郭 平

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶401120）

煤是一種天然的吸附劑，大量的實(shí)際現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤體吸附-解吸氣體會(huì)發(fā)生膨脹-收縮變形，進(jìn)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(duì)煤礦瓦斯災(zāi)害治理影響越加明顯，因此摸清煤體吸附-解吸變形規(guī)律對(duì)認(rèn)清深部煤體瓦斯流動(dòng)規(guī)律具有重要意義。近年來(lái)，關(guān)于煤體吸附-解吸瓦斯變形特性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開始著手相關(guān)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(jìn)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(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)開展不同瓦斯壓力條件下的吸附解吸變形試驗(yàn)，探討瓦斯壓力對(duì)煤體吸附-解吸變形特征的影響。

1 試驗(yàn)描述及方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用煤樣取自重慶松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽(yáng)煤礦8#煤層，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)的ISO 22475-1：2006 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，原材料被加工成直徑d=50 mm、高度h=100 mm 的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)原煤試件，并利用恒溫箱烘干后，存于干燥箱。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備采用重慶大學(xué)自行研制的含瓦斯煤體吸附變形測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置主要由瓦斯罐、恒溫水浴系統(tǒng)、吸附變形測(cè)試罐、WS-3811 數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、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(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 含瓦斯煤體吸附變形測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗(yàn)步驟

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

2 試驗(yàn)結(jié)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(yīng)變?cè)龃蟛糠直硎竞咚姑后w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(guò)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(gè)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(dǎo)致煤體表面張力減小，煤體發(fā)生收縮變形，煤體壓縮變形隨抽真空的時(shí)間增加而增加，但增加速率增加降低，最終趨于穩(wěn)定，達(dá)到抽真空平衡狀態(tài)。

2）吸附膨脹變形階段II。該階段由于受到試驗(yàn)初期充氣的影響，瓦斯氣體進(jìn)入吸附測(cè)試罐后對(duì)試件周圍瞬間產(chǎn)生圍壓作用，使得煤體發(fā)生了短暫的壓縮變形，但充氣速度較慢時(shí)，該特征表現(xiàn)較弱。當(dāng)充氣平衡后，煤體吸附瓦斯開始呈現(xiàn)膨脹變形特征。隨著吸附時(shí)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(dá)到穩(wěn)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(yàn)腔體內(nèi)氣體產(chǎn)生的圍壓得到快速卸載，進(jìn)而導(dǎo)致原被氣體壓縮產(chǎn)生的煤體彈性變形迅速恢復(fù)，因此煤體出現(xiàn)了短暫且非常顯著的膨脹變形，此時(shí)膨脹變形達(dá)最大值，但隨著排氣速度的減緩，該特征表明也明顯變?nèi)?。?dāng)氣體壓力釋放平衡后，煤體解吸瓦斯開始呈現(xiàn)收縮變形特征。隨著解吸時(shí)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(dá)到穩(wěn)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(fù)號(hào)表示煤體發(fā)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(guī)律具有很好的相似性，即吸附膨脹變形值隨吸附時(shí)間的增加而逐漸增大，直至達(dá)到某一恒定的應(yīng)變值；吸附壓力越大，產(chǎn)生的吸附膨脹應(yīng)變也越大，煤體膨脹變形越明顯。從時(shí)間的角度來(lái)講，煤體的吸附變形是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程，在吸附變形初期，煤體的吸附膨脹變形變化較快，對(duì)吸附時(shí)間的敏感性較強(qiáng)；隨著吸附時(shí)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(guān)。瓦斯從煤體裂隙通道滲流到孔隙周圍后，瓦斯氣體以擴(kuò)散的方式進(jìn)入孔隙；同時(shí)煤體孔隙開始吸附瓦斯，隨著吸附時(shí)間的增加，煤體吸附瓦斯量逐漸趨于飽和狀態(tài)，因此煤體的吸附膨脹變形的變化趨勢(shì)逐漸減緩。從空間的角度上講，含瓦斯煤體吸附膨脹變形規(guī)律與瓦斯壓力梯度呈正相關(guān)變化趨勢(shì)，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(duì)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(tài)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(xiàn)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(wěn)定在1.70 左右。將上述數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系（εv=2|ε1|+ε2），膨脹體積變形與吸附壓力關(guān)系如圖4。從圖4 可以看出，在吸附變形過(guò)程中，吸附膨脹體積變形隨吸附壓力的增大呈線性增加；當(dāng)吸附壓力一定時(shí)，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，吸附量越大，表現(xiàn)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(shí)間的增加而逐漸增大，當(dāng)壓力梯度一定時(shí)，在空間上呈現(xiàn)出近似均勻分布特征；解吸壓力越大，產(chǎn)生的收縮應(yīng)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(shí)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(guān)，當(dāng)煤體中不再發(fā)生瓦斯解吸時(shí)，解吸變形達(dá)到某一恒定應(yīng)變值。

圖4 膨脹體積變形與吸附壓力關(guān)系

圖5 不同瓦斯壓力條件下解吸收縮變形曲線

對(duì)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(tài)特征上具有明顯的相似性，但表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。分析數(shù)據(jù)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(wěn)定在1.70 左右。收縮體積變形與吸附壓力關(guān)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(shì)，當(dāng)解吸壓力一定時(shí)，且解吸時(shí)間越長(zhǎng)，解吸量越大，表現(xiàn)為線性斜率越大。

圖6 收縮體積變形與吸附壓力關(guān)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(yàn)完成后，煤體不能恢復(fù)到試驗(yàn)前的形態(tài)，存在一定的殘余變形，表現(xiàn)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(guān)系如圖7，圖中負(fù)號(hào)表示煤體的殘余變形以膨脹變形的方式呈現(xiàn)，即含瓦斯煤體在吸附-解吸變形過(guò)程中，煤體發(fā)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(guān)系

從圖7 可知，含瓦斯煤體殘余橫向變形量相對(duì)較為穩(wěn)定，隨著氣體壓力的增加呈相對(duì)較緩的線性增加關(guān)系，當(dāng)氣體壓力從1.0 MPa 增加到2.5 MPa時(shí)，殘余橫向應(yīng)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(duì)較好；殘余縱向應(yīng)變對(duì)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(xiàn)出較快的線性增長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)氣體壓力從1.0 MPa 增加到2.5 MPa 時(shí)，殘余橫向應(yīng)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(zhǎng)關(guān)系，表明體積殘余變形受縱向殘余變形影響相對(duì)較大。

4 結(jié) 論

1）含瓦斯煤體吸附-解吸變形動(dòng)態(tài)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(gè)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(shí)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(guò)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(shí)間越長(zhǎng)，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(duì)氣體壓力敏感性明顯高于橫向，對(duì)煤體殘余體積變形貢獻(xiàn)較大。