含瓦斯煤体渗吸水变形特征实验研究

张 曦，马衍坤，高 魁，秦万里

（1.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001）

煤层气开采过程中水的侵入不仅可以改善煤体的物理强度，而且水利化措施后，水分完全可以依靠毛细管力进入煤体内部，发生渗吸作用，从而改变瓦斯的吸附解吸特性[1-5]。在煤矿瓦斯抽采领域，一些学者发现水分能够渗吸置换出煤中瓦斯。如果研究利用水分进入煤体后的渗吸效应，将会对提高低渗煤层瓦斯抽采效果、缩短瓦斯抽采时间具有重大的意义。目前国内外学者利用理论分析、实验测试等手段对煤体吸附瓦斯后的变形特征开展了大量研究。在吸附膨胀变形机制研究方面：林柏泉、周世宁[6]认为含瓦斯煤体变形是由于吸收瓦斯使碳分子间距加大和瓦斯分子楔开了煤层中的微孔隙和微裂隙等。何学秋[7]等利用表面物理化学知识认为孔隙气体使煤岩内部微孔隙、裂隙的表面的范德华力被削弱而产生膨胀能，从而使煤体宏观上表现出膨胀变形。C O Karacan[8-9]、曹树刚等[10]通过对突出危险煤的研究表明突出危险煤的变形曲线可以划分为6个阶段，煤体的应变变化率绝对值随时间逐渐减小，且服从朗格缪尔方程。刘延保[11]聂百胜等[12]得出煤体的吸附膨胀变形垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向，且吸附气体压力越大，其残余变形值也越大。祝捷等[13]研究表明煤吸附/解吸瓦斯产生的膨胀/收缩变形呈各向异性，卸压初期煤样收缩变形较快，之后变形速率减缓，变形需要很长时间才能稳定；吸附压力越大，瓦斯解吸时煤样的收缩变形越显著。目前煤体变形研究成果在煤体吸附解吸气体膨胀变形方面，而含瓦斯煤体渗吸水过程煤体变形鲜有研究，因此，利用自行研制含瓦斯煤体的水渗吸变形实验系统开展煤体“高压吸附瓦斯-等压水渗吸-卸压退水”的变形实验，与目前研究的煤体单纯吸附解吸气体变形成果结合，得到水渗吸作用下含瓦斯煤体的变形规律，为后期研究渗吸水对含瓦斯煤体吸附解吸作用提供基础参考。

1 试样制备与实验方法

实验煤样采自塔子沟煤矿，平行层理方向加工钻取φ50 mm×100 mm的圆柱形煤体，打磨使煤样上、下表面平行光滑，同时用无水乙醇处理表面的颗粒物，利用红外干燥箱，在65℃下持续干燥原煤12 h，直至质量不再变化。避开煤体较大裂隙，在煤样侧面中部用502胶粘贴焊接好的应变片通道，驱赶气泡抚平，一次性粘贴完毕待用，同时焊接数据采集通道，用AB胶进行线路固定和防水涂层。

1.1 实验系统

实验采用自主研制的高压甲烷煤体自然吸水-数据自动采集实验系统。该系统主要包括：高压甲烷气瓶、真空泵、储液器、密封煤样罐体、煤样架、高精度压力传感器、质量传感器、数据采集装置和针型阀。含瓦斯煤体的水渗吸变形实验系统如图1。系统2个主要部分为：①高压甲烷-煤体自然吸水测试装置：根据实验用途，高精度压力传感器、应变片设置在罐体内部，可通过罐体壁的数据接口与采集系统连接并传输数据，同时实验罐体与储液单元相连，管路设置针型阀；②智能信号采集分析仪通过密封煤样罐体侧壁封孔螺丝内的传导线与内部应变片连接，用于实时监测实验过程中煤体的应变信息。

1.2 实验方法

该系统能够实现水分在煤样吸附甲烷平衡后自然侵入煤体，确保在水分侵入过程的自然无驱动力，通过高精度压力传感器监控密封罐体内部的压力变化，罐体中瓦斯气体充入压力设计采用0.5、1、1.5、2.0 MPa。实验过程为：①首先将储液罐装满水，将储液罐上下压力控制阀关闭、真空控制阀打开，将吸附罐和整个管路系统抽真空，待达到一定的真空（4 Pa）后进行煤样形变数据的初始采集；②瓦斯吸附平衡阶段测试，向罐体内充入预设压力的CH4，此时储液罐上端针型阀打开、下端针型阀关闭，通过实验装置内高精度的压力传感器将罐内压力值实时采集在电脑数据单元，通过信号采集仪记录时间、煤体变形数值，4组数据均在20 h内达到稳定变形状态；③等压水渗吸阶段，CH4气体进入时储液器内部上端和密封罐体等压状态连接（即储液器上端针型阀打开），当CH4吸附平衡，罐内压力基本无变化，打开储液器等压环境下水自然流入罐区，直至刚好触及煤体中部粘贴的横向和纵向的应变片，开展水渗吸的煤体变形监控、罐内压力变化；④最后进行卸压排水后的煤体至稳定阶段的变形监测。

2 实验结果

实验结果主要从“高压吸附瓦斯-等压水渗吸-卸压退水”3个阶段分析煤体横向和纵向变形量的大小趋势，结合煤体体应变、煤体含水率进行分析，得出含瓦斯煤体渗吸水变形特征规律。

2.1 煤体3阶段变形特征

实验样品共4组，依次采用压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，单次实验煤样达到稳定状态持续时间70 h左右。横向和纵向变形特征曲线如图2。

图2 横向和纵向变形特征曲线Fig.2 Characteristic curves of transverse and longitudinal deformation

应变曲线特征主要分为气体吸附阶段、等压自然吸水阶段、解吸泄水阶段。

1）气体吸附阶段。煤体横向和纵向的应变整体变化趋势呈现一致性，0.5、1 MPa煤体横向变形基本处在较小压缩状态，1.5、2.0 MPa煤体横向变形基本处在较小拉伸状态，煤体吸附CH4和外加压力的平衡关系导致煤体的轻微变形，压力1.0 MPa以下时煤体对CH4吸附量小而气体压力对煤体产生的压缩变形较大，压力1.0 MPa以上煤体对甲烷的吸附量大与气体压力平衡之间产生了拉升变形；同时纵向的变形量大于横向，且CH4压力越大吸附达到平衡所需的时间越长，说明煤体高压吸附稳定时间与压力成正比。同时，实验环境由于煤体吸附CH4压力产生不同的下降，下降值分别为0.013、0.028、0.053、0.075 MPa，压力变化值与初始CH4压力值之间的关系如图3。

2）等压自然吸水阶段。等压水进入罐区后煤体横向和纵向变形量均呈现出缓慢上升期、急速上升期和稳定期3段过程，4组压力下等压自然吸水阶段横纵变形量均在30 h左右趋于稳定，等压吸水至稳定的时间与初始CH4压力无直接关联。等压自然吸水阶段，CH4压力越大，煤体的横、纵向变形曲率越大；2.0 MPa瓦斯压力下煤体横向和纵向变形量最大，分别为1 716.32×10-6和3 079.31×10-6，现象表明等压自然吸水阶段，煤体横纵变形量和环境压力成正比，而过程稳定时间与压力无关。该阶段，罐内压力有小幅增加，增加值分别为0.004、0.005、0.008、0.013 MPa，吸附气压增加值和初始CH4压力呈二次相关（图3（b））。含瓦斯煤体甲烷分子在煤表面产生了吸附，等压自然吸水后，由于水分子在煤表面的吸附能力大于甲烷分子在煤表面的吸附能力，水分子会与甲烷分子产生竞争吸附，并最终使甲烷分子由吸附态转变为游离态，这就是水的置换作用。

图3 压力变化值与初始CH 4压力值之间的关系Fig.3 Relationship between pressure variation values and initial pressure of CH 4

3）解吸泄水阶段。卸压泄水后，不同压力下，横纵向应变特征均缓慢下降至稳定，说明卸压泄水过程中，煤孔隙吸附的CH4和水都在通过孔隙涌出，导致煤体呈现压缩状态，初始压力越大，残余变形越大，同时横纵变形量均无法恢复到初始状态。在不同的甲烷压力下，煤体的含水率分别为0.98%、1.05%、1.51%、2.24%，含水率与初始CH4压力值之间的关系如图4。2.0 MPa下横纵向应变残余变形最大，分别为1 789.82×10-6和3 006.18×10-6，这可能是由于水气共同影响下，煤体内部产生的膨胀能力取决于水气共同影响，水气的竞争吸附，会使得煤体在浸湿区受到不可逆的孔隙破坏，使得残余变形和外加压力成正比。

图4 含水率与初始CH4压力值之间的关系Fig.4 The relationship between water content and initial pressure of CH 4

2.2 不同瓦斯压力煤体渗吸水变形特征

由于煤体本身的构造及破碎性程度不同，即使严格控制也无法消除实验结果的离散型，因此每组实验时采取对比煤样的实验方法，挑选构造相同的2块煤样做对比，用实验结果相差不大的平均值作为实验结果，整理出瓦斯与水耦合下体应变值，各区稳定体应变值见表1。

表1 各区稳定体应变值Table 1 Stable volume strain values in each region

体应变εv计算方法如下[14]：

式中：εv为体应变；εz为纵向应变；εh为横向应变；μ为纵横应变比。

不同CH4压力下煤体渗吸水体应变特征曲线如图5。从图5可以看出，不同CH4压力下煤体渗吸水3阶段体应变呈现出相似的变形曲线规律。气体吸附阶段，煤体体应变短暂压缩减小，随后呈拉伸增大至稳定，压力越大变形曲率越大；等压自然渗吸水阶段，煤体的体应变均持续增大拉升至稳定，说明水的渗吸使煤体外表产生拉伸变形，且变形增量与压力成正比，压力越大变形曲率越大；解吸泄水阶段，卸压泄水后，不同压力下，体应变特征缓慢下降至稳定，煤体表面收缩，且压力越大，体应变的残余变形越大，不可逆性明显。

图5 不同CH 4压力下煤体渗吸水体应变特征曲线Fig.5 Characteristic curves of volume strain of coal body infiltration and water absorption under different CH 4 pressures

2.3 瓦斯压力对煤体分阶段变形的影响

实验测试过程中煤体经历了气体吸附平衡、水渗吸平衡、解压泄水平衡3个不同阶段，为了更明确地对不同瓦斯压力下的变形特征进行归纳分析，以初始变形量为基点，得出各阶段煤样的应变和CH4压力变化关系，煤体渗吸水“压力-体应变”曲线如图6。

图6 煤体渗吸水“压力-体应变”曲线Fig.6“pressure-volume strain”curves of water imbibition and absorption in coal

在不同瓦斯压力下，3个阶段变形特征拟合后基本呈现出压力和体应变的正相关性，3阶段下的“瓦斯压力-体应变”拟合度较好，基本呈现二次相关性，说明3阶段的变化趋势基本一致，尤其是水渗吸和卸压泄水阶段，趋势线基本重合，原因水具有强于甲烷的吸附能力，水会与煤体内吸附态瓦斯展开激烈的竞争吸附，能够取代吸附态瓦斯，达到“置换”目的，瓦斯吸附压力越大，水分通过毛细管力进入煤体内部产生的变形效果越明显，相应置换的吸附态瓦斯量也越多，环境压力增加越多，表现关性，压力越大体应变的变化量越大，同时水的渗吸使得煤样产生了残余变形，以及难以恢复的不可逆性。

3 结论

1）含瓦斯煤体渗吸水实验，煤体在横向和纵向的应变变化趋势呈现出气体吸附、水渗吸、卸压泄水3阶段特征。不同瓦斯压力下纵向的变形量均明显大于横向，变形量和瓦斯初始压力成正比，同一瓦斯压力下水渗吸阶段的变形曲率最大，最大横、纵变形量为1 716.32×10-6和3 079.31×10-6，水渗吸阶段水对瓦斯的“置换”产生的煤体的变形量具有累加性，同时罐区压力在增加，最大变化值为0.013 MPa，瓦斯压力越大，残余变形越大。

2）在不同瓦斯压力下，3阶段的“瓦斯压力-体应变”拟合度较好，基本呈现二次相关性，水渗吸阶段体应变变化趋势斜率大于单纯气体吸附过程，卸压泄水后煤体产生的残余变形较大。

3）含瓦斯煤体渗吸水实验，卸压退水后煤样含水率在0.98%～2.24%之间，瓦斯压力越大体应变变化率越大，水渗吸和卸压泄水阶段体应变特征曲线基本重合，变形特征产生了较大的不可逆性残余变形。