瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征影响试验研究

郭 平

（重庆工业职业技术学院，重庆401120）

煤是一种天然的吸附剂，大量的实际现象和实验结果表明，煤体吸附-解吸气体会发生膨胀-收缩变形，进而影响含瓦斯煤体孔隙率和渗透率[1-5]。随着煤矿开采深度增加，瓦斯压力增大，煤体吸附-解吸变形对煤矿瓦斯灾害治理影响越加明显，因此摸清煤体吸附-解吸变形规律对认清深部煤体瓦斯流动规律具有重要意义。近年来，关于煤体吸附-解吸瓦斯变形特性方面，国内外学者已开始着手相关研究工作[6-10]。综上所述，前人在煤体吸附-解吸瓦斯变形特征取得了一定的研究成果，但还需进一步丰富和完善，尤其是残余变形方面研究目前还处于定性分析阶段。为此利用含瓦斯煤体吸附变形测试试验系统开展不同瓦斯压力条件下的吸附解吸变形试验，探讨瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征的影响。

1 试验描述及方法

1.1 试样制备

试验所用煤样取自重庆松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿8#煤层，根据岩石力学试验的ISO 22475-1：2006 国际标准，原材料被加工成直径d=50 mm、高度h=100 mm 的圆柱体标准原煤试件，并利用恒温箱烘干后，存于干燥箱。

1.2 试验装置

试验设备采用重庆大学自行研制的含瓦斯煤体吸附变形测试试验系统，该装置主要由瓦斯罐、恒温水浴系统、吸附变形测试罐、WS-3811 数字式动态应变数据采集仪、计算机、压力控制阀、压力表、真空泵、真空表及高压管路组成，含瓦斯煤体吸附变形测试试验系统示意图如图1。

图1 含瓦斯煤体吸附变形测试试验系统示意图

1.3 试验步骤

试验采用99.99%的CH4气体，作为吸附质，试验水浴温度为30℃，测试压力分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa 等5 个等级，研究不同瓦斯压力条件下煤体吸附解吸变形特征。试验步骤参考文献[10]。

2 试验结果与分析

不同瓦斯压力下煤样的吸附-解吸变形曲线如图2，其中应变增大部分表示含瓦斯煤体的收缩变形；减小部分表示膨胀变形。

图2 不同瓦斯压力下煤样的吸附-解吸变形曲线

从图2 可以看出，不同气体压力的含瓦斯煤体吸附-解吸变形曲线全过程具有明显的相似性，可将含瓦斯煤体吸附-解吸变形曲线划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III 等3 个阶段。具体描述如下：

1）在抽真空压缩变形阶段I，由于煤体中孔隙、裂隙中富集的空气被抽出，导致煤体表面张力减小，煤体发生收缩变形，煤体压缩变形随抽真空的时间增加而增加，但增加速率增加降低，最终趋于稳定，达到抽真空平衡状态。

2）吸附膨胀变形阶段II。该阶段由于受到试验初期充气的影响，瓦斯气体进入吸附测试罐后对试件周围瞬间产生围压作用，使得煤体发生了短暂的压缩变形，但充气速度较慢时，该特征表现较弱。当充气平衡后，煤体吸附瓦斯开始呈现膨胀变形特征。随着吸附时间的增加，吸附瓦斯量逐渐增大，吸附膨胀变形特征越加明显，但变形速率逐渐降低，最终达到稳定值。

3）解吸收缩变形阶段III。该阶段由于受到气体压力释放的影响，使得试验腔体内气体产生的围压得到快速卸载，进而导致原被气体压缩产生的煤体弹性变形迅速恢复，因此煤体出现了短暂且非常显著的膨胀变形，此时膨胀变形达最大值，但随着排气速度的减缓，该特征表明也明显变弱。当气体压力释放平衡后，煤体解吸瓦斯开始呈现收缩变形特征。随着解吸时间的增加，解吸瓦斯量逐渐增大，收缩变形特征越加明显，但变形速率逐渐降低，最终收缩变形量也达到稳定值。

3 煤吸附-解吸变形特征分析

3.1 煤吸附膨胀变形特征分析

不同瓦斯压力条件下吸附膨胀变形曲线如图3（负号表示煤体发生膨胀变形行为）。从图3 可看出，不同压力条件下的含瓦斯煤体的吸附膨胀变形规律具有很好的相似性，即吸附膨胀变形值随吸附时间的增加而逐渐增大，直至达到某一恒定的应变值；吸附压力越大，产生的吸附膨胀应变也越大，煤体膨胀变形越明显。从时间的角度来讲，煤体的吸附变形是一个较为漫长的过程，在吸附变形初期，煤体的吸附膨胀变形变化较快，对吸附时间的敏感性较强；随着吸附时间的增大，膨胀变形变化率逐渐降低，上述表明含瓦斯煤体的吸附膨胀变形与吸附量密切相关。瓦斯从煤体裂隙通道渗流到孔隙周围后，瓦斯气体以扩散的方式进入孔隙；同时煤体孔隙开始吸附瓦斯，随着吸附时间的增加，煤体吸附瓦斯量逐渐趋于饱和状态，因此煤体的吸附膨胀变形的变化趋势逐渐减缓。从空间的角度上讲，含瓦斯煤体吸附膨胀变形规律与瓦斯压力梯度呈正相关变化趋势，在瓦斯压力梯度变化相同的条件下，含瓦斯煤体的吸附膨胀变形曲线呈近似均匀分布。

图3 不同瓦斯压力条件下吸附膨胀变形曲线

对比图3（a）和图3（b）可知，含瓦斯煤体的横向膨胀变形与纵向膨胀变形在变化形态特征上具有明显的相似性，但变化幅度明显存在较大差异，表现出明显的各向异性特征。含瓦斯煤体的横向（平行层理）吸附膨胀变形ε1明显小于纵向（垂直层理）变形ε2，纵向变形量ε2约为横向变形量ε1的1.55~1.74 倍，且ε2/ε1平均比值稳定在1.70 左右。将上述数据进一步整理分析，可得到不同吸附瓦斯压力与吸附膨胀体积变形εv关系（εv=2|ε1|+ε2），膨胀体积变形与吸附压力关系如图4。从图4 可以看出，在吸附变形过程中，吸附膨胀体积变形随吸附压力的增大呈线性增加；当吸附压力一定时，吸附时间越长，吸附量越大，表现为线性斜率越大。

3.2 煤解吸收缩变形特征分析

不同瓦斯压力条件下解吸收缩变形曲线如图5。从图5 可看出，不同压力条件下的含瓦斯煤体的解吸收缩变形量随解吸时间的增加而逐渐增大，当压力梯度一定时，在空间上呈现出近似均匀分布特征；解吸压力越大，产生的收缩应变也越大，煤体收缩变形越明显。在解吸变形初期，煤体的收缩变形特征明显；随着解吸时间的增大，煤体中瓦斯含量逐渐降低，收缩变形变化率逐渐降低，表明含瓦斯煤体的收缩变形与解吸量密切相关，当煤体中不再发生瓦斯解吸时，解吸变形达到某一恒定应变值。

图4 膨胀体积变形与吸附压力关系

图5 不同瓦斯压力条件下解吸收缩变形曲线

对比分析图5（a）和图5（b）可知，含瓦斯煤体的横向收缩变形与纵向收缩变形在变化形态特征上具有明显的相似性，但表现出明显的各向异性特征。分析数据分析可知，含瓦斯煤体的横向解吸收缩变形ε1明显小于纵向变形ε2，纵向变形量ε2约为横向变形量ε1的1.67~1.74 倍，且ε2/ε1平均比值稳定在1.70 左右。收缩体积变形与吸附压力关系如图6。从图6 可以看出，收缩体积变形随解吸压力的增大而呈线性增加趋势，当解吸压力一定时，且解吸时间越长，解吸量越大，表现为线性斜率越大。

图6 收缩体积变形与吸附压力关系

3.3 残余变形特征分析

综合分析图4 和图6 可知，含瓦斯煤体在吸附-解吸试验完成后，煤体不能恢复到试验前的形态，存在一定的残余变形，表现出明显的吸附-解吸变形不可逆变化特征，残余变形与气体压力关系如图7，图中负号表示煤体的残余变形以膨胀变形的方式呈现，即含瓦斯煤体在吸附-解吸变形过程中，煤体发生的吸附膨胀变形量大于解吸收缩变形量。

图7 残余变形与气体压力关系

从图7 可知，含瓦斯煤体残余横向变形量相对较为稳定，随着气体压力的增加呈相对较缓的线性增加关系，当气体压力从1.0 MPa 增加到2.5 MPa时，残余横向应变从104×10-6增加到118×10-6，表明平行层理方向变形可逆性相对较好；残余纵向应变对气体压力的敏感性显著，变化幅度明显增大，随着气体压力的增大呈现出较快的线性增长关系，当气体压力从1.0 MPa 增加到2.5 MPa 时，残余横向应变从111×10-6增加到240×10-6，表明垂直层理方向变形可逆性较差；含瓦斯煤体的残余体积变形随气体压力增大呈出较快的线性增长关系，表明体积残余变形受纵向残余变形影响相对较大。

4 结 论

1）含瓦斯煤体吸附-解吸变形动态曲线具有明显相似性，可划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III 等3 个阶段。

2）含瓦斯煤体吸附/解吸压力越大膨胀/收缩变形特征越明显，但煤体变形具有明显的各向异性特征，且横纵向变形量比值随吸附/解吸时间和吸附/解吸压力变化不明显，趋于定值。

3）含瓦斯煤体在吸附-解吸变形过程中，体积变形随吸附/解吸压力的增大呈线性增加，吸附/解吸时间越长，线性斜率越大。

4）含瓦斯煤体在吸附膨胀-解吸收缩变形表明出明显的不可逆行性特征，残余变形量随气体压力增加而增大，其中煤体纵向变形对气体压力敏感性明显高于横向，对煤体残余体积变形贡献较大。