突出煤體吸附-解吸瓦斯變形特性試驗(yàn)研究

1、<p>　　極松軟煤體高壓吸附過程中變形特性的試驗(yàn)研究</p><p><b>　　劉延保1,2</b></p><p>　?。?.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）</p><p>　　摘要：突出煤層大都層理紊亂、存在煤質(zhì)極其松軟的軟分層，軟分層吸附瓦斯

2、和釋放瓦斯的能力比硬分層大許多，突出危險(xiǎn)性更大。為分析軟分層在高壓條件下的吸附變形特性，研制了煤層瓦斯吸附解吸變形動(dòng)態(tài)測試裝置，并利用該裝置進(jìn)行了恒溫定容條件下煤樣吸附、解吸瓦斯過程中吸附量與應(yīng)變的同步測試。研究結(jié)果表明：等溫吸附曲線、等溫解吸曲線和等溫吸附應(yīng)變曲線均服從朗格繆爾方程，等溫解吸應(yīng)變曲線服從改進(jìn)的朗格繆爾方程；軟分層吸附—解吸過程可逆，吸附—解吸變形不可逆；瓦斯吸附量與體應(yīng)變呈非線性關(guān)系。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立了軟

3、分層煤體應(yīng)變與吸附量的精確擬合方程。</p><p>　　關(guān)鍵詞：極松軟煤體；軟分層；瓦斯吸附量；吸附變形；恒溫定容</p><p>　　中圖分類號：TD713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A </p><p>　　Experimental Investigation on the Deformation Characteristics under High Pres

4、sure Absorption of Ultra Soft Coal</p><p>　　LIU Yanbao1,2</p><p>　　(1. State Key Laboratory of The Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China;</p>

5、<p>　　2. CCTEG Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)</p><p>　　Abstract:Most outburst coal seams with bedding disorder and coal quality extremely soft hierarchical layers，the absorb and re

6、lease gas ability of soft hierarchical layer is more than the hard hierarchical layer,so coal and gas outburst dangerous is greater.In order to investigate the character behavior of swelling deformation and contraction d

7、eformation effect of soft hierarchical layer under high pressure,the dynamic testing device of gas adsorption desorption deformation of coal seam was devel</p><p>　　Keywords:ultra soft coal;soft layered;adso

8、rption;adsorptive deformation;constant temperature and volume</p><p><b>　　收稿日期：</b></p><p>　　基金項(xiàng)目：國家“十三五”科技重大專項(xiàng)（2016ZX0506 7004-004, 2016ZX05043005-003）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51574280）</p>

9、;<p>　　作者簡介：劉延保（1981—），男，山東淄博人，博士，副研究員，主要從事煤層氣開發(fā)方面的研究工作。E-mail：yanbao_liu@163.com。</p><p>　　近年來，隨著國內(nèi)外研究者對煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，以及瓦斯抽采、二氧化碳煤層封存等技術(shù)關(guān)注程度的不斷提高，越來越重視煤巖瓦斯吸附、解吸能力及其變形特性方面的研究[1-6]，并相繼開發(fā)了測試煤巖吸附、解吸瓦斯量，以及

10、測試變形的技術(shù)和裝置[7-16]。在對具有突出危險(xiǎn)性煤層的研究中發(fā)現(xiàn)，由于軟分層煤體層理紊亂、煤質(zhì)極其松軟，吸附瓦斯和釋放瓦斯的能力比硬分層大許多，引起的吸附、解吸變形也更為復(fù)雜，突出危險(xiǎn)性更大。同時(shí)，由于現(xiàn)有設(shè)備大多只能進(jìn)行單一的吸附、解吸瓦斯量測試或變形量測試，且吸附、解吸瓦斯量測試通常采用煤粉作為試驗(yàn)樣品，變形量測試則采用塊煤作為試驗(yàn)樣品，由于二者采用的不是同一煤樣，導(dǎo)致最終獲得的吸附量和吸附變形量不能較好的對應(yīng)，分析結(jié)果說服力不

11、強(qiáng)。此外，利用現(xiàn)有設(shè)備開展的吸附、解吸變形試驗(yàn)氣體壓力大多數(shù)在5.0 MPa以內(nèi)，而煤體在高壓下，往往表現(xiàn)出不同于低壓時(shí)的特性，尤其是吸附變形與吸附量同時(shí)測試時(shí)，壓力過低會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低[17]。因此，有必要開展更高壓力（0~10.0 MPa）條件下的吸附、解吸及變形特性研究。</p><p>　　筆者利用自行研制的煤層瓦斯吸附解吸變形動(dòng)態(tài)測試裝置，開展了具代表性的極松軟煤體——軟分層煤體在恒溫定容條件

12、下的吸附、解吸瓦斯量及應(yīng)變同步測試試驗(yàn)，探討了吸附、解吸瓦斯過程中應(yīng)變與吸附、解吸瓦斯量的關(guān)系。</p><p><b>　　1 試驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　1.1 結(jié)構(gòu)與性能</p><p>　　煤層瓦斯吸附解吸變形動(dòng)態(tài)測試裝置主要包括氣體控制系統(tǒng)、氣體壓力采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)五部分，如圖1所示。<

13、/p><p>　　1—He減壓閥；2—He進(jìn)氣閥；3—排氣閥；4—抽真空閥；5—真空表；6—干燥器；7—真空泵；8—應(yīng)變采集儀；9—采集卡；10—低壓傳感器；11—低壓控制閥；12—高壓傳感器；13—參照罐壓力控制閥；14—CH4進(jìn)氣閥；15—CH4減壓閥；16—循環(huán)水??；17—參照罐；18—樣品罐壓力控制閥；19—樣品罐；20—計(jì)算機(jī)。</p><p>　　圖1 煤層瓦斯吸附解吸變形動(dòng)態(tài)測

14、試裝置示意圖</p><p>　　該裝置氣體控制系統(tǒng)由高壓針閥、高壓管、氣源、參照罐、樣品罐等組成，所有管路及閥門接頭均采用卡套接頭連接；氣體壓力采集系統(tǒng)包括高壓（0~10 MPa）、低壓（0~1 MPa）氣體壓力傳感器、采集卡和計(jì)算機(jī)，壓力傳感器精度等級為0.1級，采集卡最大總誤差小于0.2%；應(yīng)變采集系統(tǒng)包括應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變采集儀和計(jì)算機(jī)，應(yīng)變采集儀采用WS-3811數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀，其準(zhǔn)確度為示值的0.

15、5%；控溫系統(tǒng)采用循環(huán)水浴控溫，控溫范圍20~95 ℃，控溫精度0.01 ℃；抽真空系統(tǒng)包括真空泵、干燥器和真空表，干燥器用于過濾管路氣體中的雜質(zhì)和水分，以防止對真空泵造成損害，真空泵極限壓力為6.7×10-2 Pa。</p><p>　　1.2 氣密性檢測</p><p>　　對于高壓氣體試驗(yàn)裝置，氣密性是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素，因此各部件連接完成后，需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行氣密性檢

16、驗(yàn)。對上述裝置用氦氣測定系統(tǒng)的氣密性，系統(tǒng)壓力變化情況如圖2所示?？梢姡诙ㄈ莺銣兀ǔ跏?xì)怏w壓力為9.577 MPa、溫度為30.00 ℃）條件下，19 h后壓力無明顯變化。實(shí)驗(yàn)裝置氣密性較好，完全滿足試驗(yàn)要求。</p><p>　　圖2 高壓氣體試驗(yàn)裝置氣密性測試結(jié)果</p><p>　　1.3 管路體積測試</p><p>　　試驗(yàn)前，采用純度為99.999

17、%的氦氣測得低壓（氣體壓力p＜1.0 MPa）條件下系統(tǒng)參照罐及管路容積為193.724 mL，高壓（氣體壓力p≥1.0 MPa）條件下系統(tǒng)參照罐及管路容積為192.911 mL，樣品罐及管路容積為123.705 mL。</p><p>　　2 試驗(yàn)煤樣及方案</p><p><b>　　2.1 試驗(yàn)煤樣</b></p><p>　　試驗(yàn)煤

18、樣取自重慶松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽煤礦具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的8#煤層軟分層，其工業(yè)性分析結(jié)果如下：水分1.93%，灰分16.04%，揮發(fā)分10.22%，含碳量71.81%。由于該軟分層極松軟，手捻即成顆粉，無法加工成原煤試件，而型煤和原煤的變形特性存在相關(guān)性[18]，因此，筆者采用型煤代替原煤用于吸附—解吸瓦斯變形特性的一般性規(guī)律探討。</p><p>　　試驗(yàn)煤樣采用特制模具壓制而成，煤樣成型裝置如圖3所示。

19、</p><p>　　圖3 煤樣成型設(shè)備</p><p>　　在煤樣壓制過程中，首先調(diào)節(jié)液壓泵，緩慢施加成型力至30 kN，然后穩(wěn)壓15 min，在穩(wěn)壓過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液壓泵，保證成型力誤差在±0.1 kN內(nèi)。將制作好的煤樣放入60 ℃干燥箱中進(jìn)行干燥，12 h后取出放置在干燥皿中冷卻至室溫備用。</p><p><b>　　2.2 試驗(yàn)方案&

20、lt;/b></p><p>　　根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備條件，采用純度為99.999%的CH4氣體作為吸附質(zhì)，試驗(yàn)溫度為30.00 ℃。在煤樣側(cè)面中部位置粘貼2組共4個(gè)電阻式應(yīng)變計(jì)（每組2個(gè)應(yīng)變計(jì)，分別測試煤樣縱向和徑向應(yīng)變），試驗(yàn)后取其平均值進(jìn)行分析。</p><p><b>　　具體測試方法如下：</b></p><p>　　1) 安裝試件。將

21、安裝好應(yīng)變計(jì)的煤樣安放在樣品罐內(nèi)，連接管線和應(yīng)變、壓力測試設(shè)備。</p><p>　　2) 抽真空。開啟真空泵對吸附罐和整個(gè)管路系統(tǒng)抽真空8 h以上，確保將煤樣、系統(tǒng)中的空氣和水分抽凈。</p><p>　　3) 樣品罐及管路自由空間體積測定。采用氦氣測定煤樣裝入樣品罐后煤樣顆粒之間的孔隙、煤樣顆粒內(nèi)部微細(xì)孔隙、樣品罐剩余的空間、連接管和閥門內(nèi)部空間的自由空間體積。</p>

22、<p>　　4) 再次抽真空。在排出系統(tǒng)內(nèi)氦氣之后，再次對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空1 h左右，確保將煤樣孔隙中的殘留氦氣抽凈。</p><p>　　5) 吸附試驗(yàn)。按照加壓—平衡—加壓的過程，逐級提高瓦斯壓力，測試煤樣在不同瓦斯壓力條件下吸附平衡時(shí)的吸附量和應(yīng)變。</p><p>　　6) 解吸試驗(yàn)。按照降壓—平衡—降壓的過程，逐級降低瓦斯壓力，測試煤樣在不同瓦斯壓力條件下解吸平衡時(shí)的解吸

23、量和應(yīng)變。</p><p>　　需要說明的是，每一步操作，都必須待瓦斯壓力和應(yīng)變均平衡后才能進(jìn)行后續(xù)操作。</p><p>　　3 試驗(yàn)結(jié)果及分析</p><p>　　試驗(yàn)獲得的等溫吸附、解吸曲線，以及體應(yīng)變—瓦斯壓力關(guān)系曲線如圖4所示。</p><p>　　圖4 不同煤樣的試驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　現(xiàn)有研究成

24、果表明，煤巖在等溫情況下不同瓦斯壓力的吸附解吸變形現(xiàn)象，基本上符合Langmuir等溫吸附方程[1-2, 14-20]：</p><p>　　q = abp/(1+bp) (1)</p><p>　　ε= ABp/(1+Bp) (2)</p><p>　　式中：q為吸附平

25、衡時(shí)吸附瓦斯量，m3/t；a為在參考壓力下的極限吸附量，m3/t；p為自由瓦斯壓力（孔隙壓），MPa；b為煤的吸附平衡常數(shù)，MPa-1；ε為吸附應(yīng)變平衡時(shí)的體應(yīng)變，10-3；A為在參考壓力下的極限體應(yīng)變，10-3；B為煤的吸附應(yīng)變平衡常數(shù)，MPa-1。</p><p>　　采用式(1)、式(2)對各煤樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1。擬合結(jié)果顯示，煤樣的吸附等溫線、解吸等溫線和吸附應(yīng)變曲線均符合Langmuir方程

26、，數(shù)據(jù)擬合精度均在0.99以上，誤差較小。而解吸應(yīng)變曲線的Langmuir方程擬合程度相對較低，擬合精度不到0.98。</p><p>　　表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合參數(shù)</p><p>　　進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，解吸應(yīng)變曲線與標(biāo)準(zhǔn)的Langmuir曲線相比存在一個(gè)差值，該差值相當(dāng)于匱乏壓力下的殘余應(yīng)變。因此，可建立解吸應(yīng)變曲線的精確擬合方程：</p><p>　　ε?=A?B

27、?p/(1+B?p)+C (3)</p><p>　　式中：ε?為p壓力下的殘余體應(yīng)變，10-3；A?為在參考壓力下的極限解吸體應(yīng)變，10-3；B?為煤的解吸應(yīng)變平衡常數(shù)，MPa-1；C為匱乏壓力下的殘余體應(yīng)變，10-3。</p><p>　　采用該方程對解吸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新擬合，擬合精度顯著提高，見表2。</p><p>　　

28、表2 解吸應(yīng)變曲線擬合參數(shù)</p><p>　　同時(shí)，分析圖4發(fā)現(xiàn)，各煤樣吸附、解吸等溫線基本重合，擬合參數(shù)差異較小，即試驗(yàn)所用煤樣吸附—解吸具有較好的可逆性；而吸附應(yīng)變曲線和解吸應(yīng)變曲線差異明顯，擬合參數(shù)相差較大，具有明顯的不可逆性。</p><p><b>　　4 討論</b></p><p>　　由于煤體本身的結(jié)構(gòu)特征，瓦斯吸附膨脹變

29、形不僅受吸附瓦斯控制，而且游離態(tài)瓦斯對其也有較大的影響。煤樣體應(yīng)變與吸附量之間的關(guān)系曲線如圖5所示。</p><p>　　圖5 煤樣體應(yīng)變與吸附量的關(guān)系曲線</p><p>　　煤體多孔介質(zhì)吸附氣體分子后會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，隨著煤樣吸附瓦斯量的增加，煤基質(zhì)的膨脹逐漸增大，因而體應(yīng)變增加。而降壓條件下，煤樣解吸瓦斯氣體會(huì)產(chǎn)生收縮變形，隨著煤樣解吸瓦斯量的增加，煤基質(zhì)的收縮變形量越來越大，因而體

30、應(yīng)變減小。</p><p>　　如圖5所示，在升壓過程中，煤樣體應(yīng)變與瓦斯吸附量之間的關(guān)系曲線呈開始變化緩慢，隨著瓦斯吸附量的增多，體應(yīng)變呈加速增長趨勢，呈明顯的非線性關(guān)系。</p><p>　　由式(1)可推導(dǎo)出體應(yīng)變與吸附量的關(guān)系式：</p><p>　　p= q/(ab-bq) (4)</p>

31、<p>　　將式(4)代入式(2)即可得到含各Langmuir參數(shù)，且以瓦斯吸附量為自變量、體應(yīng)變?yōu)樽兞康捏w應(yīng)變與吸附量關(guān)系式：</p><p>　　ε=ABq/(ab-bq+Bq) (5)</p><p>　　式(5)可進(jìn)一步表示為：</p><p>　　ε=q/(m+nq)

32、 (6)</p><p>　　式中：m=ab/AB；n=1/A-b/AB。</p><p>　　同理，可得到降壓解吸過程中，煤樣體應(yīng)變與吸附量關(guān)系式：</p><p>　　ε?=q/(x+yq)+C? (7)</p><p>　　式中：x=ab/A?B?；y=1/A?-b/A?B

33、?。</p><p>　　分別采用式(6)和式(7)對圖5中體應(yīng)變與吸附量關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合精度達(dá)到0.995以上，見表3。</p><p>　　表3 體應(yīng)變與吸附量關(guān)系曲線擬合參數(shù)</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　1) 軟分層的等溫吸附曲線、等溫解吸曲線和等溫吸附應(yīng)變曲線均服從

34、朗格繆爾方程；等溫解吸應(yīng)變曲線符合ε?=A?B?p/(1+B?p)+C?方程。</p><p>　　2) 軟分層吸附—解吸過程可逆，而吸附—解吸變形不可逆。</p><p>　　3) 等溫吸附過程中，體應(yīng)變與吸附量的關(guān)系符合ε=q/(m+nq)方程；等溫解吸過程中，體應(yīng)變與解吸量的關(guān)系符合ε?=q/(x+yq)+C?方程。</p><p>　　4) 試驗(yàn)結(jié)果表明，自

35、行研制的測試裝置具有良好的測試效果，適用于0~10 MPa瓦斯壓力條件下吸附—解吸量與應(yīng)變量的同步測試。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]馬東民.煤層氣吸附解吸機(jī)理研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2008．</p><p>　　[2]馮艷艷，儲(chǔ)偉，孫文晶.儲(chǔ)層溫度下甲烷的吸附特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，201

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