不同含水率條件下軟煤等溫吸附特性及膨脹變形特性

張遵國(guó)，趙 丹，陳 毅

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

煤是一種天然的吸附劑[1]，當(dāng)煤吸附瓦斯氣體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膨脹變形。這種變形會(huì)導(dǎo)致煤體強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)和孔隙性發(fā)生變化，進(jìn)而影響煤與瓦斯突出特性和煤層透氣性[2]。因此，研究煤體吸附特性及變形特性具有重要的工程意義。

影響煤吸附特性及變形特性的因素很多，其中含水率是最為重要的一個(gè)因素。目前，水分對(duì)煤吸附特性影響研究成果較為豐富，但仍存在一定爭(zhēng)議。一般認(rèn)為，煤對(duì)瓦斯的吸附能力隨著含水率的增加而降低[3-6];但張時(shí)音等[7]開(kāi)展的液態(tài)水對(duì)煤吸附甲烷影響的實(shí)驗(yàn)研究則發(fā)現(xiàn)，水分對(duì)低煤級(jí)吸附能力影響大，降低了甲烷吸附量，但對(duì)高煤級(jí)吸附能力影響小，注水煤樣中液態(tài)水的存在反而增加了甲烷吸附量。

對(duì)比之下，水分對(duì)煤吸附膨脹變形特性影響研究較少，但普遍認(rèn)為水分的存在對(duì)煤吸附膨脹變形起抑制作用[8-12]?？傊謱?duì)煤吸附膨脹變形影響的研究還不夠深入，尤其缺乏水分含量(含水率)與吸附膨脹變形定量關(guān)系的研究。

此外，不少研究者探討了煤吸附膨脹變形量與吸附量的關(guān)系，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，吸附膨脹變形和吸附量往往采用獨(dú)立實(shí)驗(yàn)完成，導(dǎo)致煤吸附膨脹變形量與吸附量的關(guān)系尚存在諸多爭(zhēng)議[13]。在實(shí)際煤層中或多或少存在一定水分，而水分的存在又將對(duì)煤吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系產(chǎn)生何種影響，相關(guān)研究成果鮮有報(bào)道。

鑒于此，筆者采用重慶大學(xué)與中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司聯(lián)合研制的煤層瓦斯吸附解吸變形動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置，以軟煤為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同含水率條件下煤吸附瓦斯過(guò)程中的吸附量與吸附膨脹變形量同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析了水分對(duì)煤等溫吸附特征和變形特征的影響，探討了吸附膨脹變形量與吸附量的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

(1)煤樣基礎(chǔ)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)煤樣采自重慶松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽(yáng)煤礦具有強(qiáng)突出危險(xiǎn)的8號(hào)煤層軟分層煤，原始煤樣水分為1.93%，灰分為16.36%，揮發(fā)分為10.22%，堅(jiān)固性系數(shù)為0.16。

(2)煤樣制備?？紤]到突出危險(xiǎn)煤樣加工成原煤樣難度大，尤其對(duì)于軟分層煤，強(qiáng)度極低，無(wú)法加工成原煤試件;同時(shí)，已有研究表明，型煤能較好地反映軟煤的物理性質(zhì)[14]，并已應(yīng)用于煤的吸附特性和變形特性實(shí)驗(yàn)研究[12-15]，因此，本文實(shí)驗(yàn)煤樣均采用型煤。煤樣經(jīng)破碎、篩分后，參照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》，選用粒徑為60～80目(0.18～0.25 mm)的煤粒與適量清水混合，放入模具內(nèi)，施加(50 ± 0.1) kN(約100 MPa)成型力并穩(wěn)壓15 min，制成尺寸約φ25 mm×50 mm的型煤煤樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

煤層瓦斯吸附解吸變形動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置如圖1所示，采用循環(huán)水浴恒溫;采用GB-3000G型壓力變送器配套MPA-010602多功能USB信號(hào)采集卡實(shí)時(shí)采集氣體壓力數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)按高壓容積法原理計(jì)算得到不同平衡氣體壓力下的吸附量;采用BX120-5AA應(yīng)變計(jì)配套WS-3811數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)分析處理得到不同平衡氣體壓力下的吸附膨脹變形量，從而實(shí)現(xiàn)室溫10～70 ℃內(nèi)同一煤樣吸附量和吸附膨脹變形量的同步測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試前，每個(gè)煤樣側(cè)面中部位置粘貼2組(共4個(gè))電阻式應(yīng)變計(jì)，每組2個(gè)應(yīng)變計(jì)分別測(cè)試煤樣縱向和橫向應(yīng)變[13]。具體實(shí)驗(yàn)步驟為

(1)恒溫。安裝好煤樣，設(shè)定溫度為30 ℃，恒溫12 h以上使煤樣濕度達(dá)到平衡。

(2)抽真空。開(kāi)啟真空泵對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行抽真空處理，通過(guò)干燥器上的真空表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的真空度。利用抽真空時(shí)間長(zhǎng)短控制煤樣含水率[10,12]，具體含水率值在實(shí)驗(yàn)后通過(guò)烘干稱重法測(cè)出。

(3)標(biāo)定自由空間體積。采用純度為99.99%的He測(cè)定樣品罐自由空間體積。

(4)抽真空。觀察干燥器上真空表讀數(shù)發(fā)現(xiàn)，抽真空30～60 s時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置管路真空度就達(dá)到極限值，此時(shí)可認(rèn)為煤樣孔隙中的He已抽凈，同時(shí)為避免抽出He的同時(shí)導(dǎo)致煤樣中大量水分被抽出，自由空間體積標(biāo)定后的抽真空時(shí)間嚴(yán)格控制為1 min。

(5)升壓吸附。以純度為99.99%的CH4氣體表征瓦斯作為吸附質(zhì)，按照升壓—平衡—升壓的過(guò)程，逐級(jí)提高氣體壓力，使煤樣在不同氣體壓力下吸附平衡，實(shí)時(shí)采集氣體壓力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

(6)含水率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后迅速取出煤樣，并采用電子天平稱量煤樣質(zhì)量(精確到0.01 g)，然后將煤樣在105 ℃條件下烘干4 h以上，再次稱量煤樣質(zhì)量(精確到0.01 g)，烘干前后煤樣質(zhì)量差為煤樣所含水分質(zhì)量，水分質(zhì)量與烘干前煤樣質(zhì)量的百分比即為實(shí)驗(yàn)煤樣含水率。限于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段，采用國(guó)內(nèi)外通用做法，忽略煤樣在升壓吸附過(guò)程中含水率的變化[3-12]。

(7)數(shù)據(jù)處理。依據(jù)實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的煤樣質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集的氣體壓力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)計(jì)算煤樣在不同平衡壓力下的瓦斯吸附量和吸附膨脹變形量(用體應(yīng)變表示)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 等溫吸附常數(shù)變化規(guī)律

不同含水率煤樣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同含水率煤樣等溫吸附曲線Fig.2 Isothermal adsorption curves of coal samples with different moisture contents

采用Langmuir方程對(duì)各煤樣吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各煤樣等溫吸附常數(shù)見(jiàn)表1。表中，a為飽和吸附量，mL/g;b為吸附平衡常數(shù)，MPa-1。

表1 煤樣等溫吸附常數(shù)Table 1 Isothermal adsorption constants of coal samples

由表1可得到煤樣吸附常數(shù)與含水率的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 吸附常數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.3 Relationship between absorption constant and moisture content

吸附常數(shù)a反映煤的極限吸附能力。由圖3(a)可知，吸附常數(shù)a隨含水率的增大呈先減小后增加的變化趨勢(shì)。含水率在0～1%時(shí)，水分明顯抑制煤對(duì)瓦斯的吸附，飽和吸附量隨含水率的增大而減小但減小幅度逐漸減小，含水率為1%左右時(shí)達(dá)到最小值。當(dāng)含水率超過(guò)1%繼續(xù)增加時(shí)，飽和吸附量隨含水率的增大而呈明顯的增大趨勢(shì)，且含水率越高，增大幅度越大，此時(shí)，水分的存在明顯促進(jìn)煤對(duì)瓦斯的吸附。這是由于含水率較低時(shí)，水分子與瓦斯分子存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，煤樣對(duì)水分子的吸附性能強(qiáng)于瓦斯分子，從而導(dǎo)致飽和吸附量隨含水率的增大而降低。當(dāng)含水率增大時(shí)，液態(tài)水濕潤(rùn)煤基質(zhì)后在其表面形成水膜，由于煤體表面和水分子之間存在氫鍵，水分子可以在煤體表面孔隙中形成多層水分子層，但是第一水分子層與第二水分子層之間存在的氫鍵方向相反，而無(wú)極性的瓦斯分子和煤體表面的官能團(tuán)的作用力與瓦斯分子與第一水分子層之間的作用力方向是一致的，這使得瓦斯分子可以被吸附在第一層水分子層形成的水膜表面[7,16]，導(dǎo)致含水率較高時(shí)，飽和吸附量隨含水率的增大而增大。

吸附常數(shù)b是反映煤吸附瓦斯快慢的一個(gè)指標(biāo)，b值越大，等溫吸附曲線彎曲程度就越大，煤樣吸附量達(dá)到飽和所需壓力就越低。從圖3(b)可以看出，b值隨含水率的增大呈線性減小趨勢(shì)，表明煤的含水率越高，吸附速率越小，吸附量達(dá)到飽和所需壓力就越大。這是由于煤樣含水率增大，水占據(jù)煤樣有效孔隙率增加，從而使瓦斯有效滲透率減少[17]，這是由于煤樣含水率增加，水占據(jù)煤樣有效孔隙率增加而使瓦斯有效參透率減少[17]。

2.2 等溫吸附變形常數(shù)變化規(guī)律

采用體應(yīng)變表征煤樣吸附膨脹變形量，不同含水率吸附膨脹變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。采用Langmuir方程[2,18]對(duì)各煤樣吸附膨脹變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各煤樣吸附變形常數(shù)，見(jiàn)表2,表中，A為極限吸附變形量，10-3;B為吸附變形平衡常數(shù)，MPa-1。

圖4 不同含水率煤樣等溫吸附膨脹變形曲線Fig.4 Isothermal swelling deformation curves of coal samples with different moisture content

由表2可得到煤樣吸附變形常數(shù)與含水率的關(guān)系曲線如圖5所示。

吸附變形常數(shù)A反映煤的極限吸附膨脹變形能力。由圖5(a)可知，吸附變形常數(shù)A隨著煤樣含水率的增加線性減小，含水率由0增大到3.13%時(shí)，A值由10.185×10-3減小至4.262×10-3，減小幅度為58.15%，說(shuō)明水分的存在明顯抑制煤的吸附膨脹變形能力。這是由于水對(duì)煤的軟化作用會(huì)導(dǎo)致煤的強(qiáng)度和彈性模量降低，塑性增強(qiáng)[19-20];同時(shí)，煤樣含水條件下，由于水的堵塞，瓦斯分子難以進(jìn)入微孔隙中，兩方面原因都導(dǎo)致煤在相同平衡壓力下更容易受游離瓦斯氣體圍壓作用，產(chǎn)生壓縮變形[12]。含水率越高，水的軟化作用、堵塞作用越明顯，相同瓦斯壓力下受游離態(tài)瓦斯作用產(chǎn)生的壓縮變形量越大，煤的吸附膨脹變形能力越小，極限吸附膨脹變形量也就越小。

表2 煤樣等溫吸附變形常數(shù)Table 2 Isothermal adsorption deformation constants of coal samples

圖5 吸附變形常數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between adsorption constant and moisture content

吸附變形常數(shù)B是反映煤吸附瓦斯膨脹變形快慢的一個(gè)指標(biāo)，B值越大，等溫吸附變形曲線彎曲程度越大，煤樣達(dá)到極限吸附膨脹變形量所需壓力就越低。從圖5(b)可以看出，B值隨含水率的增大呈線性增大趨勢(shì)，表明煤的含水率越高，吸附膨脹變形速率越大，達(dá)到極限吸附膨脹變形量所需壓力就越小。如前文分析，水對(duì)煤的軟化作用、堵塞作用使游離瓦斯孔隙壓力對(duì)煤基質(zhì)壓縮作用增強(qiáng)，該壓縮作用抵消了部分膨脹變形，導(dǎo)致煤極限吸附膨脹變形量減小，吸附膨脹變形更容易達(dá)到極值。

2.3 吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系

2.3.1吸附變形常數(shù)與吸附常數(shù)關(guān)系

由于吸附常數(shù)b和吸附變形常數(shù)B分別表征煤樣吸附量和吸附膨脹變形量隨平衡壓力變化的快慢，b和B值越大，說(shuō)明煤樣吸附量和吸附膨脹變形量越容易達(dá)到極限值。因此，可從b和B值大小關(guān)系角度來(lái)探討吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系，見(jiàn)表3。

表3 吸附常數(shù)b與吸附變形常數(shù)B關(guān)系對(duì)比Table 3 Comparisons of b and B

由表3可知，水分對(duì)b和B值大小關(guān)系有明顯影響，含水率由0增大到3.13%時(shí)，b值隨含水率的增大而線性減小，B值則隨含水率的增大而線性增大，b/B隨含水率的增大由3.478逐漸減小至0.397。具體影響規(guī)律為:

(1)含水率為0,0.38%,0.75%的煤樣b值明顯比B值要大，b/B=2.703～3.478，平均值為3.210，說(shuō)明吸附膨脹變形量達(dá)到極值需要的瓦斯壓力是吸附量達(dá)到飽和所需瓦斯壓力的3.21倍。這說(shuō)明，煤樣在吸附量達(dá)到飽和后，仍能隨瓦斯壓力的增加繼續(xù)產(chǎn)生膨脹變形。

(2)含水率為1.42%,1.66%的煤樣吸附過(guò)程b,B值差異不大，b/B=1.031～1.304，平均值為1.167，說(shuō)明煤樣吸附膨脹變形量達(dá)到極值需要的瓦斯壓力與吸附量達(dá)到飽和時(shí)所需瓦斯壓力相當(dāng)。

(3)含水率為2.66%,3.13%的煤樣吸附過(guò)程b值明顯比B值要小，b/B=0.397～0.440，平均值0.418，說(shuō)明吸附膨脹變形量達(dá)到極值需要的瓦斯壓力是吸附量達(dá)到飽和時(shí)所需瓦斯壓力的0.418倍。這說(shuō)明，煤樣吸附膨脹變形達(dá)到極值后，仍能隨瓦斯壓力的增加繼續(xù)吸附瓦斯。

2.3.2吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系曲線

利用不同含水率煤樣在不同壓力條件下的吸附量與吸附膨脹變形量數(shù)據(jù)，可以得到不同含水率煤樣吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系曲線(圖6)。劉延保等[21]、劉向峰等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，先后提出二者間存在線性關(guān)系、拋物線性擬合關(guān)系。但通過(guò)2.3.1節(jié)對(duì)吸附常數(shù)及變形常數(shù)分析可知，不同含水率條件下，煤樣吸附膨脹變形量與吸附量應(yīng)呈現(xiàn)3種規(guī)律。因此，采用線性函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)等多種常見(jiàn)函數(shù)對(duì)不同含水率條件下吸附膨脹變形量與吸附量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合精度選取吸附過(guò)程中煤樣吸附膨脹變形量與吸附量的最佳關(guān)系式，見(jiàn)表4。

表4 不同含水率煤樣吸附膨脹變形量與吸附量擬合關(guān)系Table 4 Fitting equations of swelling deformation and adsorption of coal samples with different moisture content

結(jié)合圖6和表4可以看出，隨含水率增大，煤樣吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系呈現(xiàn)如下3種規(guī)律:

(1)含水率為0,0.38%,0.75%的煤樣吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系表現(xiàn)出顯著的非線性特征。吸附膨脹變形量隨著吸附量的增加而增大，且增大速率逐漸增加，吸附膨脹變形量與吸附量呈拋物線擬合關(guān)系。

(2)含水率為1.42%,1.66%的煤樣吸附膨脹變形量隨吸附量的增加線性增大，二者呈線性關(guān)系。

(3)含水率為2.66%,3.13%的煤樣吸附膨脹變形量雖隨著吸附量的增加而增大，但增大速率逐漸減小，吸附膨脹變形量與吸附量呈冪函數(shù)擬合關(guān)系。

綜上分析，實(shí)測(cè)各含水煤樣吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系并不呈現(xiàn)單一規(guī)律，即不能將不同含水率煤樣的吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系簡(jiǎn)單總結(jié)為一種模型。

3 討 論

3.1 吸附膨脹變形機(jī)理

以往研究認(rèn)為，吸附態(tài)瓦斯通過(guò)降低煤基質(zhì)表面自由能，使其產(chǎn)生膨脹變形[18,23];游離態(tài)瓦斯通過(guò)孔隙壓力對(duì)煤基質(zhì)有壓縮作用[18,23]，隨著壓力的升高，游離態(tài)瓦斯的壓縮作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的壓縮變形量所抵消的吸附膨脹變形量越大。顯然，在一定壓力范圍內(nèi)，煤樣吸附膨脹變形隨吸附量的增大而增大，但由于游離態(tài)瓦斯的壓縮作用將導(dǎo)致增大速率逐漸減小[13]，煤樣吸附膨脹變形在瓦斯吸附量達(dá)到飽和前先達(dá)到極限值，而2.3.1和2.3.2節(jié)分析表明，只有含水率為2.66%和3.13%的煤樣符合這一現(xiàn)象。因此，不能簡(jiǎn)單地將煤吸附變形機(jī)理解釋為吸附態(tài)瓦斯導(dǎo)致膨脹變形，游離態(tài)瓦斯導(dǎo)致壓縮變形。

含水率為0,0.38%,0.75%的煤樣吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系，即煤樣吸附瓦斯后，吸附膨脹變形量隨吸附量的增加而加速增大，且吸附量達(dá)到飽和后煤樣繼續(xù)發(fā)生膨脹變形這一現(xiàn)象表明，除了吸附態(tài)瓦斯能引起煤發(fā)生膨脹變形外，必然還有其他作用同樣能引起煤發(fā)生膨脹變形，并且在煤樣吸附瓦斯量達(dá)到飽和后，促使煤樣繼續(xù)產(chǎn)生一定膨脹變形。何學(xué)秋等[23]曾提出，當(dāng)瓦斯壓力較高，瓦斯的能量高于分子(或原子)間的鍵能時(shí)，瓦斯分子能夠楔開(kāi)并進(jìn)入到與瓦斯氣體分子直徑相當(dāng)?shù)拿何镔|(zhì)大分子(或芳香層)之間;李祥春等[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在煤體受載初期、裂隙沒(méi)有擴(kuò)展時(shí)，瓦斯氣體分子對(duì)煤體骨架起支撐作用，即對(duì)外力起抵抗作用，裂隙破壞時(shí)，瓦斯氣體會(huì)向新生裂紋表面擴(kuò)散吸附，并促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展?？梢?jiàn)，游離態(tài)瓦斯不僅對(duì)煤基質(zhì)具有壓縮作用使其產(chǎn)生壓縮變形，也能夠通過(guò)對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用引起煤的膨脹變形。

因此，煤的吸附膨脹變形受游離態(tài)氣體產(chǎn)生的膨脹變形、游離態(tài)氣體對(duì)煤基質(zhì)壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形和游離態(tài)氣體對(duì)微裂隙擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形3方面綜合控制。

3.2 吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系演化機(jī)理

如2.2節(jié)所述，煤樣含水條件下，水對(duì)煤的軟化作用使煤的強(qiáng)度和彈性模量降低，塑性增強(qiáng);同時(shí)，水的堵塞作用使瓦斯分子難以進(jìn)入微孔隙中，兩方面原因都導(dǎo)致煤在相同平衡壓力下更容易受游離態(tài)瓦斯壓縮作用產(chǎn)生壓縮變形。此外，正是由于水的堵塞作用使瓦斯分子難以進(jìn)入微孔隙中，導(dǎo)致游離態(tài)瓦斯對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用減弱，膨脹變形量減小。顯然，含水率越高，水的軟化作用、堵塞作用越明顯，相同瓦斯壓力下，游離態(tài)瓦斯對(duì)煤基質(zhì)壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形量越大，對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形量則越小。游離態(tài)瓦斯對(duì)煤基質(zhì)壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形量與對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形量大小關(guān)系不同，必然導(dǎo)致煤樣吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系產(chǎn)生差異。

基于上述分析，不同含水率條件下煤吸附膨脹變形量與吸附量關(guān)系可闡述為

(1)含水率為0,0.38%,0.75%的煤樣，含水率低，水的軟化作用和堵塞作用不明顯。實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，游離態(tài)瓦斯對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形量大于對(duì)煤基質(zhì)壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形量，游離態(tài)瓦斯對(duì)煤膨脹變形起到促進(jìn)作用，使煤樣吸附膨脹變形量隨吸附量的增大而加速增大，且當(dāng)瓦斯吸附量達(dá)到飽和后，游離態(tài)瓦斯對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用使煤樣仍能隨瓦斯壓力的增大而繼續(xù)產(chǎn)生膨脹變形，最終導(dǎo)致吸附膨脹變形量與吸附量呈拋物線擬合關(guān)系。

(2)煤樣含水率增大到1.42%～1.66%時(shí)，水的軟化作用和堵塞作用增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，游離態(tài)瓦斯對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形量與對(duì)煤基質(zhì)的壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形量大小相當(dāng)時(shí)，可忽略游離態(tài)瓦斯對(duì)煤吸附膨脹變形的影響，只考慮吸附態(tài)瓦斯對(duì)煤膨脹變形的貢獻(xiàn)，此時(shí)，煤樣吸附膨脹變形量與吸附量呈線性關(guān)系，二者達(dá)到極限(飽和)所需瓦斯壓力相當(dāng)。

(3)含水率進(jìn)一步增大到2.66%～3.13%時(shí)，水的軟化作用和堵塞作用明顯。實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，游離態(tài)瓦斯對(duì)煤基質(zhì)的壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形量大于對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形量，游離態(tài)瓦斯對(duì)煤膨脹變形起到抑制作用，使煤樣吸附膨脹變形量隨吸附量的增大而減速增大，且當(dāng)吸附膨脹變形量達(dá)到極限值不再增大后，煤樣吸附量仍隨瓦斯壓力的增加而增大，最終導(dǎo)致吸附膨脹變形量與吸附量呈冪函數(shù)擬合關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1)水分的存在抑制煤的吸附膨脹變形，煤樣含水率由0增大到3.13%，極限吸附膨脹變形量由10.185×10-3線性減小到4.262×10-3，降低幅度為58.15%;而隨著含水率的增加，飽和吸附量先減小后增加，含水率為1%左右時(shí)飽和吸附量達(dá)最小值。

(2)含水率為0，0.38%，0.75% 的煤樣含水率低，游離態(tài)瓦斯對(duì)煤膨脹變形起到促進(jìn)作用，瓦斯吸附量達(dá)到飽和后仍能隨瓦斯壓力的增大而繼續(xù)產(chǎn)生膨脹變形，吸附膨脹變形量與吸附量呈拋物線擬合關(guān)系。

(3)含水率為1.42%，1.66% 的煤樣含水率較高，水的軟化作用和堵塞作用導(dǎo)致游離態(tài)瓦斯對(duì)微裂隙的擴(kuò)容作用產(chǎn)生的膨脹變形量與對(duì)煤基質(zhì)的壓縮作用產(chǎn)生的壓縮變形量抵消，煤樣吸附膨脹變形量達(dá)到極限與吸附量達(dá)到飽和所需瓦斯壓力接近，吸附膨脹變形量與吸附量呈線性擬合關(guān)系。

(4)含水率為2.66%，3.13% 的煤樣含水率高，水的軟化作用和堵塞作用使游離態(tài)瓦斯對(duì)煤膨脹變形起抑制作用，吸附膨脹變形量達(dá)到極限值后，煤樣吸附量仍隨瓦斯壓力的增加而增大，吸附膨脹變形量與吸附量呈冪函數(shù)擬合關(guān)系。