受载原煤中瓦斯的扩散规律_王登科.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-09-30 基金项目 国家自然科学基金项目（51304072）；河南省基础与前沿技术研究计划项目（132300413203）；河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验 室省部共建国家重点实验室培育基地开放课题（WS2012B07） Foundation item The National Natural Science Foundations of China （51304072）； Henan Province Basic and Frontier Technology Research Projects of China （132300413203）；the Open Project of State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas control（WS2012B07） 作者简介 王登科（1980），男，湖南永州人，博士，副教授，从事煤矿瓦斯灾害防治与矿山岩石力学方面的教学与研究工作. E-mail wdk 引用格式 王登科，王洪磊，姚邦华，等. 受载原煤中瓦斯的扩散规律［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）10-13. WANG Dengke，WANG Honglei，YAO Banghua，et al. Experimental investigation of gas desorption law of loaded raw coal［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（3）10-13. 文章编号 1001-1986（2016）03-0010-04 受载原煤中瓦斯的扩散规律 王登科 1，2，3，王洪磊1，2，姚邦华1，2，3，温志辉1，2，3，贾彦楠4 （1. 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2. 河南理工大学河南省瓦斯地质与 瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；3. 煤炭安全生产 河南省协同创新中心，河南 焦作 454000，4. 中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031） 摘要 为研究受载原煤中瓦斯的扩散规律，以原煤煤样为实验对象，利用自主研发的含瓦斯煤热流 固耦合实验系统，在恒温的三轴加载条件下，进行了加载-吸附-解吸-再加载直至煤样破坏过程中的 瓦斯解吸实验。研究结果表明，受载原煤的解吸量随时间变化规律符合颗粒煤瓦斯解吸的数学模型； 在恒温恒围压下，随轴压的增大，受载原煤瓦斯的解吸量呈下降趋势；当轴压大于峰值强度后，瓦 斯解吸量随轴压迅速增大；受载原煤煤样压密、线弹性阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大而线性减 小；当煤样处于屈服阶段和峰值破坏阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大呈指数式增长。研究成果对 瓦斯抽采，瓦斯突出机理研究有一定的理论价值。 关 键 词受载原煤；原煤煤样；解吸规律；破坏；轴压 中图分类号P618.13；TD712 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.002 Experimental investigation of gas desorption law of loaded raw coal WANG Dengke1，2，3， WANG Honglei1，2， YAO Banghua1，2，3， WEN Zhihui1，2，3， JIA Yannan4 （1. School Of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， JiaoZuo 454000， China； 2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China； 3. The Collaborative Innovation Center of Safety in Coal Production of Henan， Jiaozuo 454000， China； 4. China Coal Handan Design Engineering Co.， Ltd， Handan 056031， China） Abstract To investigate the gas desorption law of loaded raw coal，raw coal samples were used as experimental subjects. The gas desorption experiments were carried out with raw coal samples under tri-axis loading conditions at a constant temperature 30. The gas desorption law of raw coal samples℃，which were tested during the process of loading-absorption-desorption-reloading until destruction was obtained by using the self-developed coupled thermo-hydro-mechanical system. The results showed that the desorption law of loaded coal can be described by the desorption mathematical model of particle coal. The desorption amount of loaded raw samples decreases with the axial-pressure under constant temperature and confining pressure. However，the gas desorption amount in- creases significantly when the axial-pressure is over the peak strength. The gas desorption and migration velocity shows linear decrease with the axial-pressure during the stage of compaction and linear elasticity，and exponential increase in the yield stage and peak stage. The results have some theoretical significance for gas drainage and the study of the mechanism of gas outburst. Key words loaded coal；raw coal samples；destruction；law of desorption；axial pressure 无论是把煤层瓦斯作为一种资源进行开采利用，还是将之视为矿井灾害因素加以防治，都与煤 ChaoXing 第 3 期 王登科等 受载原煤中瓦斯的扩散规律 11 层瓦斯赋存、吸附-解吸规律有着紧密的内在联系。 研究瓦斯解吸放散规律对研究煤层瓦斯流动、计算 煤的瓦斯含量和瓦斯涌出量、预测煤与瓦斯突出以 及确定瓦斯抽采参数等方面具有实际意义。 瓦斯在煤体中的吸附-解吸-运移是一个非常复 杂的物理过程，国内外学者在将煤体简化为球体模 型的基础上进行了大量的研究。刘彦伟［1］研究了不 同粒径条件下煤的瓦斯解吸规律，认为不同粒度煤 的瓦斯放散速度随时间均呈乘幂函数曲线衰减。相 关学者［2-6］应用 Fick 定律进行理论分析，结合实验 数据建立了颗粒煤瓦斯解吸规律模型。 由于煤在机械破坏筛分后原始孔隙、裂隙结构 遭到破坏，煤体孔隙率和比表面积发生较大变化， 而煤体孔隙、裂隙系统和煤体孔隙率、比表面积是 影响煤体瓦斯吸附、解吸、运移的重要因素，颗粒 煤与原煤的瓦斯解吸规律会有明显差别的，因此原 煤的瓦斯吸附-解吸-运移规律也日益被人们重视。 A D Alev 等［7］研究了块煤的瓦斯放散规律，认为 块煤瓦斯放散量是由扩散量和渗流量两部分组成， 块煤瓦斯放散速度包括解吸、扩散和渗流速度；Jun Yi 等［8］基于多孔介质中 Fick 定律建立了原煤中瓦斯 解吸扩散数学模型；唐巨鹏等［9］研究了轴压、围压 和孔隙压力对煤层气吸附解吸规律的影响，认为解 吸量、解吸时间均与孔隙压力加载过程有着密切的 关系。实际上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的影 响，结果与实际情况会存在较大偏差，不能真实全 面地反映实际情况。 本文以原煤煤样为实验对象，利用自主研发的 一种含瓦斯煤热流固耦合实验装置，研究受载原煤 在不同轴压条件下的瓦斯解吸运移规律，为煤矿瓦 斯灾害防治提供理论支撑。 1 实验系统及实验方法 1.1 实验系统与煤样制备 本实验采用的含瓦斯煤热流固耦合实验系统主 要由加载系统、三轴压力室、孔隙压力控制系统、 温度控制系统、 数据采集监控系统和辅助系统组成， 实验系统结构如图 1 所示。 该实验系统可模拟热-流-固多物理场耦合实验 环境，能进行高瓦斯压力和高应力条件下的含瓦斯 原煤吸附解吸实验［10］。 实验所用煤样采自于焦作煤田东部的赵固二矿， 属高变质无烟煤。利用岩心管钻取直径为 Φ50 mm 的 煤柱，然后用切割机进行切割，经打磨之后做成尺寸 为 Φ50 mm100 mm 的标准实验煤样。 1轴向液压缸；2轴压传感器；3上压头；4试样；5下压； 6轴压加载系统；7围压加载系统；8恒温系统； 9应力采集系统；10高压气源 图 1 实验系统结构示意图 Fig.1 Structure diagram of the experimental system 1.2 实验过程 利用含瓦斯煤热流固耦合实验系统进行恒定温 度 30℃、孔隙压力 0.6 MPa，不同轴压条件下的瓦 斯解吸实验，研究受载原煤的解吸规律。具体实验 步骤如下 a. 煤样置于干燥箱中干燥后，将用热缩管包裹 的煤样装入三轴压力室。对煤样施加轴向应力到预 定值，然后施加预定围压。 b. 用两台真空泵从进气口和出气口两端对整 个实验系统抽真空， 直至系统内部达到要求的负压。 c. 用氦气对该阶段的自由空间进行标定。 d. 再次对系统进行抽真空后， 将高压甲烷气 体通入缓冲罐，达到预定压力后，关闭瓦斯罐阀 门。打开缓冲罐与压力室阀门，对煤样进行瓦斯 吸附。 e. 吸附平衡后，先关闭瓦斯进气阀门，然后打 开瓦斯出气阀门，进行瓦斯解吸实验，每分钟记录 一次解吸量。 f. 一个轴压条件下的吸附解吸实验完成之后 通过液压站进行轴向加载到下一个轴压，重复上述 b-e 步骤直至煤样破坏。 实验完成后利用公式将实测的瓦斯解吸量换算 成标准状态下的体积。 2 实验结果及分析 2.1 实验结果 实验结束后，测得 1 号煤样、2 号煤样不同轴 压下瓦斯累计解吸量随时间变化趋势如图 2 所示。 由图 2 可知，围压为 3 MPa 与 4 MPa 时瓦斯累 计解吸量随时间的变化趋势基本一致。在不同轴压 下，原煤的瓦斯解吸量随时间增加而增加，解吸速 度由快到慢。围压为 3 MPa 时，当轴压小于煤体强 度时，解吸量、解吸速度随轴压升高而减小。当轴 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 44 卷 压由 1 MPa 升至 12 MPa 时 1 h 的瓦斯解吸量由 0.707 mL/g 减少至 0.589 mL/g，减少 16.7％；当轴 压升至31.2 MPa时， 1 h瓦斯累计解吸量为0.45 mL/g， 较轴压为1 MPa减少了36.3％。 当轴压升至41.5 MPa 时 1 h 瓦斯累积解吸量回升至 0.482 mL/g，较压力 为 31.2 MPa 时增加 7.1％。 当轴压升至 53.3 MPa 时， 1 h 瓦斯累积解吸量迅速增大为 1.58 mL/g，较压力 为 31.2 MPa 时增加 252.3％，较压力为 1 MPa 时增 加了 124.2％。 图 2 不同轴压下原煤累计解吸量变化情况 Fig.2 Variation of gas desorption volume of raw coal under different axial stress 从煤岩微观尺度对实验结果进行分析，原煤中 存在大量的原生裂隙与孔隙，这些孔隙裂隙结构为 煤体吸附瓦斯提供了大量的自由吸附面，有效的吸 附煤表面是决定煤的吸附能力大小的主要因素。吸 附和解吸是个可逆的物理过程，所以解吸量的大小 与煤体中有效的吸附面积大小有着紧密的联系［11］。 图 3 为煤体微观裂隙形态图，其中裂隙 a 是与外部 连通的大裂隙，b 是在未受载状态时与 a 连通的孔 隙，c 是封闭的孔隙。在本实验过程中煤体吸附时 间较短，瓦斯吸附平衡压力较小，瓦斯不易进入芳 香层之间和碳分子之间［12］，假设在本实验过程中并 没有瓦斯气体进入封闭孔隙 c 中，即孔隙 c 壁面不 是有效的吸附表面。在未受载时，煤体有效吸附面 积为孔隙 b 和裂隙 a。吸附平衡后进行解吸，则孔 隙 b 和裂隙 a 中的瓦斯压力降低，吸附于 a，b 表面 的瓦斯解吸出来。 如图 3a 所示， 随着应力的增大裂隙逐渐闭合， 孔隙 b 壁面不再是有效吸附表面。所以在原煤处 于弹性压密阶段时，原煤的吸附-解吸量随应力的 增大而减小。如图 3c 所示，煤岩塑性阶段由于发 育的次生裂隙连通了孔隙 c、b 和裂隙 a，它们的 壁面全部变为有效吸附表面。在煤样所受外载大 于其强度时，煤岩处于屈服状态，由于剪胀效应， 在弹性阶段已经闭合的裂隙孔隙重新张开，再次 成为有效吸附面积；并且在此阶段煤岩内部次生 裂隙发育，产生新的有效面积，所以原煤的解吸 量随应力的增加而迅速增加，而且大于未受载原 煤的吸附-解吸量。 图 3 不同加载状态下裂隙发展示意图［13］ Fig.3 Fracture development under different loading state 2.2 结果讨论 由图 2 可知受载原煤瓦斯解吸总量和时间关系 都属于单调增函数， 其形状与 Langmuir 等温吸附线 相似，这点与王佑安研究结论一致，王佑安公式表 达式为 1 A Bt Q Bt （1） 式中 Q 为累计解吸量， mL/g； A 为最大可能解吸量， mL/g； B 为解吸常数， 表征最大相对解吸速度， min-1； t 为解吸时间，min。 对图 2 中实验数据进行回归分析，结果见表 1。 利用式（1）进行拟合所得参数 A 值、B 值与轴压 变化图如图 4 所示。 受载原煤瓦斯的运移过程是解吸-扩散-渗流耦 合的复杂过程，其中扩散-渗流起主导作用，瓦斯在 原煤中运移符合气体在多孔介质中运移规律。在瓦 斯平衡压力保持不变的条件下受载原煤瓦斯运移与 煤岩的渗透性系数和瓦斯在原煤中的扩散系数有着 密切的关系，若在一定条件下煤岩的渗透系数和扩 散系数同时增加则煤岩瓦斯解吸运移速度也将会增 ChaoXing 第 3 期 王登科等 受载原煤中瓦斯的扩散规律 13 表 1 拟合方程与相关性系数 Table 1 Fitting equation and correlation coefficient 轴压/MPa 拟合方程 相关性系数 R2 1.0 1.2732 0.0203 10.0203 t Q t 0.994 99 12.0 1.0657 0.0186 1 0.0186 t Q t 0.996 46 17.2 0.957 70.020 0 10.020 0 t Q t 0.995 23 31.2 0.869 70.018 2 10.018 2 t Q t 0.996 75 41.5 0.9129 0.0199 1 0.0199 t Q t 0.997 29 47.8 1.0721 0.0232 10.0232 t Q t 0.998 32 53.3 2.295 0.0341 10.0341 t Q t 0.992 25 图 4 拟合参数 A 值、B 值随轴压变化图 Fig.4 Variation of fitting parameters A and B under different axial pressure 加。 在全应力-应变条件下煤岩破坏过程可以分为初 始压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段、峰值破坏阶 段四个阶段，根据图 4 可以将受载原煤瓦斯解吸运 移的速度分为两个特征阶段受载原煤煤样处于初 始压密和线弹性状态时瓦斯解吸-运移速度线性减 小阶段；受载原煤煤样处于屈服和峰值破坏状态对 应的瓦斯解吸-运移速度指数式增加阶段。 a. 受载原煤煤样处于初始压密和线弹性状态 对应的瓦斯解吸-运移速度线性减小阶段。 从图 4 可 以看出，在煤样轴压 σ 小于其强度时，A、B 值随轴 压的升高而线性降低。在此阶段煤样被压密孔隙裂 隙在力作用下逐渐闭合，有部分原本张开孔隙裂隙 闭合，其壁面变为无效吸附面，引起煤样的最大可 能吸附-解吸量减小； 在受载原煤处于初始压密和线 弹性阶段的煤岩瓦斯渗透性产生一定程度的下降［14］， 煤样被压密孔隙率减小而迂曲度不变，煤岩的瓦斯 扩散系数也会下降， 因此可得煤岩的瓦斯解吸-运移 速度随应力的增大而减小。 b. 受载原煤煤样处于屈服和峰值破坏状态对 应的瓦斯解吸-运移速度随应力增大呈指数式增加 阶段。轴压 σ 大于煤岩强度时，A、B 值随轴压升 高而迅速升高。 这是因为在轴压 σ 大于煤岩强度时， 煤岩发生塑性变形产生大量次生裂隙， 如图 3c 塑性 变形阶段裂隙示意图。在轴压作用下闭合的孔隙 b 被破坏，再次成为有效的吸附面积，大量次生裂隙 会成为有效的吸附面积，最大可能吸附量将会增 加。在此阶段煤岩的渗透率开始大幅回升［14］，煤样 次生裂隙发育煤样的孔隙率变大， 并且由于产生新 的裂隙煤岩的迂曲度增大， 煤样的瓦斯扩散系数将 会随应力的增大而增大。 由图 4 可知在煤岩屈服阶 段瓦斯的吸附-解吸量随压力增加呈指数形式增 长，这样因为在煤岩屈服时，其次生裂隙发育与应 力是非线性关系， 裂隙量随轴压变化成指数形式上 升， 解吸速度和最大可能解吸量随轴压升高而成指 数式增长。 3 结 语 在恒温恒围压条件下，通过对受载原煤的不同 轴压下瓦斯解吸-运移规律的研究得出以下结论 在各受力状态下含瓦斯煤的解吸量随时间变化 规律符合颗粒煤瓦斯吸附解吸的王佑安式数学模 型。在全应力-应变条件下，受载原煤瓦斯解吸-运 移速度和瓦斯最大可能解吸量存在两个特征阶段 受载原煤煤样压密、 线弹性阶段时瓦斯解吸-运移速 度和瓦斯解吸量都随应力增大而线性减小；当煤样 处于屈服阶段和峰值破坏阶段时瓦斯解吸-运移速 度和瓦斯解吸量都随应力增大呈指数式增长，这对 研究在采动应力作用下煤岩破坏过程中瓦斯的运移 规律提供理论指导。 参考文献 ［1］ 刘彦伟. 煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究［D］. 焦 作河南理工大学，2011. ［2］ 秦跃平，王翠霞，王健，等. 煤粒瓦斯放散数学模型及数值解 算［J］. 煤炭学报，2012，37（9）1466-1471. 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