煤體吸附—解吸瓦斯變形特征實(shí)驗(yàn)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(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 研研 究究gas gas absorption absorption and and desorption process desorption process聶百勝聶百勝 煤炭學(xué)報(bào)煤炭學(xué)報(bào) 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(shí)驗(yàn)研特征實(shí)驗(yàn)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(gè)參數(shù)來表征煤體的變形特征？個(gè)參數(shù)來表征煤體的變形特征？ 煤體吸附瓦斯時(shí)的幾個(gè)參數(shù)的變化？煤體吸附瓦斯時(shí)的幾個(gè)參數(shù)的變化？ 煤煤體解吸瓦斯時(shí)的體解吸瓦斯時(shí)的幾幾個(gè)參數(shù)的變化個(gè)參數(shù)的變化？ 關(guān)鍵詞應(yīng)該是？關(guān)鍵詞應(yīng)該是？ 本文本文至少至少應(yīng)該有幾應(yīng)該有幾個(gè)結(jié)論個(gè)結(jié)論？每個(gè)結(jié)論應(yīng)該敘述哪幾方面的內(nèi)容？每個(gè)結(jié)論應(yīng)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(shè)計(jì)的煤體變形實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(biāo)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(diǎn)：1、吸附瓦斯膨脹變形機(jī)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(duì)滲流的影響變形特征對(duì)滲流的影響瓦斯與變形的關(guān)系瓦斯與變形的關(guān)系1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及

5、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)煤體煤體吸附解吸吸附解吸變形實(shí)驗(yàn)變形實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)煤樣取自西山煤電杜兒坪煤礦，采用煤巖鉆孔機(jī)在煤塊鉆取50mm100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(yīng)變片。粘貼應(yīng)變片的煤樣粘貼應(yīng)變片的煤樣1.3 1.3 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法要點(diǎn)：每次吸附要點(diǎn)：每次吸附飽和后進(jìn)行

6、加壓飽和后進(jìn)行加壓p 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)檢驗(yàn)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(yàn)氣密性后將甲烷氣體接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，打開真空泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行真空脫氣，當(dāng)系統(tǒng)壓力降至 0. 06 MPa 后持續(xù)抽真空 4 h 后關(guān)閉真空泵；p 開啟應(yīng)變采集儀、設(shè)置好各項(xiàng)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(diǎn)下的變形量。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟步驟實(shí)驗(yàn)注意：實(shí)驗(yàn)注意：在在本次實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集采用本次實(shí)驗(yàn)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(yīng)變?yōu)榻馕募匆晕?/p>

7、附的最終應(yīng)變?yōu)榻馕某跏紤?yīng)變初始應(yīng)變量，而不是將吸附和解吸分成獨(dú)立的兩量，而不是將吸附和解吸分成獨(dú)立的兩個(gè)部分個(gè)部分從應(yīng)變從應(yīng)變量量為為0 0 開始的開始的。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2.1 2.1 一一次加至目標(biāo)壓力煤體次加至目標(biāo)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(jìn)入煤體裂隙孔隙中體進(jìn)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(duì)現(xiàn)象的解釋對(duì)現(xiàn)象的解釋) ) 煤體吸附膨脹變形量隨時(shí)間的增加不斷增加，但增加速率逐漸減小，最終接近一個(gè)煤體吸附膨脹變形量隨時(shí)間的增加不斷增加，但增加速率逐漸減小，最終接近一個(gè)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(gè)階段：個(gè)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(jìn)行，煤進(jìn)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(shí)驗(yàn)降壓放氣速度較慢本實(shí)驗(yàn)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(gè)階段，變形速率都是快速增加，然后進(jìn)入平穩(wěn)增加最后穩(wěn)定階段。而且在吸附變形階段，每個(gè)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(gè)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(shí)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(duì)煤體吸附變形量影響 在達(dá)到相同目標(biāo)壓力值時(shí)：在達(dá)到相同目標(biāo)壓力值時(shí)： 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(huì)，且會(huì)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(gè)，且每個(gè)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(duì)比對(duì)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(fù)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(shí)，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(yùn)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(biāo)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(shí)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(qiáng)度、孔隙率煤質(zhì)、氣體吸附性、煤體強(qiáng)度、孔隙率)2、吸附性的推論、吸附性的推論3、煤體強(qiáng)度的煤體強(qiáng)度的推論推論4.結(jié)結(jié) 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(guān)。 一次加壓吸附變形實(shí)驗(yàn)中，可分為3個(gè)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