受载含瓦斯原煤解吸规律实验研究_贾彦楠.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000 摘要依托自行研友的含瓦斯煤热－流固－力相合吸附／解吸实验系统，测定了不同围压和孔隙压力 组合条件下，煤样加载破坏过程中不同加载阶段的瓦斯解吸量，并对实验数据进行了拟合，分析 了轴压、围压和孔隙压力对含瓦斯原煤解吸规律的影响。结果表明在煤样整个加载破坏过程中， 受载原煤瓦斯解吸量呈现先减小后增加的“V”型变化趋势，且最小出现在屈服强度阶段，最大出现 在脆性破坏阶段；受载原煤瓦斯解吸量随固压的增大而减小，随吸附平衡压力的增大而增大。 关键词受载；含瓦斯原煤；瓦斯解吸规律 中图分类号P618.13;TD712 文献标识码ADOI 10.3969/j .issn.l001-1986.2014.04.005 Experiment of the desorption law of loaded gas-filled raw coal 1,2 JIA Yannan , WEN Zhihui , YAO Banghua 1. ChinαCoal Handan Design Engineering Co., Ltd, Handan 056031 , China; 2. College of S.旷etyScience and Engineering, Henan Polytechnic Uniνersity, Jiaozuo 454000, China Abstract In order to study the desorption law of loaded gas-tilled raw coal, relying on own developed gastilled coal heat-flow-solid-mechanical coupled adsorption-desorption experiment system, experiment determined the gas desorption quantity of different loading stage under different confining pressure and pore pressure、the experimental data were titted, the influence of axial compression, confining pressure and pore pressure on gas desorption of raw coal was analyzed The results showed that the gas desorption quantity decreases and then increases with the increase of axial compression, showing a“V”shaped variation, the minimum appeared in the stage of yield strength, maximum in brittle failure stage; the gas desorption decreases with the increase of confining pressure, with the increase of adsorption equilibrium pressure, gas desorption quantity increase as a quadratic function. Key words loaded; gas filled raw coal; gas desorption law 煤的瓦斯解吸规律可以反映煤与瓦斯突出危险 性，指导煤层气开采，是防治煤与瓦斯突出和煤层气 开采的重要理论基础。在含瓦斯煤解吸规律研究方面， 国内外众多科研机构和学者依据解吸量与时间的关系 提出了一系列瓦斯解吸规律经验公式［1-2］。同时，周世 宁、杨其盔、王兆丰、陈昌国等在瓦斯解吸规律的影 响因素、瓦斯解吸模型和瓦斯解吸机理方面也做了大 量的实验和理论研究［3-11］。但以上研究存在两点不足 一是大多数研究以机械破坏筛分后的颗粒煤为实验煤 样，而颗粒煤在机械破坏筛分后，其原始孔隙、裂隙 结构已遭到破坏，煤体吸附容积和瓦斯运移通道也发 生了较大变化，而煤体吸附容积和瓦斯运移通道是影 响煤体瓦斯吸附、解吸、运移的重要因素，因此颗粒 收稿日期2013-04-15 煤与原煤的瓦斯解吸规律是有差别的；二是以往研究 较少考虑应力场对含瓦斯煤解吸规律的影响，由于实 际煤储层尤其深部煤层中的煤体和瓦斯都处于高应力 状态，如果含瓦斯煤的解吸规律研究过程中不考虑应 力影响，其结果与实际情况可能会有较大的偏差。因 此，本文依托自行研发的含瓦斯煤热－流固－力捐合吸 附／解吸实验系统，通过实验模拟高地应力和高瓦斯压 力的煤储层条件，进行受载含瓦斯原煤的解吸规律的 实验研究。 1 实验设计 1.1 实验系统 实验采用自主研制的含瓦斯煤热一流一固－力搞合 基金项目河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地开放课题（WS2012807 作者简介贾彦楠（1987一），男，河北承德人，硕士，助理工程师，从事矿井通风、瓦斯治理和矿井设计工作－ ChaoXing 22 煤田地质与勘探第42卷 实验系统。该系统主要由加载系统、兰轴压力室、孔 隙压力控制系统、温度控制系主育和数据采集监控系统 组成（图I）。加载系统由轴压;fi;[和罔j主泵分别提供轴 压和围压；孔隙压力控制系统由瓦斯瓶、减压阀、缓 冲罐和管路组成，瓦斯瓶供给纯度为99.9的C比， 减压阀调节进气口气体压力；温度控制由一个大型特 制的精密恒温水箱实现；数据采集监控系统由应力采 集系统、位移采集系统、气体质量流量计和应变采集 测试设备组成。实验全过程均在试验操作台上进行， 由计算机及控制程序控制，确保实验数据准确可靠。 6 I 7 I 液ff缸，2应）J传感器；3一「庇头；4一煤样；5一下压头； 6 轴ffiJU载系统，7用ffi-Jm裁系统，8-t亘ili系统， 9-JOL }J采集系统；IO高月＇气源 图l实验系统结构示意图 Fig. I Structure of the experimental system 1.2 煤样采集与制备 实验煤样均取焦煤集团赵国二矿二l煤层。将蜡 封取样的原煤使用φ50mm100 mm岩心管钻取实 验煤样，并用切割机将上下端面打磨光滑（平滑度不 大于002）、平行．以保证加载时上下端面受力均 匀。为了尽量避免试件内部结构差异和加工误差对实 验结果造成较大影响，对由同一大煤块加工成的试件 采用统计分类和表面裂纹的拍照观测方法，筛选出完 整、密实、无明显裂隙的作为实验试件（图2）。 在 IAhaaE 晴到 噩 噩 翩疆 因2原煤煤样 Fig.2 Raw coal samples 1.3 实验方案 进行恒定瘟度（30℃）条件下，不同围压（2MPa、 3 MPa、4MPa）、不同孔隙压力（0.6MPa、0.9MPa、 1.2 MPa、1.5MPa）和不同轴压（煤样轴向加载破坏全 过程）组合条件下的含瓦斯原煤吸附解吸实验。主要 研究加载过程中含瓦斯原煤解吸规律。 1.4 实验步骤 a.实验前准备。为排除水分对实验结果的影响， 将实验煤样放入高温马弗炉里恒温干燥12h，冷却煤 样后称重记录，之后对煤样进行贴应变片处理，之后 将其装入三轴压力室内，连接好整个系统后检查实验 系统气密性，检查完成后将三轴压力室和孔隙压力控 制系统的缓冲罐放入恒温水箱中，以保证煤样及充人 的CH4气体温度恒定（30℃）。 b.真空脱气。为排除煤样和系统中杂质气体对 实验结果造成影响，用真空泵对整个实验系统脱气， 使实验系统真空度达到实验要求，如果关闭真空泵 后，系统真空度在2h内一直保持稳定，即完成真空 脱气。 c.瓦斯吸附。打开注气系统，充入99.9浓度 的CH4气体到缓冲罐，恒温后对三轴压力室充入预 定孔隙压力。为达到充分吸附应保证吸附时间不低 于24h。 d.瓦斯解吸。煤样吸附平衡后，关闭进气阀， 打开出气阀，利用排水法测定解吸量。每个加载阶段 解吸完成后，增加轴向应力，重复c、d过程，直至 煤样发生脆性破坏，试验结束。 e.整理和分析数据。 2 实验结果分析 2.1 轴压对含瓦斯原煤解吸规律的影晌 图3a是固定围压3MPa时，不同吸附平衡压力 条件下lh瓦斯解吸累积量随轴压的变化曲线。图3b 是固定吸附平衡压力0.9MPa时，不同围压条件下l h瓦斯解吸累积量随轴压的变化曲线。 由图3可看出，轴压对含瓦斯原煤解吸规律的影 响如下 a.同时固定固压和吸附平衡压力条件下，煤样 在不同轴压情况下的瓦斯解吸累积量各不相同。图 3a中，围压3MPa一吸附平衡压力0.6MPa条件下， 煤样加载破坏过程中（图中为8个轴压条件）, I h瓦 斯解吸累积量的增长率是18、－7、一7、9、 36、26、123；图3b中，围压4MPa一吸附平衡 压力0.9MPa条件下，煤样加载破坏过程中（图中为8 个轴压条件） I h瓦斯解吸累积量的增长率是17、 一7、－2、l0、29、30、147。由 ChaoXing 第4期贾彦楠等受载含瓦斯原煤解吸规律实验研究 23 0041－－－＋－吸附平衡，，二力0.6MPa－吸附平衡）－（二）10.9MPa -g 3 L－－.－吸附平衡J-1二力l.2MPa－吸附平衡1-UJl.5MPa 扫 E五2 EllE 辛苦I 5甚－ 2 O O 5 IO 15 20 25 30 35 40 45 50元 轴ff/MPa a alff为3.0MPa 俨4 _j I ＋削1,2MPa －固压3MPa十刷刷MPa .s 3 I 1耳 罢2 I, id\ -0 5 IO 15 20 25 30 35 40 45 50 55 轴向JirjJ/MPa b）吸附平衡＆）J为0.9MPa 图3瓦斯解吸量随轴压变化曲线 Fig.3 Variation of gas desorption with axial compression 此可看出，在整个加载过程中，瓦斯解吸累积量呈现 先减小后增加的“V”型变化趋势。 b.固定围压条件下，煤样加载过程中不同轴压 情况下的瓦斯解吸累积量随吸附平衡压力的增大而 增大；固定吸附平衡压力条件下，煤样加载过程中 不同轴压情况下的瓦斯解吸累积量随围压的增大而 减小。 根据已有的研究成果［12-1匀，煤单轴压缩应力应 变曲线呈现密实阶段、弹性变形阶段、屈服强度阶段、 峰值强度（脆性破坏）阶段和残余强度阶段5个阶段。 a.在密实阶段，煤体中的大量原生孔隙和裂隙在轴 向压应力作用下被压密压实，随着应力的增加，煤样 的吸附容积减小，瓦斯流动通道变窄，因而该阶段在 解吸过程中表现为瓦斯解吸累积量减小；b.在弹性 变形阶段，随着应力的继续增加，试件原有的裂隙和 孔隙在较大的压应力作用下继续闭合，煤样的吸附容 积继续减小，瓦斯流动通道变得更窄甚至闭合，因而 该阶段在解吸过程中表现为瓦斯解吸累积量持续减 小；c.在屈服强度阶段，当轴向载荷不断增加达到 超过煤样屈服强度，煤样就会开始出现损伤，煤样内 部开始产生新的孔隙和裂隙，此阶段煤样的吸附容积 减小到最小后会有所增加，产生新的瓦斯流动通道， 因此该阶段在解吸过程中表现为瓦斯解吸累积量减 小到最小后会有所增加；d.在峰值强度阶段，轴向 应力继续增加达到峰值强度，煤样内部损伤不断快速 发展，煤样内部新的裂隙也不断产生，煤样出现明显 地变形，局部会变粗，会产生较为明显的裂隙，产生 更多新的吸附容积和瓦斯流动通道，因此该阶段在解 吸过程中表现为瓦斯解吸累积量的急剧增加；e.在 残余强度阶段，煤样在发生脆性破坏后虽然产生了较 大破损，但仍具有一定的残余强度。 2.2 围压对含瓦斯原煤解眼规律的影响 图4a是在同定轴压47MPa时，不同吸附平衡压 力下lh瓦斯解吸累积量随围压的变化曲线；图4b 是在固定吸附平衡压力0.9MPa时，不同轴压（仅列 举4个轴压）条件下lh瓦斯解吸累积量随围压的变化 曲线。 二、1，－＋－吸附平衡JUJ06MPa干吸HH出i.flf;.J0.9 MPa ““ - 1 .......吸附平衡JI二力1.2M Pa -11,rn,）半衡｝ti.}J1.5 MPa ...J ε2 1司 量l 5甚n 甚至vi 再 运兰兰 2 3 -l 5 ｜主II一i二／MP1 a）柑tJT;147 MPa f3 r ＝扭住；3ia士都i；另阳（附破坏） ii 2 二二二二二→ 路｜ * I t飞飞飞 器I「E二二三主＝～～～ 思主| －－－＝＝＝唱 畏。l 同I 2 3 /r,JJti/MPa b）吸附平衡Jf.J为0.9MPa 图4瓦斯解吸量随罔斥变化曲线 Fig.4 Variation of gas desorption with confining pressure 由图4可看出，围压对含瓦斯原煤解吸规律的影 响如下 a.在固定轴压和吸附平衡压力条件下，煤样在 不同围压情况下的瓦斯解吸累积量各不相同，任意轴 压和吸附平衡压力组合条件下的煤样瓦斯解吸累积 量都随围压的增大而减小。 b.固定轴压条件下，煤样在不同吸附平衡压力 情况下的瓦斯解吸累积量随围压的增大而减小；固定 吸附平衡压力的条件下，煤样加载过程中不同轴压情 况下的瓦斯解吸累积量随围压的增大而减小。 关于围压对煤体内瓦斯流动和煤体力学性质的 影响，李小双等［14）和王吉渊［15］研究表明，围压通过 侧向压缩煤体侧壁，引起其内部结构变化而阻碍其内 部的瓦斯流动，煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰 值应变均随着围压的增加呈线性单调增加。 由此可以得到，围压的增大，一方面可迫使煤体 内部孔隙裂隙被压实压密，孔隙间连通结构被破坏甚 至阻断；另一方面，围压增大也提高了煤体的屈服强 度和峰值强度，不利于新的孔隙裂隙的产生和发展。 对于含瓦斯煤解吸过程，围压的增大，不仅减小了煤 体的吸附容积，也对瓦斯气体的解吸运移通道产生了 ChaoXing 24 煤田地质与勘探第42卷 阻碍作用，同时不利于新通道的产生。于是，在实验 中就会出现随着围压的增大．瓦斯解吸量会随之减小 的现象。 2.3 孔隙压力对含瓦斯原煤解吸规律的影晌 图Sa为固定轴压47MPa时不同围压条件下lh 瓦斯解吸累积量随吸附平衡压力的变化曲线；图 Sb为固定围压3MPa时不同轴压（仅列举4个轴压） 条件下lh瓦斯解吸累积量随吸附平衡压力的变化 曲线。 4 OD 甘3 罢2 主l S主 0 0 →－作IJ长2MPa -I主ff3 MPa咱－f在｜压4MPa AU －－ d叫4 1 （－ h－JE） ＼拥延到去注 0.6 0.9 1.2 吸附乎衡cfrJJ IMPa {a）轴H为47MPa ＋轴IiiI MPa ＋轨压16MPa →－如ti ll33 MPa一－柑llli51 MPa 0.3 1.5 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 q民附斗L衡压力IMP b lr,illi 3.0 MPa 图5瓦斯解吸量随吸附平衡压力变化曲线 Fig.5 Variation of gas desorption with adsorption equilibrium pressure 由图5可看出吸附平衡压力对含瓦斯原煤解吸 规律的影响如下 a.在同时固定轴压和围压条件下，煤样在不同 吸附平衡压力下的瓦斯解吸累积量各不相同，任意轴 压和围压条件下的瓦斯解吸累积量都随吸附平衡压 力的增大而增大。 b.固定轴压情况下，任意围压下的瓦斯解吸累 积量随吸附平衡压力的增大而增大。在轴压与围压3 种不同组合下，吸附平衡压力从0.6MPa逐渐增至 1.5 MPa，其间的4个等级的瓦斯压力的平均瓦斯解 吸累积量依次为0.87mL/g、l.l9mL/g、1.44mL/g、 1.6 mL饵，平均瓦斯解吸累积量增长率为37、21、 11。因此可以看出，在固定轴压情况下，瓦斯解吸 累积量随着吸附平衡压力的增大而增大，但增大量有 减小趋势。 c.固定围压情况下，任意轴压下的瓦斯解吸累 积量随吸附平衡压力的增大而增大。在轴压与围压4 种不同组合下，吸附平衡压力从0.6MPa逐渐增至 l.5MPa，其间的4个等级的瓦斯压力的平均瓦斯解 吸量依次为0.76mL/g、1.08mL/g、1.29mL/g、 1.46 mL/g，平均瓦斯解吸量增长率为43、20、 13。因此可以看出，在固定围压情况下，瓦斯解吸 累积量随着吸附平衡压力的增大而增大，但增大量有 减小趋势。 根据以上分析得出，瓦斯解吸累积量随着吸附平 衡压力的增大而增大，但瓦斯解吸积量量与吸附平衡 压力之间存在着非线性关系。通过对图5中7种条件 下的试验数据进行拟合分析，可得出不同轴压、围压 组合状态下的瓦斯解吸累积量与吸附平衡压力的关 系（表I）。 表1煤样实验数据拟合结果 Table 1 Fitting result of test data of coal samples 应力组合拟合方程相关系数 σ，47 MPa，的＝2MPaQ二0.598222.322 3PO.OOO 7 0.999 9 σ147 MPa，的＝3MPa Q二0.35242 l.520 BP0.00 I 5 0.999 8 11147 MPa，的＝4MPa Q二0.35242 l.276 9P0.002 9 0.999 5 σ11 MPa，的＝3MPa Q二0.3529P2 l.449 I P0.002 7 0.998 9 σ116 MPa，的＝3MPaQ二0.2368 21.124 BP0.008 2 0.997 I 11133 MPa，向＝3MPaQ二0. 17792.018 BP-0.007 2 0.997 7 的＝51MPa，的＝3MPa Q二0.928623.383 3P0.018 6 0.997 6 注．σl一轴压，σ3围压，Q－瓦斯解吸累积量；P吸附平 衡压力。 由表l可以看出，在轴压47MPa和围压3MPa 的7种应力组合状态下，受载含瓦斯煤解吸累积量 随吸附平衡压力的增加呈现出抛物线的关系增加， 相关度都在0.99以上，进一步揭示出受载含瓦斯煤 解吸累积量与吸附平衡压力的关系为二次多项式函 数关系 Q＝αp2＋βPy 式中α、β、y均为拟合系数。 3结论 依托含瓦斯煤热－流一固一力搞合吸附／解吸实验 系统，着重探讨了轴压、围压和孔隙压力对受载含瓦 斯煤解吸规律的影响，通过实验研究和理论分析，得 出以下结论 a.在煤样整个加载破坏过程中，受载原煤瓦斯 解吸量呈现先减小后增加的“V”型变化趋势，与煤单 轴压缩应力一应变曲线的5个阶段相对应，最小瓦斯 解吸量一般出现在屈服强度阶段，瓦斯解吸量最大则 出现在煤样脆性破坏阶段。 b.受载原煤瓦斯解吸累积量随着围压的增大而 减小。 （下转第30页） ChaoXing 30 煤田地质与勘探第42卷 工业，2004,247 15- l 8. 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