甲烷和水共同吸附下煤体变形规律特征研究

杨俣诗 李立坤 陈祥辉 郭亚杰

摘  要：利用自制的煤体应变监测装置，采用监测煤体表面应变的方法，开展了水气共吸的煤体变形实验，研究煤体在甲烷和水共同吸附下的变形规律。获得了相关实验数据并绘制成时间-应变变化曲线。结果表明：在水和甲烷共吸条件下，煤体发生了拉伸变形，纵向变形量大于横向变形量，试样临界区的变形量大于湿区、干区。在不同甲烷压力作用下，水汽共同作用区域的变形量大于单纯气区和液区。

关键词：水气共吸;煤体变形;应变

中图分类号：TD712        文献标志码：A

0 引言

甲烷，不仅是井下主要事故的危险源和温室气体，还是良好的清洁能源，但因为我国煤层的渗透率较低，使得甲烷的抽采效率受到了严重影响。为了提高甲烷的抽采效率，增强煤层透气性，我国学者提出过很多方案，例如密集钻孔、深孔爆破、水力割缝、注CO2驱替及注N2驱替等，这些方案在煤矿开采中发挥了重要作用，并取得了一定的成绩。但无论哪种方案，都存在各自的局限性。例如使用非常多的水利化措施，在实际操作中可能会造成外加水进入煤体，水在接触到煤体后，会抢占煤体表面的甲烷吸附位点，从而使甲烷的吸附能力降低，在这种情况下，必定会引起煤体变形。

Karr等学者将水分为4类。1）吸附水，指吸附于煤体微孔或毛细孔中的水分。2）表面水，指存在于煤体表面的水。3）毛细水，指毛细孔中的水。4）自由水，指存在于煤颗粒间的水分。国内外众多学者对水和煤体的相互作用做了大量研究，当前一直认为，煤体与水之间的相互作用主要是范德华力与氢键，其中氢键的作用远远大于范德华力。为了研究煤体甲烷吸附与水渗吸的关系，该文进行水和甲烷共同作用下，采用自制的煤体应变监测装置，利用应变监测仪开展原煤煤样分区变形试验。试验环境甲烷压力分别为0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa。通过对不同条件下获得的数据进行分析，以期为水利化措施及煤矿开采等提供参考。

1 试验装置及步骤

1.1 实验装置

该试验装置主要包括水汽试验区和应变采集2部分，水汽试验区（图1）主要有水路、气路、反应罐、压力传感器和真空泵等;应变采集部分主要有：DT85G数据采集仪、应变片和计算机等。其中，反应罐顶部设计12根应变传导线用来连接煤块上的应变片和数据采集仪，同时用AB胶进行连接处的密封处理，反应罐的上方有进出气管道和固定支架，下方是进出水口，如图2所示，DT85G数据采集仪为澳大利亚DATATAKER公司生产，具有48个普通模拟通道和4个脉冲通道，18位A/D转换精度，直接USB接口，且与U盘兼容，可多用户访问，在该试验中设置为每20 s采集一次数据，如图3所示。

1.2 试样制备

该试验所用试样为Φ50 mm×100的圆柱形煤块，煤块使用前先用砂纸打磨，除去表面氧化层，然后挑选较为光滑无裂隙的侧面，在其轴向上、中、下部分别贴横、纵2个应变片，共计6个，用502胶水将应变片的前端粘贴在煤块上，用704胶将应变片的尾端固定，如图4所示，待胶水完全凝固后，将应变片尾端的导线与导线焊接，并连接至数据采集仪，同时打开计算機开始采集数据，数据正常则开始试验。

1.3 试验步骤

该试验的具体步骤如下。1）制备试验所需原煤煤样。2）把试样上应变片的尾端与导线焊接在一起，将应变传导线与数据采集仪连接。3）查看采集到的数据，如有问题重新连接对应的导线，数据正常将试样放入反应罐。4）密封反应罐，确定数据采集周期，打开真空泵。5）待抽至真空后关闭气泵，等待应变数据稳定。6）数据稳定后先加水至煤样中部的纵向应变片底端，后充入甲烷气体至一定压力，等待应变数据稳定。7）数据稳定后先打开出气阀门，将气体排出，后打开出水阀门，将水排出，待数据稳定后做好记录。8）开展不同压力下的多组实验。

注意事项：由于应变采集仪上装有温度感应片，因此在试验过程中要尽量保持恒温; 充入甲烷压力较大时，导线与反应罐顶部接触部分有可能漏气，所以在实验中要做好通风工作，同时保证应变穿导线的稳定;试验结束后，先放气后排水的顺序一定不能颠倒，否则甲烷气体可能进入排水管;贴应变片的煤面，一定要尽可能光滑，否则会对试验结果造成较大影响。

2 试验结果与分析

由试验获得的煤体表面应变的数据，可以得到下列几组曲线（图5），分析得出的规律如下。

2.1 同区上的变形规律

在同区的变形上，纵向比横向更加剧烈，这表明煤样在气体吸附和水渗吸的作用下，纵向拉伸变形更明显。

2.2 水气共吸后的变形规律

进水进气后，煤样会有短暂的小幅度压缩变形，受到气体压力和水压的共同作用，接着在气体吸附和水渗吸的过程中逐渐呈现出拉伸变形，干区的纵向变形在进气短期过程仍有一段压缩变形。

2.3 泄水泄压后的变形规律

在曲线规律中，临界区和湿区变形规律基本一致，且临界区变形大于湿区，而干区在泄水卸压后，变形曲线呈现出大幅变化。产生该现象的原因一方面是湿区甲烷含量较少，临界区是水和甲烷并存，所以两者共同作用区会出现临界区的变形较大;泄水卸压后，干区煤体内的甲烷随卸压沿孔隙解吸，同时存在残余变形，而临界区和湿区有水的存在，即使卸压泄水后，水的残留以及封堵煤体孔隙导致内部气体的封存，尤其临界区最为明显。

3 结论

由试验曲线可得，煤体在水和甲烷共同存在（即临界区）的状态下发生的形变最大，在只有甲烷存在（干区）的状态下发生的形变最小，而在泄水卸压后，临界区发生的形变最大。进水进气后，曲线先有一段小幅度的上升，而后下降，说明煤体接触到甲烷和水的瞬间发生了压缩变形，而后发生拉伸变形。在吸附、渗吸平衡后，进行泄水卸压，煤体气体解吸、水退出，水的毛细作用导致部分渗入煤体孔隙的残余水的留存，因此湿区和临界区在卸压泄水后的残余变形较大，同时临界区的水侵占了煤体孔隙，会封堵部分进入煤体的甲烷解吸的通道，从而导致临界区的残余变形最大。

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