含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統的研發及應用

成小雨，程 成，2，陳 龍，高 涵，趙 剛

（1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西西安 710054；2.西安科技大學，陜西西安 710054）

瓦斯事故是礦井五大災害之一，對煤礦的安全生產有著很大的威脅，近些年瓦斯事故時有發生，對我國的經濟發展、人民幸福及社會安定有著很大的影響[1-3]。煤層開采的過程涉及到多場耦合共同作用，主要有應力場、裂隙場、滲流場等[4-5]。煤層開采后覆巖應力平衡被破壞，應力重新分布產生裂隙，為瓦斯的滲流解吸提供了通道，可能造成局部瓦斯富集，由于井下條件復雜，現場監測覆巖的裂隙及瓦斯滲流存在一定的困難，因此很有必要研發能夠進行多場耦合的瓦斯滲流解吸實驗平臺。

眾多學者自行設計并搭建了許多實驗研究平臺。張羽等[6]利用搭建的大質量瓦斯解吸實驗系統，研究了解吸規律并根據實驗結果建立了掘進落煤瓦斯涌出量預測模型；王業平等[7]研究了加載速率對含瓦斯煤受載損傷特征的影響，得到了加載速率對煤體抗壓強度、應力應變和內部損傷的影響規律；許江等[8]、尹光志等[9]研制了含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實驗裝置，得到了煤體在不同的加載應力、圍壓、溫度條件下煤體滲透率的變化規律；張曦等[10]自行設計并搭建了承壓瓦斯自然吸水實驗系統，研究了不同瓦斯吸附平衡壓力下的自然滲吸水規律；伍永平等[11]通過立體支架實驗裝置研究了煤層開采后圍巖的應力和變形破壞規律；李樹剛等[12-13]、魏宗勇等[14]分別研制了煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統和上保護層開采相似模擬實驗臺，并進行了模擬實驗和現場應用，為煤與瓦斯共采等相關領域做出了巨大的研究貢獻。

綜上所述，學者們搭建了實驗平臺分別研究了煤體滲透率、瓦斯解吸滲流、覆巖應力及裂隙演化規律等，但對于能夠同時模擬煤層及覆巖的應力場、裂隙場和滲流場等多場耦合的實驗系統研發相對較少。基于此，充分借鑒前人經驗的基礎上，自主研制了含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統，該系統能夠相對真實的實現煤體及覆巖的瓦斯滲流、裂隙及應力的同時監測，為煤礦的礦山壓力防治、瓦斯精準抽采提供理論依據。

1 實驗系統總體架構

含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統總設計架構如圖1，含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統總設計示意圖、實物圖如圖2、圖3。系統能夠進行不同粒徑煤體瓦斯吸附解吸規律、不同條件下及耦合條件下瓦斯滲流解吸特性以及煤體內部損傷裂隙發育規律研究。實驗系統采用模塊化設計方法，主要由8 個部分組成，分別為恒壓自動充氣吸附單元、煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置、瓦斯抽采單元、應力加卸載單元、非接觸式應變測量單元、聲發射監測單元、多參監測單元和實驗系統管理軟件組成。

圖1 含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統總設計架構Fig.1 General design architecture of multi-field coupled seepage desorption experimental system of coal containing gas

圖2 含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統總設計示意圖Fig.2 General design diagram of multi-field coupled seepage desorption experimental system for coal containing gas

圖3 含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統實物圖Fig.3 Physical diagram of multi-field coupled seepage desorption experimental system of coal containing gas

2 實驗系統構成

1）恒壓自動充氣吸附單元。恒壓自動充氣吸附單元主要由瓦斯氣瓶、減壓閥、截止閥、緩沖罐、DN3管線等組成，通過氣動閥自動調控保證充氣壓力恒定和恒壓吸附。瓦斯氣瓶中的氣體通過緩沖罐和管線流入煤樣瓦斯面擴散裝置，使煤體處于符合實驗條件的瓦斯賦存狀態。減壓閥采用304 不銹鋼材質，將輸出的高壓氣體減壓穩定到所需的壓力值，緩沖罐為316 不銹鋼材質，確保高壓氣體密封的可靠性。

2）煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置。煤樣瓦斯面擴散滲流解吸裝置主要將瓦斯的擴散方式從點擴散轉到面擴散，能夠更加真實的模擬瓦斯的吸附、滲流、解吸等特性。由煤樣倉、密封橡膠套、透氣板等組成。煤樣倉尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，耐壓20 MPa，由不銹鋼材質鍛件加工而成，在煤樣倉左右進出氣口的側面板均加工了放射型槽，槽線為同心圓，間距為15 mm，槽深0.5 mm。同時定制了小煤樣倉，用于不同粒徑煤體瓦斯吸附解吸實驗，煤樣倉尺寸50 mm×50 mm×50 mm。煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置如圖4。

圖4 煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置Fig.4 “Face diffusion”seepage desorption device of coal

3）瓦斯抽采單元。瓦斯抽采裝置主要包括程控可調抽采泵、抽采管路和流量計等。程控可調抽采泵內置在實驗箱體內，通過監控主機系統管理軟件對程控可調抽采泵進行遠程操控，實現不同抽采負壓下的瓦斯抽采，采用The mini 系列氣體流量計，配帶232 接口實現和計算機通信，并及時將抽采過程中的氣體流量監測數據上傳至實驗系統管理軟件。

4）應力加卸載單元。應力加卸載裝置主要由加載泵、加載油缸、活塞桿和加載板組成，加載泵為恒壓恒速泵，可輸出不同的應力，實現不同應力的加卸載，同時能夠實現計算機程序自動控制啟動和停止等；活塞桿采用滾壓加工，提高了其耐磨性；加載油缸缸徑是煤樣倉面積的1/2，可保證模型加載壓力達到20 MPa；加載板和煤樣倉內腔尺寸相同，能夠對煤樣倉內煤體全斷面進行加載應力。

5）非接觸式應變測量單元。非接觸式應變測量裝置主要由非接觸式應變測量系統組成，煤樣倉右側開口安設有監測點，用于受載煤壁表面應變場的測量，通過非接觸全場應變測量系統對實驗煤樣的應變圖像進行采集和處理，同時將監測記錄能夠及時上傳至監控主機。

6）聲發射監測單元。聲發射監測裝置主要由聲發射探頭、聲發射放大器組成，在煤樣倉4 個側面各布置1 個聲發射探頭，聲發射探頭與煤樣緊密接觸，4 個孔呈交叉布置方式；通過聲發射放大器對對煤樣在加卸載過程中產生的聲發射響應進行記錄，便于研究煤樣的內部損傷和裂隙發育情況。聲發射探頭立體布置示意圖如圖5。

圖5 聲發射探頭立體布置示意圖Fig.5 Stereoscopic layout of acoustic emission probe

7）多參監測單元。多參監測單元主要由壓力表、流量傳感器、電磁閥、數據采集儀、監控主機等組成，數據采集儀能夠在實驗過程中實時記錄實驗數據，能夠將氣體流量、煤體應力、應變、內部損傷裂隙等數據及時保存并上傳至監控主機。

8）實驗系統管理軟件。含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統管理軟件通過對實驗過程中數據監測與分析，能夠實現實驗過程中壓力、流量數據、解吸、滲流、應力-應變等多種類型數據以報表及圖表形式的輸出，通過軟件控制平臺有效控制了實驗系統中的各個模塊，提升了系統的實用性、便捷性。

3 實驗系統應用

3.1 實驗準備

采用破碎機將煤樣破碎并篩分，篩選出0.5 mm以下、0.5～1 mm、＞1～2 mm、＞2～5 mm、＞5～10 mm、＞10～20 mm、＞20～30 mm 實驗樣品，用于不同粒徑煤體的甲烷吸附解吸規律研究。采用砂線切割機制作200 mm×200 mm×200 mm 型煤用于含瓦斯煤受載過程中應力-應變-滲透規律研究。

實驗時，將煤體裝入小煤樣倉中，連接進氣管路，調試并開啟多參監測裝置、實驗系統管理軟件和恒壓自動充氣吸附單元并設置相關參數，煤樣在小煤樣倉內發生吸附，吸附完成后，進行煤體瓦斯解吸實驗，測試煤體甲烷的解吸流量等參數，重復實驗過程。含瓦斯煤受載過程中應力-應變-滲透特性實驗時，將制作的型煤放入大煤樣倉內，連接設備及氣體管路，啟動應力加卸載單元對煤體施加軸向壓力，多參監測單元記錄實驗過程中的應力、應變、流量等數據，通過記錄的流量數據自動計算受載煤體的滲透率。

3.2 不同粒徑煤體甲烷吸附規律

不同粒徑煤體甲烷吸附變化規律如圖6，0.5 mm 以下煤體甲烷吸附平衡過程如圖7。

圖6 不同粒徑煤體甲烷吸附變化規律Fig.6 Changes of methane adsorption in different particle sizes

圖7 0.5 mm 以下煤體甲烷吸附平衡過程Fig.7 Adsorption equilibrium process of methane from coal below 0.5 mm

由圖6 可知，等溫吸附曲線的斜率隨著時間增大而減小，表明煤的甲烷吸附能力隨時間增大而逐漸減弱，同一時刻，粒徑越小，吸附壓力降低越快，吸附平衡的時間越短，這是因為甲烷氣體量恒定時，粒徑越小，甲烷氣體分子與煤體之間的接觸面積越大，單位體積內的甲烷接觸分子數量越多，使其被吸附的幾率更大，達到吸附平衡的時間更短。不同粒徑煤體煤樣倉內壓力隨時間變化曲線基本符合指數函數形式，隨著煤體粒徑的增大，瓦斯吸附能力逐漸降低，吸附平衡所需的時間增加。不同粒徑煤體瓦斯吸附曲線擬合方程見表1。

表1 不同粒徑煤體瓦斯吸附曲線擬合方程Table 1 Fitting equation of gas adsorption of different particle sizes

3.3 不同粒徑煤體甲烷解吸規律

解吸率是煤樣的解吸量與吸附量的比值，是判斷煤體瓦斯解吸效果最直接的指標，解吸率變化曲線如圖8，不同粒徑煤體瓦斯解吸強度擬合方程及解吸總量見表2。

圖8 不同粒徑煤體解吸率變化曲線Fig.8 Curves of coal desorption rate of different particle sizes

由圖8 可知，不同粒徑煤樣解吸均在較短時間內達到了平衡，前期10 min 內解吸速率極快，解吸率快速增大，后期解吸率緩慢增加并趨于穩定，達到了平衡狀態，這是由于煤中瓦斯主要為游離瓦斯和吸附瓦斯，瓦斯的吸附和解吸處于動態平衡過程，解吸初期，煤中的游離瓦斯快速釋放，后期吸附瓦斯解吸較慢且解吸率逐漸穩定，導致前期解吸率快速增大，后期緩慢增加并趨于穩定，宏觀上表現為動態平衡，解吸率不再升高。

與吸附過程相似，不同粒徑煤體瓦斯解吸強度擬合方程符合指數函數形式，表明煤樣的吸附和解吸規律相似，解吸總量總體上隨著粒徑的增大而減小，這是由于煤體粒徑越小，暴露的面積相對較大，煤體內部的瓦斯釋放地更加充分，因此解吸總量隨著粒徑的增大總體上呈減小趨勢。

3.4 含瓦斯煤受載過程中應力-應變-滲透規律

含瓦斯煤樣受載過程中應力-應變-滲透率變化如圖9。

圖9 含瓦斯煤樣受載過程中應力-應變-滲透率變化Fig.9 Curves of axial stress, strain and permeability under regular loading

由圖9 可知，整個應力加載過程中可分為4 個階段，分別為：壓密階段Ⅰ、彈性變形階段Ⅱ、屈服階段Ⅲ和峰后軟化階段Ⅳ。階段Ⅰ隨著應力的逐漸增大，煤體中的原始孔隙或裂隙被壓密，氣體流動受阻，煤體的滲透率快速下降；階段Ⅱ隨著軸壓的繼續增大，煤體應變快速增大，原生孔隙或裂隙被進一步壓密，滲透率下降趨勢變緩并降低至最低值，瓦斯涌出量減小，此時瓦斯較難抽采；階段Ⅲ隨著應力的繼續增大，煤體原生裂隙擴展，次生裂隙形成，煤樣出現屈服變形，滲透率緩慢增加，但增加幅度較小；階段Ⅳ達到峰值應力后，煤體裂隙增多，滲透率大幅增加，對應工作面瓦斯卸壓區域，煤體滲透率相對較高，此區域瓦斯相對容易抽采。

4 結 語

1）采用模塊化方法設計并研制了含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗平臺，分別為恒壓自動充氣吸附單元、煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置、瓦斯抽采單元、應力加卸載單元、非接觸式應變測量單元、聲發射監測單元、多參監測單元和實驗系統管理軟件8 部分組成。

2）實驗系統可實現不同粒徑煤體瓦斯解吸吸附規律、不同抽采下煤體瓦斯滲流規律、不同應力下煤體滲流規律、內部損傷裂隙研究，同時可進行煤體應力-裂隙-滲流場的耦合實驗，能夠更加真實的模擬瓦斯滲流狀態、應變和裂隙發育規律。

3）應用實驗系統進行了不同粒徑煤體甲烷吸附解吸實驗，不同粒徑煤體的吸附和解吸均符合指數函數形式，粒徑越小，吸附壓力降低越快，吸附平衡的時間越短，解吸率增大越快，解吸率先快速增大后緩慢增加并達到了平衡狀態，解吸總量總體上隨著粒徑的增大而減小。

4）含瓦斯煤受載過程的應力-應變滲透特性呈階段性特征，分別為壓密階段、彈性變形階段、屈服階段和峰后軟化階段，煤體的滲透率在各階段有著不同的變化規律，研究結果可為卸壓瓦斯精準抽采提供理論支撐。