煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析

魏 彬 赵 宇 张玉贵

(①河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000；②河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

煤岩是一种复杂的多相介质体，它在吸附和解吸气体时，不仅会改变自身物理力学性质，还会引起渗透性能、应力状态及强度的变化。尤其是煤岩在气体解吸过程中，基质收缩变形会使渗透性发生动态变化，这对煤与瓦斯突出防治和地面煤层气抽采均具有重要影响[1]。

针对煤岩吸附—解吸气体产生变形这一特殊的力学现象，国内外学者开展了广泛研究，并已取得了一定的研究成果。刘延保等[2-3]用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，做不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验，发现煤样吸附膨胀变形存在各向异性。Karacan[4-5]在试验中也发现了煤样的吸附膨胀变形呈各向异性，并利用CT扫描图像分析发现不同类型显微煤岩的变形规律有很大不同。Pan等[6-7]根据能量平衡原理，提出了煤体各向异性膨胀变形的理论模型，描述原场地应力下的煤体吸附变形规律。梁冰等[8]利用自制的吸附—解吸试验装置，测试了在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。结果表明煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性，垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性。姚宇平[9]认为煤体吸附瓦斯产生膨胀变形是瓦斯分子挤入煤的微孔隙引起的。王佑安等[10]试验测定了五个矿区13个煤样在各种CH4和 CO2气体压力下的吸附变形量，得出吸附变形随压力的变化规律。何学秋等[11]探讨了孔隙气体对煤岩变形及破坏的作用机理。曹树刚等[12-14]开展了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附—解吸变形全过程试验，研讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形行为。周军平等[15]、吴世跃等[16]基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理，建立了计算煤岩吸附气体引起的膨胀应变的理论模型。刘向峰等[17]实测了不同有效应力及加压方式下煤体的变形量，分析了煤基质吸附(解吸)后的变形机理，得到弹性阶段煤体变形值与吸附(解吸)量的变化规律，并拟合出两者之间的函数关系式。李祥春等[18-19]研究了煤岩吸附膨胀变形与孔隙度、渗透率的关系，认为煤层中瓦斯压力越大，产生的膨胀变形越大。

纵观上述文献，对于煤岩变形各向异性规律的研究，大多将煤岩视为横向各向同性体，即平行层理方向视为各向同性，只对垂直层理和平行层理两个方向做对比分析[20-22]。研究表明：煤层中平行层理方向面割理与端割理的发育程度、连通性、裂隙张开度不同，该方向上依然存在明显的各向异性。开展煤岩吸附—解吸变形各向异性特征研究，对于预测煤储层渗透性的各向异性特征，优化地面煤层气抽采井网、储层改造、井下瓦斯抽采钻孔布置等均具有重要意义[23-24]。

1 试验装置及煤样制备

1.1 试验装置

本次试验采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统(图1)。该系统由抽真空系统、气源供气系统、煤样吸附—解吸系统、恒温系统和数据采集系统等构成。

图1 煤岩气体吸附—解吸变形试验系统示意图

1：气瓶，2：减压阀，3：气压传感器，4：压力表，5：应变导线接入口，6：高压吸附—解吸罐，7：恒温水浴箱，8：真空泵，9：集气装置，10：应变仪，11：电脑

1.2 煤样制备

试验所用煤样取自鹤壁六矿二1煤层，煤种为贫瘦煤。二1煤层位于二叠系山西组下段的顶部，厚度为3.45～17.50m，平均煤层厚度为8.14m，为全区稳定可采煤层。根据煤岩层理和割理的发育情况及试验设备和测试条件的要求，沿垂直煤体层理(z)、平行层理垂直面割理(y)和平行层理垂直端割理(x)三个正交方向，将煤块切割加工成尺寸为60mm×60mm×60mm正方体试件，加工后的煤样如图2a所示，选取表观完整、无肉眼可见裂缝的样品，依次用砂纸将其表面打磨光滑，然后放入干燥箱，温度调至80℃并干燥24h，冷却后用保鲜袋密封保存备用，煤样工业成分测定结果见表1。在进行试验前，用酒精将煤表面擦拭干净，用胶水在煤样表面沿平行层理垂直面割理、平行层理垂直端割理和垂直层理三个方向各粘贴应变片，粘贴应变片后的煤样如图2b所示。

图2 加工煤样(a)及其应变片粘贴方式(b)

取样地点煤层煤种水分%灰分%挥发分%鹤壁六矿二1贫瘦煤0.869.3716.71

1.3 试验方法

本次试验采用煤岩气体吸附—解吸变形试验系统对煤样进行测试，研究煤体吸附、解吸后的变形规律。基于试验安全性的考虑，实验室禁止进行甲烷有关的试验，故采用氮气代替甲烷作为吸附质，试验温度恒定为25℃，试验气体压力分别为0.5、1.0、1.5和2.0MPa。具体步骤如下：

(1)在进行试验前，首先检验装置的气密性，通过向系统中充入1MPa的氦气，保持1MPa压力12h，每间隔2h查看压力表。若压力表有效读数均为1.0MPa，则证明系统气密性良好；

(2)检验装置气密性后，使用真空泵对高压吸附—解吸罐持续抽真空，待高压吸附—解吸罐中抽气的真空度不低于0.098MPa的负压时，持续抽真空2h后停止；

(3)向高压吸附—解吸罐内充入氮气，通过调节减压阀和压力控制阀，使吸附—解吸罐内的氮气达到预定气体压力。煤样发生吸附膨胀变形，连续监测应变传感器数值变化。待计算机软件上的应变曲线近似一条水平直线时，可认为煤样达到吸附平衡；

(4)在煤样达到吸附平衡后，迅速打开吸附罐上的气体压力控制阀，自然排出吸附罐内气体。连续监测应变传感器数值变化，待应变变化率小于2×10-4h-1时，可认为煤样达到了一个大气压下的解吸平衡状态；

(5)重复步骤(2)～(4)，改变气体压力的设定值，完成不同气体压力条件下煤样吸附—解吸变形测试。

2 测试数据分析

2.1 煤岩吸附膨胀变形规律

煤样在不同氮气压力下的吸附膨胀变形曲线如图3所示，其中压缩应变为负值，膨胀应变为正值。图3中ε1、ε2、ε3分别为垂直层理方向(z)、平行层理垂直面割理方向(y)和平行层理垂直端割理方向(x)的应变值。

为了尽量减小试验误差，首先对煤样进行抽真空试验，在抽真空阶段，煤体处于压缩状态。当抽真空结束，在向吸附罐内充入一定压力氮气的瞬间，煤样周围产生了较大的气体压力，而此时，气体很难进入煤体内部，只有裂隙和较大的孔隙(>1000nm)中出现少量渗流气体，因此这一阶段煤样主要表现为压缩变形。图3a～图3d中可看出随着气体压力加载瞬间完成这种压缩变形。充入气体压力越大，压缩变形量就越大。待吸附罐内的氮气达到预定压力后，煤样处在巨大的压力差和浓度差的环境下，氮气气体快速地进入煤体中的裂缝和孔隙中并进行渗流和扩散。吸附气体使煤的微孔隙和微裂隙表面能降低，表面层厚度增大，同时游离的气体促使微孔隙和微裂隙体积增大，从而使煤体发生膨胀变形[25]。随着煤体结构内外压力差及浓度差的逐渐减小，煤体变形速率逐渐降低，直至达到吸附平衡，煤体变形值趋于一个稳定值。

图3 不同气体压力下煤体吸附膨胀变形各向异性特征

由图3可见，在各种气体压力下，煤体吸附膨胀变形均呈现各向异性特征，整体上三个方向的应变变化趋势呈现一致性，但是垂直层理方向的变形明显大于平行层理两个方向的变形，平行层理垂直面割理方向的变形大于垂直端割理方向的变形，即ε1>ε2>ε3。这是由于煤岩层理、面割理和端割理发育程度依次降低。在煤基质变形的基础上，三个方向上不连续结构面的变形差异是造成煤体吸附膨胀变形各向异性的主要原因。

煤样不同方向上的吸附膨胀变形量见表2，可知垂直层理方向和平行层理垂直面割理方向的应变值之比约为1.5。在平行层理上，随着气体压力的增大，垂直面割理方向和垂直端割理方向之间的应变量之比越来越小。这是由于随着气体压力的不断升高，气体逐渐进入到煤体孔隙当中，引起煤基质的变形，而煤基质的变形势必会压缩裂隙的空间，因此，当气体压力较高时，煤体变形主要是煤基质的变形。由于平行层理方向裂隙较少，所以，随着氮气压力的逐渐升高，平行层理方向上垂直面割理和垂直端割理之间的应变值之比越来越小。

表2 三个方向上煤岩吸附膨胀最大应变特征

2.2 煤岩解吸收缩变形规律

煤样在解吸过程中，并不是简单地一直收缩变形，如图4所示，在快速排出高压气体时会出现一个瞬间的膨胀变形过程。在快速排出气体时，煤体受到的围压迅速减小，来不及释放的高压吸附气体提供的孔隙压力使煤体所受的有效应力迅速减小，煤样发生膨胀变形。由于煤体中裂隙发育程度、连通性以及分布上的差别，导致垂直层理方向变形量较大，平行层理垂直面割理方向变形量较小，而平行层理垂直端割理方向无明显变化。伴随着煤样膨胀变形后，开始弹性恢复变形阶段，该阶段持续时间极短，变形量较大。煤样在解吸收缩变形阶段，收缩变形量随着时间增长而增加，变形速率不断减小，最后达到一个近似稳定的值。

图4 不同气体压力下煤体解吸收缩变形曲线

煤体的解吸收缩变形同样具有各向异性特征，由表3中的数据可知，垂直层理的收缩变形量大于平行层理，平行层理方向上垂直面割理方向的收缩量一般大于垂直端割理方向。

表3 不同方向上煤的解吸变形值

2.3 吸附—解吸残余变形分析

煤体吸附气体发生膨胀变形，解吸气体发生收缩变形，对于此过程的可逆性，目前还存在较大分歧。本文的试验研究发现，不同气体压力下煤样吸附—解吸过程中均存在一定的残余应变。这是因为当吸附气体压力下降时，发生解吸现象，从而引起煤基质内微孔隙和微裂隙的闭合，原来借助于气体压力楔入微孔隙和微裂隙中的部分气体，由于煤体在气体压力下降时的收缩效应，被禁锢在这些微孔隙和微裂隙之中，因此当气体压力降为零时，煤体的变形值并不为零，而是存在着一定的残余变形。

由表4可以看出随着氮气压力的增大，煤岩吸附—解吸残余变形量明显增大。通过拟合得到煤体残余应变值与气体压力呈线性关系(图5)，其一般关系表达式为

ε=aP+b

式中：ε为煤体残余变形量；P为气体压力；a，b为拟合常数。

表4 不同氮气压力下的残余变形量

注：ε=ε1+ε2+ε3为煤岩的体积应变

图5 煤体残余应变量与气体压力的关系

3 结论

(1)不同压力下的煤体吸附—解吸变形曲线在垂直层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理方向的整体变化趋势呈现一致性，在吸附过程中先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形和吸附膨胀变形阶段，解吸过程中经历放气瞬间膨胀变形、放气后弹性恢复变形和解吸收缩变形等阶段。

(2)煤体吸附—解吸变形呈现各向异性特征，垂直层理方向变形量最大，平行层理垂直面割理方向次之，平行层理垂直端割理方向最小。因此，在进行体积应变计算时，不宜将煤层平行层理方向视为各向同性进行计算，应采取正交各向异性，更符合煤层实际。

(3)煤体吸附—解吸变形过程中，气体压力越大，变形量就越大。随着气体压力的逐渐增加，在平行层理上，垂直面割理方向与垂直端割理方向的应变值之比逐渐减小，各向异性特征有所减弱。

(4)煤体的吸附—解吸是一个不可逆的过程，在不同气体压力下煤体吸附—解吸后均存在一定的残余变形，气体压力越大，残余变形量越大，且与气体压力呈现线性关系。