瓦斯壓力對煤體吸附-解吸變形特征影響試驗研究

郭 平

（重慶工業職業技術學院，重慶401120）

煤是一種天然的吸附劑，大量的實際現象和實驗結果表明，煤體吸附-解吸氣體會發生膨脹-收縮變形，進而影響含瓦斯煤體孔隙率和滲透率[1-5]。隨著煤礦開采深度增加，瓦斯壓力增大，煤體吸附-解吸變形對煤礦瓦斯災害治理影響越加明顯，因此摸清煤體吸附-解吸變形規律對認清深部煤體瓦斯流動規律具有重要意義。近年來，關于煤體吸附-解吸瓦斯變形特性方面，國內外學者已開始著手相關研究工作[6-10]。綜上所述，前人在煤體吸附-解吸瓦斯變形特征取得了一定的研究成果，但還需進一步豐富和完善，尤其是殘余變形方面研究目前還處于定性分析階段。為此利用含瓦斯煤體吸附變形測試試驗系統開展不同瓦斯壓力條件下的吸附解吸變形試驗，探討瓦斯壓力對煤體吸附-解吸變形特征的影響。

1 試驗描述及方法

1.1 試樣制備

試驗所用煤樣取自重慶松藻煤電有限責任公司渝陽煤礦8#煤層，根據巖石力學試驗的ISO 22475-1：2006 國際標準，原材料被加工成直徑d=50 mm、高度h=100 mm 的圓柱體標準原煤試件，并利用恒溫箱烘干后，存于干燥箱。

1.2 試驗裝置

試驗設備采用重慶大學自行研制的含瓦斯煤體吸附變形測試試驗系統，該裝置主要由瓦斯罐、恒溫水浴系統、吸附變形測試罐、WS-3811 數字式動態應變數據采集儀、計算機、壓力控制閥、壓力表、真空泵、真空表及高壓管路組成，含瓦斯煤體吸附變形測試試驗系統示意圖如圖1。

圖1 含瓦斯煤體吸附變形測試試驗系統示意圖

1.3 試驗步驟

試驗采用99.99%的CH4氣體，作為吸附質，試驗水浴溫度為30℃，測試壓力分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa 等5 個等級，研究不同瓦斯壓力條件下煤體吸附解吸變形特征。試驗步驟參考文獻[10]。

2 試驗結果與分析

不同瓦斯壓力下煤樣的吸附-解吸變形曲線如圖2，其中應變增大部分表示含瓦斯煤體的收縮變形；減小部分表示膨脹變形。

圖2 不同瓦斯壓力下煤樣的吸附-解吸變形曲線

從圖2 可以看出，不同氣體壓力的含瓦斯煤體吸附-解吸變形曲線全過程具有明顯的相似性，可將含瓦斯煤體吸附-解吸變形曲線劃分為抽真空壓縮變形階段I、吸附膨脹變形階段II、解吸收縮變形階段III 等3 個階段。具體描述如下：

1）在抽真空壓縮變形階段I，由于煤體中孔隙、裂隙中富集的空氣被抽出，導致煤體表面張力減小，煤體發生收縮變形，煤體壓縮變形隨抽真空的時間增加而增加，但增加速率增加降低，最終趨于穩定，達到抽真空平衡狀態。

2）吸附膨脹變形階段II。該階段由于受到試驗初期充氣的影響，瓦斯氣體進入吸附測試罐后對試件周圍瞬間產生圍壓作用，使得煤體發生了短暫的壓縮變形，但充氣速度較慢時，該特征表現較弱。當充氣平衡后，煤體吸附瓦斯開始呈現膨脹變形特征。隨著吸附時間的增加，吸附瓦斯量逐漸增大，吸附膨脹變形特征越加明顯，但變形速率逐漸降低，最終達到穩定值。

3）解吸收縮變形階段III。該階段由于受到氣體壓力釋放的影響，使得試驗腔體內氣體產生的圍壓得到快速卸載，進而導致原被氣體壓縮產生的煤體彈性變形迅速恢復，因此煤體出現了短暫且非常顯著的膨脹變形，此時膨脹變形達最大值，但隨著排氣速度的減緩，該特征表明也明顯變弱。當氣體壓力釋放平衡后，煤體解吸瓦斯開始呈現收縮變形特征。隨著解吸時間的增加，解吸瓦斯量逐漸增大，收縮變形特征越加明顯，但變形速率逐漸降低，最終收縮變形量也達到穩定值。

3 煤吸附-解吸變形特征分析

3.1 煤吸附膨脹變形特征分析

不同瓦斯壓力條件下吸附膨脹變形曲線如圖3（負號表示煤體發生膨脹變形行為）。從圖3 可看出，不同壓力條件下的含瓦斯煤體的吸附膨脹變形規律具有很好的相似性，即吸附膨脹變形值隨吸附時間的增加而逐漸增大，直至達到某一恒定的應變值；吸附壓力越大，產生的吸附膨脹應變也越大，煤體膨脹變形越明顯。從時間的角度來講，煤體的吸附變形是一個較為漫長的過程，在吸附變形初期，煤體的吸附膨脹變形變化較快，對吸附時間的敏感性較強；隨著吸附時間的增大，膨脹變形變化率逐漸降低，上述表明含瓦斯煤體的吸附膨脹變形與吸附量密切相關。瓦斯從煤體裂隙通道滲流到孔隙周圍后，瓦斯氣體以擴散的方式進入孔隙；同時煤體孔隙開始吸附瓦斯，隨著吸附時間的增加，煤體吸附瓦斯量逐漸趨于飽和狀態，因此煤體的吸附膨脹變形的變化趨勢逐漸減緩。從空間的角度上講，含瓦斯煤體吸附膨脹變形規律與瓦斯壓力梯度呈正相關變化趨勢，在瓦斯壓力梯度變化相同的條件下，含瓦斯煤體的吸附膨脹變形曲線呈近似均勻分布。

圖3 不同瓦斯壓力條件下吸附膨脹變形曲線

對比圖3（a）和圖3（b）可知，含瓦斯煤體的橫向膨脹變形與縱向膨脹變形在變化形態特征上具有明顯的相似性，但變化幅度明顯存在較大差異，表現出明顯的各向異性特征。含瓦斯煤體的橫向（平行層理）吸附膨脹變形ε1明顯小于縱向（垂直層理）變形ε2，縱向變形量ε2約為橫向變形量ε1的1.55~1.74 倍，且ε2/ε1平均比值穩定在1.70 左右。將上述數據進一步整理分析，可得到不同吸附瓦斯壓力與吸附膨脹體積變形εv關系（εv=2|ε1|+ε2），膨脹體積變形與吸附壓力關系如圖4。從圖4 可以看出，在吸附變形過程中，吸附膨脹體積變形隨吸附壓力的增大呈線性增加；當吸附壓力一定時，吸附時間越長，吸附量越大，表現為線性斜率越大。

3.2 煤解吸收縮變形特征分析

不同瓦斯壓力條件下解吸收縮變形曲線如圖5。從圖5 可看出，不同壓力條件下的含瓦斯煤體的解吸收縮變形量隨解吸時間的增加而逐漸增大，當壓力梯度一定時，在空間上呈現出近似均勻分布特征；解吸壓力越大，產生的收縮應變也越大，煤體收縮變形越明顯。在解吸變形初期，煤體的收縮變形特征明顯；隨著解吸時間的增大，煤體中瓦斯含量逐漸降低，收縮變形變化率逐漸降低，表明含瓦斯煤體的收縮變形與解吸量密切相關，當煤體中不再發生瓦斯解吸時，解吸變形達到某一恒定應變值。

圖4 膨脹體積變形與吸附壓力關系

圖5 不同瓦斯壓力條件下解吸收縮變形曲線

對比分析圖5（a）和圖5（b）可知，含瓦斯煤體的橫向收縮變形與縱向收縮變形在變化形態特征上具有明顯的相似性，但表現出明顯的各向異性特征。分析數據分析可知，含瓦斯煤體的橫向解吸收縮變形ε1明顯小于縱向變形ε2，縱向變形量ε2約為橫向變形量ε1的1.67~1.74 倍，且ε2/ε1平均比值穩定在1.70 左右。收縮體積變形與吸附壓力關系如圖6。從圖6 可以看出，收縮體積變形隨解吸壓力的增大而呈線性增加趨勢，當解吸壓力一定時，且解吸時間越長，解吸量越大，表現為線性斜率越大。

圖6 收縮體積變形與吸附壓力關系

3.3 殘余變形特征分析

綜合分析圖4 和圖6 可知，含瓦斯煤體在吸附-解吸試驗完成后，煤體不能恢復到試驗前的形態，存在一定的殘余變形，表現出明顯的吸附-解吸變形不可逆變化特征，殘余變形與氣體壓力關系如圖7，圖中負號表示煤體的殘余變形以膨脹變形的方式呈現，即含瓦斯煤體在吸附-解吸變形過程中，煤體發生的吸附膨脹變形量大于解吸收縮變形量。

圖7 殘余變形與氣體壓力關系

從圖7 可知，含瓦斯煤體殘余橫向變形量相對較為穩定，隨著氣體壓力的增加呈相對較緩的線性增加關系，當氣體壓力從1.0 MPa 增加到2.5 MPa時，殘余橫向應變從104×10-6增加到118×10-6，表明平行層理方向變形可逆性相對較好；殘余縱向應變對氣體壓力的敏感性顯著，變化幅度明顯增大，隨著氣體壓力的增大呈現出較快的線性增長關系，當氣體壓力從1.0 MPa 增加到2.5 MPa 時，殘余橫向應變從111×10-6增加到240×10-6，表明垂直層理方向變形可逆性較差；含瓦斯煤體的殘余體積變形隨氣體壓力增大呈出較快的線性增長關系，表明體積殘余變形受縱向殘余變形影響相對較大。

4 結 論

1）含瓦斯煤體吸附-解吸變形動態曲線具有明顯相似性，可劃分為抽真空壓縮變形階段I、吸附膨脹變形階段II、解吸收縮變形階段III 等3 個階段。

2）含瓦斯煤體吸附/解吸壓力越大膨脹/收縮變形特征越明顯，但煤體變形具有明顯的各向異性特征，且橫縱向變形量比值隨吸附/解吸時間和吸附/解吸壓力變化不明顯，趨于定值。

3）含瓦斯煤體在吸附-解吸變形過程中，體積變形隨吸附/解吸壓力的增大呈線性增加，吸附/解吸時間越長，線性斜率越大。

4）含瓦斯煤體在吸附膨脹-解吸收縮變形表明出明顯的不可逆行性特征，殘余變形量隨氣體壓力增加而增大，其中煤體縱向變形對氣體壓力敏感性明顯高于橫向，對煤體殘余體積變形貢獻較大。