīng)主要對應(yīng)力Ⅲ區(qū)起主導(dǎo)作用，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)是突破變形延遲現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，解吸熱收縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)是煤體變形二次遞增的主控因素。