煤體吸附—解吸瓦斯變形特征實驗研究

1、煤煤體體吸附吸附解吸瓦斯解吸瓦斯變形特征變形特征Experimental study on the characteristic of Experimental study on the characteristic of coal coal deformation deformation duringduring 實實 驗驗 研研 究究gas gas absorption absorption and and desorption process desorption process聶百勝聶百勝 煤炭學報煤炭學報 2015年年4期期樊世星樊世星2015年年12月月煤體煤體吸附吸附解吸瓦斯解吸

2、瓦斯變形變形特征實驗研特征實驗研 究究Experimental study on the Experimental study on the characteristic of coal deformation characteristic of coal deformation during during gas absorption and desorption processgas absorption and desorption processDeep thinkingDeep thinking煤的變形特征煤的變形特征瓦斯的吸附與解吸瓦斯的吸附與解吸 什么叫變形特征？哪什么叫變形特征

3、？哪幾幾個參數(shù)來表征煤體的變形特征？個參數(shù)來表征煤體的變形特征？ 煤體吸附瓦斯時的幾個參數(shù)的變化？煤體吸附瓦斯時的幾個參數(shù)的變化？ 煤煤體解吸瓦斯時的體解吸瓦斯時的幾幾個參數(shù)的變化個參數(shù)的變化？ 關鍵詞應該是？關鍵詞應該是？ 本文本文至少至少應該有幾應該有幾個結論個結論？每個結論應該敘述哪幾方面的內(nèi)容？每個結論應該敘述哪幾方面的內(nèi)容？在煤層瓦斯抽放過程中，煤體瓦斯處于吸附解吸狀態(tài)，煤體發(fā)生膨脹和收縮。利用自主設計的煤體變形實驗裝置，分析了杜兒坪煤礦原煤在不同方式下吸附解吸全過程中變形特征。實驗結果表明：煤體變形量隨著瓦斯壓力的增加而增大，垂直層理方向變形量大于平行層理方向變形量；煤體在一次加壓

4、吸附實驗中分為變形下降階段、變形快速上升階段和變形平穩(wěn)上升至穩(wěn)定階段3個階段；等梯度加壓吸附降壓解吸過程中，0-0.5MPa階段變形量最大；等梯度加壓吸附煤體變形量大于一次加到目標壓力值的吸附煤體變形量，且等梯度解吸煤體殘余變形量較大；煤體吸附解吸變形可分為充氣下降階段、吸附快速上升階段、吸附變形平穩(wěn)上升至平穩(wěn)階段。摘要摘要引言分析（引言分析（Introduction analysis)Introduction analysis)大概是三種觀點：1、吸附瓦斯膨脹變形機制2、范德華力減弱3、瓦斯氣體產(chǎn)生自由體積變形特征對滲流的影響變形特征對滲流的影響瓦斯與變形的關系瓦斯與變形的關系1.實驗系統(tǒng)及

5、實驗方法實驗系統(tǒng)及實驗方法1 1、真空系統(tǒng)、真空系統(tǒng)2 2、瓦斯供氣系統(tǒng)、瓦斯供氣系統(tǒng)3 3、吸附解吸系統(tǒng)、吸附解吸系統(tǒng)4 4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.1 1.1 實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)煤體煤體吸附解吸吸附解吸變形實驗變形實驗系統(tǒng)系統(tǒng)1.2 1.2 煤樣制備煤樣制備煤樣的基本參數(shù)煤樣的基本參數(shù)本實驗煤樣取自西山煤電杜兒坪煤礦，采用煤巖鉆孔機在煤塊鉆取50mm100mm的標準圓柱形試樣。在進行實驗前，用酒精將煤樣表面擦拭干凈，用膠水在煤樣表面沿平行層理和垂直層理方向各粘貼應變片。粘貼應變片的煤樣粘貼應變片的煤樣1.3 1.3 實驗方法實驗方法實驗方法實驗方法要點：每次吸附要點：每次吸附飽和后進行

6、加壓飽和后進行加壓p 在進行實驗前，應檢驗系統(tǒng)的氣密性，通過向系統(tǒng)中沖入3MPa壓力的氦氣，保持 12 h 后查看壓力表，若壓力表無變化則證明系統(tǒng)氣密性良好；p 檢驗氣密性后將甲烷氣體接入實驗系統(tǒng)，打開真空泵對系統(tǒng)進行真空脫氣，當系統(tǒng)壓力降至 0. 06 MPa 后持續(xù)抽真空 4 h 后關閉真空泵；p 開啟應變采集儀、設置好各項參數(shù)，打開甲烷氣體的控制閥和減壓閥，按照表 2 的方法通入氣體， 記錄各壓力點下的變形量。實驗實驗步驟步驟實驗注意：實驗注意：在在本次實驗中，數(shù)據(jù)采集采用本次實驗中，數(shù)據(jù)采集采用吸附解吸吸附解吸全全過程連續(xù)過程連續(xù)采集的方式，采集的方式，即以吸附的最終應變?yōu)榻馕募匆晕?/p>

7、附的最終應變?yōu)榻馕某跏紤兂跏紤兞?，而不是將吸附和解吸分成獨立的兩量，而不是將吸附和解吸分成獨立的兩個部分個部分從應變從應變量量為為0 0 開始的開始的。2.實驗結果分析實驗結果分析2.1 2.1 一一次加至目標壓力煤體次加至目標壓力煤體吸附解吸吸附解吸變形規(guī)律變形規(guī)律 垂直層理方向的變形大于平行層理方向的垂直層理方向的變形大于平行層理方向的變形量變形量，隨著瓦斯壓力的，隨著瓦斯壓力的增大，兩者增大，兩者之間之間的差值的差值增大，但兩者增大，但兩者的變化趨勢是一致的變化趨勢是一致的；的； 瓦斯瓦斯壓力越大壓力越大，煤體變形量，煤體變形量也越也越大，大，這這是由于隨著瓦斯壓力的增大是由于隨著

8、瓦斯壓力的增大，更多的，更多的瓦斯氣瓦斯氣體進入煤體裂隙孔隙中體進入煤體裂隙孔隙中，被，被煤體吸附煤體吸附，因此產(chǎn)生，因此產(chǎn)生的變形量也就越的變形量也就越大。大。( (對現(xiàn)象的解釋對現(xiàn)象的解釋) ) 煤體吸附膨脹變形量隨時間的增加不斷增加，但增加速率逐漸減小，最終接近一個煤體吸附膨脹變形量隨時間的增加不斷增加，但增加速率逐漸減小，最終接近一個穩(wěn)定的值穩(wěn)定的值。一一次加壓吸附瓦斯煤體膨脹變形次加壓吸附瓦斯煤體膨脹變形曲曲線線煤體吸附膨脹變形可以分為煤體吸附膨脹變形可以分為 3 3 個階段：個階段：1 1、變形、變形下降下降階段階段 2 2、變形、變形快速上升快速上升階段階段 3 3、變形、變形平

9、緩上升至穩(wěn)定平緩上升至穩(wěn)定階段階段變形下降變形快速上升變形平緩上升一次降壓煤體解吸瓦斯變形一次降壓煤體解吸瓦斯變形曲線曲線p 在不同的解吸瓦斯壓力下在不同的解吸瓦斯壓力下，垂直，垂直層理層理的變形的變形與平行層理的變形同樣表現(xiàn)出相同與平行層理的變形同樣表現(xiàn)出相同的趨勢，且的趨勢，且垂直垂直層理方向變形量大層理方向變形量大。p 隨著隨著解吸的解吸的進行，煤進行，煤體內(nèi)外體內(nèi)外瓦斯瓦斯壓力梯度逐漸減小壓力梯度逐漸減小，吸附，吸附態(tài)瓦斯從煤中孔隙態(tài)瓦斯從煤中孔隙、裂隙中裂隙中解吸，煤體發(fā)生收縮，出現(xiàn)了解吸，煤體發(fā)生收縮，出現(xiàn)了快速下降階段快速下降階段、平緩下降平緩下降階段階段和和平穩(wěn)階段平穩(wěn)階段。p

10、 由于由于本實驗降壓放氣速度較慢本實驗降壓放氣速度較慢，致使，致使降壓初始煤體的變形量不明顯。降壓初始煤體的變形量不明顯。2.2 2.2 等等梯度加壓梯度加壓吸附降壓吸附降壓解吸煤體變形解吸煤體變形規(guī)律規(guī)律p 從圖5可以看出，無論吸附還是解吸，垂直層理方向的變形量總是大于平行層理方向的變形值。p 在壓力改變的每一個階段，變形速率都是快速增加，然后進入平穩(wěn)增加最后穩(wěn)定階段。而且在吸附變形階段，每個壓力梯度內(nèi)煤體變形量逐漸減小，煤體在 00.5MPa壓力階段變形量最大。p 在降壓解吸變形階段，每個壓力梯度內(nèi)煤體變形量逐漸增大，在0.5MPa0階段變形量最大，說明在此階段瓦斯壓力差和瓦斯?jié)舛炔钭兓?/p>

11、大。等梯度加壓吸附等梯度加壓吸附 降壓解吸變形降壓解吸變形曲線曲線同時從圖5可以看出，煤體解吸變形量小于煤體吸附變形量。2.3不同加壓方式對煤體吸附變形量影響 在達到相同目標壓力值時：在達到相同目標壓力值時： 等等梯度加壓吸附條件梯度加壓吸附條件下其下其累積累積變形量變形量 大于大于 一一次加壓吸附的次加壓吸附的變形量變形量； 瓦斯瓦斯壓力越壓力越大，大，2 2種加壓種加壓吸附方式下煤體變形量差越吸附方式下煤體變形量差越大；大； 垂直垂直層理層理方向變形量方向變形量始終大于平行層理變形量始終大于平行層理變形量。解釋原因解釋原因：這：這可以說明在可以說明在等等梯度加壓過程中梯度加壓過程中，煤，煤

12、體受到的瓦斯作用力更均體受到的瓦斯作用力更均勻勻，且會，且會產(chǎn)生更多的破壞裂隙產(chǎn)生更多的破壞裂隙，為，為吸附瓦斯提供了空間吸附瓦斯提供了空間，且每個，且每個階段瓦斯階段瓦斯能充分吸附，使煤體發(fā)生變形能充分吸附，使煤體發(fā)生變形。不同加壓吸附方式煤體變形量不同加壓吸附方式煤體變形量對比對比2.3 2.3 煤煤體體吸附解吸吸附解吸全過程變形全過程變形曲線曲線充氣下降段(AB段)吸附快速上升段(BC段)吸附平緩上升至穩(wěn)定段(CD段)解吸快速下降段(DE段)解吸平緩下降至穩(wěn)定段(EF段)從圖7可以看出： 煤體在經(jīng)過解吸后看，其變形量并不為0，說明煤體瓦斯解吸之后，煤體并沒恢復到吸附瓦斯前的狀態(tài)，即煤體解

13、吸收縮變形量小于吸附瓦斯膨脹變形量，煤體存在殘余變形情況。(這是由于在瓦斯解吸時，瓦斯壓力突然降低，煤體內(nèi)部的孔隙、裂隙閉合，煤體內(nèi)部瓦斯無法向外運移，一部分瓦斯氣體殘留在煤體內(nèi)部，使煤體產(chǎn)生殘余變形）從圖35可以看出，無論一次加壓吸附降壓解吸方式或等梯度加壓吸附降壓解吸方式，煤體都存在殘余變形情況，但不同方式殘余變形量不同。從圖4和圖5可以看出，從1MPa0和2MPa0階段相同目標壓力階段內(nèi)，等梯度降壓解吸變形量較一次降壓解吸方式煤體變形量小，說明等梯度降壓解吸時煤體殘余變形量較大3.討討 論論邏輯順序：邏輯順序：1、為什么表現(xiàn)為膨脹變形、為什么表現(xiàn)為膨脹變形2、影響膨脹變形的變量、影響膨脹變形的變量?3、卸載后為什么有、卸載后為什么有殘余變形殘余變形延伸延伸推論推論 ：1、影響因素的多樣性、影響因素的多樣性 (煤質(zhì)、氣體吸附性、煤體強度、孔隙率煤質(zhì)、氣體吸附性、煤體強度、孔隙率)2、吸附性的推論、吸附性的推論3、煤體強度的煤體強度的推論推論4.結結 論論 1在煤體吸附解吸變形過程中，瓦斯壓力越大，其變形量越大，垂直層理方向變形與平行層理變形趨勢相同，但垂直層理變形量較大，與吸附解吸方式無關。 一次加壓吸附變形實驗中，可分為3個階段:變形下降階段、變形快速上升階段和變形平穩(wěn)上升至平穩(wěn)階段，且變形