轴向荷载作用下煤岩吸附瓦斯特性试验研究.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 轴向荷载作用下煤岩吸附瓦斯特性试验研究 郝 耐１ꎬ涂 辉２ꎬ毛灵涛１ꎬ３ꎬ李 敏４ １􀆱 中国矿业大学北京 力学与建筑工程学院ꎬ北京 １０００８３ꎻ２.煤炭开采国家工程技术研究院瓦斯研究室ꎬ安徽 淮南 ２３２００１ꎻ ３.中国矿业大学北京 煤炭资源与安全开采国家重点试验室ꎬ北京 １０００８３ꎻ４.山西潞安矿业集团有限责任公司 通风处ꎬ山西 长治 ０４６２０４ 摘 要为了揭示应力、气体吸附共同作用下煤岩的结构变化规律ꎬ对不同轴向载荷、不同瓦斯压力条 件下的煤样进行 ＣＴ 扫描ꎬ基于 ＣＴ 图像定义了体素孔隙率 αꎬ分析了煤样体积应变、ＣＴ 图像灰度及孔 隙分布的变化规律ꎮ 结果表明体素孔隙率 α 可以反映应力、气体吸附共同作用下煤样内部不同尺 度孔隙结构的变化ꎻ０４０％时体素区域主要起着瓦 斯运移通道作用ꎻ瓦斯吸附首先发生在 ０α≤１０％的体素区域ꎬ随着轴压的增大ꎬ吸附逐渐对 １０％ α≤２０％的体素区域产生作用ꎻ应力比气体吸附对煤样孔隙结构的改变作用更为显著ꎮ 关键词煤岩吸附瓦斯ꎻ瓦斯压力ꎻＣＴ 试验ꎻ体素孔隙率 中图分类号ＴＤ７１２􀆱 ５１ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００４１－０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ａｄｓｏｒｂｅｄ Ｇａｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ Ｕｎｄｅｒ Ａｘｉａｌ Ｌｏａｄ Ｒｏｌｅ ＨＡＯ Ｎａｉ１ꎬＴＵ Ｈｕｉ２ꎬＭＡＯ Ｌｉｎｇ￣ｔａｏ２ꎬＬＩ Ｍｉｎ４ １.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｇａｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＯｆｆｉｃｅꎬＮａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏａｌ ＭｉｎｉｎｇꎬＨｕａｉｎａｎ ２３２００１ꎬＣｈｉｎａꎻ ３.Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ ＭｉｎｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬＣｈｉｎａꎻ ４.Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ＤｉｖｉｓｉｏｎꎬＳｈａｎｘｉ Ｌｕ̓ａｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＬｉｍｉｔｅｄꎬＣｈａｎｇｚｈｉ ０４６２０４ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｇａｓ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎꎬａ ＣＴ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｘｉａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ.Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＣＴ ｉｍａｇｅｓꎬ ｔｈｅ ｖｏｘｅｌ ｐｏｒｏｓｉｔｙ α ｗａｓ ｄｅｆｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅｓꎬＣＴ ｉｍａｇｅ ｇｒｅｙ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｐｏｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗ ｗｅｒｅ ａｎ￣ ａｌｙｚｅｄ.ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｘｅｌ ｐｏｒｏｓｉｔｙ α ｃｏｕｌｄ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅ ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｇａｓ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ.Ｗｈｅｎ ０４０％ꎬｔｈｅ ｖｏｘｅｌ ｒｅｇｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｍａｉｎｌｙ ｐｌａｙ ａ ｒｏｌｅ ｏｆ ｇａｓ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ.Ｇａｓ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｆｉｒｓｔｌｙ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅ ０α ≤１０％ ｖｏｘｅｌ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｐｌａｙ ａ ｒｏｌｅ ｔｏ ｔｈｅ １０％４５％、４０％α≤４５％、３０％α≤４０％、 ２０％α≤３０％、１０％α≤２０％、０ ４５％、４０％α≤４５％的体素数量变化趋势基本相似ꎬ ３０％α≤４０％、２０％ ４０％、２０％α≤４０％、１０％α≤２０％、０α≤１０％ꎬ而 α≤０ 对应的是高密度物质ꎬ如三水铝石、勃姆石、黏 土矿物等煤中矿物质成分ꎬ０α１ 对应的是孔隙与 煤基质或矿物质的混合物ꎮ 初始状态煤样 ＤＴ２－１、ＤＴ２－２、ＤＴ２－３ 的不同体 素孔隙率范围的体素分布情况见表 ２ꎮ 总体而言ꎬ３ 个煤样中ꎬ体素孔隙率为 １０％４００􀆱 １１０􀆱 ０３０􀆱 ０８ ２０α≤４０１１􀆱 ９４５􀆱 ９０２３􀆱 ９６ １０α≤２０３９􀆱 ０５２３􀆱 ８０４５􀆱 ６０ ０α≤１０３３􀆱 ４０２５􀆱 ９０２３􀆱 ６０ α≤０１５􀆱 ５０４４􀆱 ３０６􀆱 ７０ ２体素百分比变化量ꎮ 针对各状态前后ꎬ统计 不同体素孔隙率的体素百分比变化量ꎬ结果如图 ２ 所示ꎮ 每个过程中不同体素孔隙率的体素分布均存 在明显变化ꎬ表明由于瓦斯气体作用ꎬ煤样内部孔隙 结构或分布发生较大变化ꎬ不同体素孔隙率的体素 之间存在相互转化ꎮ 整体来看ꎬ变化主要集中在 ２０％α≤４０％、１０％ ４０％的体素所处区域主要为瓦斯吸附的通道ꎬα≤ ４０％的体素所处区域为吸附的主要发生区域ꎮ 图 ２ 煤样体素百分比变化量 对比 ＤＴ２－１ꎬＤＴ２－２ꎬＤＴ２－３ 煤样来看ꎬ不同轴 压加载后ꎬ气体围压为 ０􀆱 ８ ＭＰａ 时ꎬＤＴ２－１、ＤＴ２－２ 煤样表现为大体素孔隙率的体素转化为小体素孔隙 率的体素ꎬＤＴ２－３ 煤样表现为小体素孔隙率的体素 转化为大体素孔隙率的体素ꎮ 对于 ２０％ α ≤ ４０％、１０％ α ≤ ２０％的体素ꎬＤＴ２－１ 和 ＤＴ２－２ 煤 样的体素百分比都在减小ꎬ但是 ＤＴ２－１ 煤样的减小 幅度更大ꎬＤＴ２－３ 煤样表现为体素百分比增加ꎬ但 增加幅度不大ꎮ 在达到一定轴压后ꎬ对煤样孔隙结 构有一定破坏ꎬ瓦斯运移通道扩大ꎬ瓦斯能够更快进 入更小尺度类型的孔隙发生作用ꎬ表现为体素孔隙 率增大ꎬ即轴压作用使煤样的吸附速率增加ꎮ 气体围压为 １􀆱 ４ ＭＰａ 时ꎬ煤样试件均表现为大 体素孔隙率的体素增多ꎬ表明瓦斯进入更小孔隙ꎬ表 现为 ０ α ≤ １０％的体素分布减少ꎬ由于吸附瓦斯 对孔隙的张力作用而使之孔隙变大ꎬ即体素孔隙率 增大ꎮ 气体围压为 ２􀆱 ０ ＭＰａ 时ꎬＤＴ２－３ 煤样在 １０％ α≤２０％区域变化趋势逐渐与 ０α≤ １０％一致ꎬ表明 瓦斯逐渐扩展到 １０％α≤ ２０％的体素区域发生作 用ꎬ因此瓦斯吸附作用首先主要发生在 ０ α ≤ １０％的体素区域ꎬ逐步扩展到体素孔隙率更大的体 素区域发生作用ꎮ ４ 结 论 １体应变的统计结果和煤样灰度统计结果是 一致的ꎬ即在轴压、气体吸附共同作用下ꎬ煤样体积 应变增加ꎬ宏观表现为膨胀ꎬ而灰度均值减小ꎬ细观 上反映了煤样密度的减小ꎮ ２轴压、气体吸附作用都会改变煤样内部的孔 隙结构ꎬ而轴压的作用更为显著ꎬ增加了煤样内部的 孔隙连通从而促进了气体的吸附ꎬ体素孔隙率可以 较好地反映 ＣＴ 尺度下煤样内部孔隙结构的变化ꎮ ３不同体素孔隙率大小的体素在吸附过程中 的变化是不同的ꎬ体素孔隙率范围为 ０α≤１０％、 １０％４０％的体素分布变化较小ꎬ主要起着瓦斯 运移通道的作用ꎮ ４瓦斯吸附现象首先发生在 ０α≤１０％的体素 区域ꎬ随着轴压增大逐渐对 １０％α≤２０％的体素区 域产生作用ꎻ轴压越大ꎬ吸附作用对体素孔隙率处于 １０％α≤２０％的体素区域影响越明显ꎮ 参考文献 [１] Ｗｈｉｔｅ Ｃ ＭꎬＳｍｉｔｈ Ｄ ＨꎬＪｏｎｅｓ Ｋ Ｌꎬｅｔ ａｌ. Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ ｉｎ Ｃｏａｌ ｗｉｔｈ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ－Ａ Ｒｅ￣ ｖｉｅｗ[Ｊ].Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓꎬ２００５ꎬ１９３６５９－７２４. [２] Ｈｏｌｌｏｗａｙ Ｓ.Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ－Ａ Ｖｉａ￣ ｂｌｅ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｏｎ[Ｊ].Ｅｎｅｒｇｙꎬ２００５ꎬ３０１１/ １２２３１８－２３３３. [３] 尹光志ꎬ代高飞ꎬ皮文丽ꎬ等.单轴压缩荷载作用下煤岩损伤演 化规律的 ＣＴ 实验[Ｊ].重庆大学学报ꎬ２００３ꎬ２６６９６－９９. [４] 尹光志ꎬ黄 滚ꎬ代高飞ꎬ等.基于 ＣＴ 数的煤岩单轴压缩破坏 的分叉与混沌分析[Ｊ].岩土力学ꎬ２００６ꎬ２７９１４６５－１４７０. [５] 葛修润ꎬ任建喜ꎬ蒲毅彬ꎬ等.煤岩三轴细观损伤演化规律的 ＣＴ 动态试验[Ｊ].岩石力学和工程学报ꎬ１９９９ꎬ１８５４９７－５０２. 下转第 ４７ 页 ４４