煤體的吸附膨脹變形特性研究

李會(huì)云

(晉煤集團(tuán)晉圣公司 億欣煤業(yè)公司，山西 晉城 048006)

煤是一種傳統(tǒng)能源，是一種雙重孔隙介質(zhì)，即孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)[1-2]。煤中存在吸附態(tài)和游離態(tài)的甲烷，其中吸附態(tài)的甲烷占80%以上[3]。當(dāng)煤層受到采動(dòng)、抽采影響后，煤層內(nèi)的瓦斯平衡狀態(tài)被打破，在采動(dòng)影響的區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯會(huì)重新分布，在瓦斯重新分布的過(guò)程中，煤體會(huì)發(fā)生微觀的變形，這種微觀的變形會(huì)造成煤體滲透率的改變，從而影響瓦斯抽采率發(fā)生變化。張遵國(guó)等[4]對(duì)不同含水率軟煤的吸附特性及膨脹特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：水分可抑制膨脹變形的增加，在一定的含水率范圍內(nèi)，極限吸附膨脹變形量隨著含水率的增加而減小；栗婧等[5]對(duì)不同溫度條件下的型煤吸附解吸變形進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)吸附過(guò)程中的變形具有各向異性的特性，解吸過(guò)程中的變形具有各向同性的特征；翟盛銳等[6]對(duì)不同粒度的型煤煤樣的變形特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，由直徑為0.85 mm的煤樣制作的型煤吸附解吸變形最大，由直徑為0.42 mm的煤樣制作的型煤吸附解吸變形最小，煤樣解吸后存在一定的殘余變形；刑俊旺[7]對(duì)不同氣體引起的煤體變形特性進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一注入壓力，氦氣引起的體應(yīng)變?cè)龇^大，CO2引起的體應(yīng)變?cè)龇钚?。本文基于吸附膨脹變形測(cè)試，采用垂直于層理方向的原煤煤樣對(duì)煤體的膨脹變形特性進(jìn)行研究，以期為煤層瓦斯抽采提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)煤樣的制作及實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣的制作

實(shí)驗(yàn)煤樣取自山西晉煤集團(tuán)晉圣公司億欣煤業(yè)，在工作面選取大塊無(wú)構(gòu)造的煤樣，密封保存后送至實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)為1.22。為了研究煤樣的吸附膨脹特性，沿著煤樣垂直于層理的正交方向，采用HZ-15型電動(dòng)取芯機(jī)進(jìn)行取芯。取芯時(shí)參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11818-89《混凝土鉆孔取芯機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，取芯過(guò)程中轉(zhuǎn)速不宜過(guò)快，轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)破壞煤芯，在取芯過(guò)程中加入少量的水會(huì)避免粉塵過(guò)大和鉆頭溫度過(guò)高，取芯機(jī)鉆頭的直徑為50 mm，長(zhǎng)度為400 mm。直徑為50 mm的煤芯取出后，采用切磨機(jī)對(duì)所取出的煤芯進(jìn)行切磨，使煤芯的高度為50 mm，同時(shí)使煤芯端面的不平整度小于0.02 mm，制得的試樣如圖1所示。

圖1 直徑為50 mm、高度為50 mm的實(shí)驗(yàn)煤樣

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

用于煤樣測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為吸附膨脹測(cè)試系統(tǒng)(如圖2所示)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)、死體積標(biāo)定系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及解吸測(cè)試系統(tǒng)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 將所制得的煤樣采用恒溫干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為105℃，在干燥過(guò)程中，每次間隔1個(gè)小時(shí)對(duì)煤樣進(jìn)行稱重，直至前后兩個(gè)小時(shí)煤樣的質(zhì)量不再發(fā)生改變，視為干燥結(jié)束；

2) 對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行稱重，稱重后將實(shí)驗(yàn)煤樣放入煤樣罐7中，擰緊煤樣罐；

3) 打開恒溫水浴10，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為30℃，將氦氣罐1中的氣體充入煤樣罐中并保壓3 h；在3 h內(nèi)，如果煤樣罐的壓力降低，需對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行重新檢漏；如果煤樣罐內(nèi)壓力不發(fā)生變化，則繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

4) 打開應(yīng)變儀12的電源，同時(shí)打開真空泵5的電源，則真空泵開始對(duì)煤樣罐進(jìn)行抽真空，同時(shí)電腦自動(dòng)記錄抽真空期間煤樣的應(yīng)變，當(dāng)煤樣罐內(nèi)的真空度小于20 Pa時(shí)，視為抽真空結(jié)束；

5) 抽真空結(jié)束以后，采用甲烷罐2對(duì)煤樣罐進(jìn)行充氣，當(dāng)充至某一壓力值時(shí)，關(guān)閉閥門d，使煤樣罐內(nèi)的煤樣進(jìn)行吸附，同時(shí)電腦自動(dòng)記錄吸附期間煤樣的應(yīng)變；

6) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按照上述實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)另一煤樣進(jìn)行測(cè)試，排除吸附膨脹無(wú)法恢復(fù)原樣的影響。

圖2 吸附膨脹變形測(cè)試系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

本文共測(cè)試了3個(gè)吸附平衡壓力下的膨脹變形及抽真空的收縮變形，文中定義收縮變形為負(fù)，膨脹變形為正，不考慮充氣瞬間對(duì)煤體變形的影響。3個(gè)煤樣抽真空期間的收縮變形隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示； 3個(gè)煤樣吸附期間的膨脹變形隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖3可知，3個(gè)煤樣的體應(yīng)變均隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，即煤樣的收縮度增加，但是增加的幅度逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，隨著時(shí)間的增加，煤樣罐內(nèi)的真空度逐漸減小，煤體孔隙內(nèi)的氣體逐漸減少，因此煤樣的收縮度逐漸增加。3個(gè)煤樣收縮變形出現(xiàn)差異的原因主要是煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同，即3號(hào)煤樣內(nèi)大的裂隙和孔隙占據(jù)的數(shù)量比2號(hào)煤樣和1號(hào)煤樣的都要大。因此出現(xiàn)3號(hào)煤樣的收縮變形大于2號(hào)煤樣的收縮變形，2號(hào)煤樣的收縮變形大于1號(hào)煤樣的收縮變形。試樣的體應(yīng)變(ε)與時(shí)間滿足Langmuir的函數(shù)關(guān)系，可采用Langmuir函數(shù)對(duì)圖3中的散點(diǎn)曲線進(jìn)行擬合，擬合公式如式(1)所示，擬合參數(shù)如表1所示，擬合效果較好。

(1)

式中：ε為體應(yīng)變；a和b為擬合參數(shù)；t為抽真空時(shí)間。

表1 式(1)中的擬合參數(shù)

由圖4可知，3個(gè)煤樣的體應(yīng)變均隨著吸附時(shí)間的增加而逐漸增加，即煤樣的膨脹變形逐漸增加，但是增加的幅度逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，隨著吸附時(shí)間的增加，煤體孔隙內(nèi)瓦斯的吸附量逐漸增加，同時(shí)裂隙內(nèi)被一定量的瓦斯所填充，造成煤體孔隙、裂隙膨脹，因此膨脹變形的量逐漸增加。膨脹變形增加的幅度逐漸變小的原因是，隨著吸附的進(jìn)行，煤體對(duì)瓦斯的吸附能力逐漸減弱，因此膨脹變形增加的幅度逐漸變小。吸附平衡壓力越大，試樣的體應(yīng)變?cè)酱?，因?yàn)槲狡胶鈮毫υ酱?，煤體孔隙內(nèi)吸附的瓦斯越多，因此其體應(yīng)變?cè)酱蟆Ｃ后w的膨脹變形，即體應(yīng)變與時(shí)間滿足冪函數(shù)的函數(shù)關(guān)系，采用冪函數(shù)可以對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行較好的擬合，擬合公式如式(2)所示，擬合參數(shù)如表2所示。

ε=ctd

(2)

式中：ε為體應(yīng)變；c和d為擬合參數(shù)；t為抽真空時(shí)間。

圖4 吸附期間煤樣的膨脹變形隨時(shí)間的變化規(guī)律

表2 式(2)中的擬合參數(shù)

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)煤體進(jìn)行抽真空時(shí)，煤體會(huì)發(fā)生收縮變形，煤體的體應(yīng)變隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，煤樣的體應(yīng)變與時(shí)間滿足Langmuir的函數(shù)關(guān)系；

2) 煤體進(jìn)行吸附瓦斯時(shí)，煤體會(huì)發(fā)生膨脹變形，煤體的體應(yīng)變隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，煤體的體應(yīng)變與時(shí)間滿足冪函數(shù)的函數(shù)關(guān)系；

3) 隨著吸附平衡壓力的增加，煤體吸附的瓦斯量逐漸增多，煤體的體應(yīng)變逐漸增加。