含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

成小雨，程 成，2，陳 龍，高 涵，趙 剛

（1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西西安 710054；2.西安科技大學，陜西西安 710054）

瓦斯事故是礦井五大災(zāi)害之一，對煤礦的安全生產(chǎn)有著很大的威脅，近些年瓦斯事故時有發(fā)生，對我國的經(jīng)濟發(fā)展、人民幸福及社會安定有著很大的影響[1-3]。煤層開采的過程涉及到多場耦合共同作用，主要有應(yīng)力場、裂隙場、滲流場等[4-5]。煤層開采后覆巖應(yīng)力平衡被破壞，應(yīng)力重新分布產(chǎn)生裂隙，為瓦斯的滲流解吸提供了通道，可能造成局部瓦斯富集，由于井下條件復(fù)雜，現(xiàn)場監(jiān)測覆巖的裂隙及瓦斯?jié)B流存在一定的困難，因此很有必要研發(fā)能夠進行多場耦合的瓦斯?jié)B流解吸實驗平臺。

眾多學者自行設(shè)計并搭建了許多實驗研究平臺。張羽等[6]利用搭建的大質(zhì)量瓦斯解吸實驗系統(tǒng)，研究了解吸規(guī)律并根據(jù)實驗結(jié)果建立了掘進落煤瓦斯涌出量預(yù)測模型；王業(yè)平等[7]研究了加載速率對含瓦斯煤受載損傷特征的影響，得到了加載速率對煤體抗壓強度、應(yīng)力應(yīng)變和內(nèi)部損傷的影響規(guī)律；許江等[8]、尹光志等[9]研制了含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實驗裝置，得到了煤體在不同的加載應(yīng)力、圍壓、溫度條件下煤體滲透率的變化規(guī)律；張曦等[10]自行設(shè)計并搭建了承壓瓦斯自然吸水實驗系統(tǒng)，研究了不同瓦斯吸附平衡壓力下的自然滲吸水規(guī)律；伍永平等[11]通過立體支架實驗裝置研究了煤層開采后圍巖的應(yīng)力和變形破壞規(guī)律；李樹剛等[12-13]、魏宗勇等[14]分別研制了煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統(tǒng)和上保護層開采相似模擬實驗臺，并進行了模擬實驗和現(xiàn)場應(yīng)用，為煤與瓦斯共采等相關(guān)領(lǐng)域做出了巨大的研究貢獻。

綜上所述，學者們搭建了實驗平臺分別研究了煤體滲透率、瓦斯解吸滲流、覆巖應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律等，但對于能夠同時模擬煤層及覆巖的應(yīng)力場、裂隙場和滲流場等多場耦合的實驗系統(tǒng)研發(fā)相對較少?；诖?，充分借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，自主研制了含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠相對真實的實現(xiàn)煤體及覆巖的瓦斯?jié)B流、裂隙及應(yīng)力的同時監(jiān)測，為煤礦的礦山壓力防治、瓦斯精準抽采提供理論依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)總體架構(gòu)

含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)總設(shè)計架構(gòu)如圖1，含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)總設(shè)計示意圖、實物圖如圖2、圖3。系統(tǒng)能夠進行不同粒徑煤體瓦斯吸附解吸規(guī)律、不同條件下及耦合條件下瓦斯?jié)B流解吸特性以及煤體內(nèi)部損傷裂隙發(fā)育規(guī)律研究。實驗系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，主要由8 個部分組成，分別為恒壓自動充氣吸附單元、煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置、瓦斯抽采單元、應(yīng)力加卸載單元、非接觸式應(yīng)變測量單元、聲發(fā)射監(jiān)測單元、多參監(jiān)測單元和實驗系統(tǒng)管理軟件組成。

圖1 含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)總設(shè)計架構(gòu)Fig.1 General design architecture of multi-field coupled seepage desorption experimental system of coal containing gas

圖2 含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)總設(shè)計示意圖Fig.2 General design diagram of multi-field coupled seepage desorption experimental system for coal containing gas

圖3 含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)實物圖Fig.3 Physical diagram of multi-field coupled seepage desorption experimental system of coal containing gas

2 實驗系統(tǒng)構(gòu)成

1）恒壓自動充氣吸附單元。恒壓自動充氣吸附單元主要由瓦斯氣瓶、減壓閥、截止閥、緩沖罐、DN3管線等組成，通過氣動閥自動調(diào)控保證充氣壓力恒定和恒壓吸附。瓦斯氣瓶中的氣體通過緩沖罐和管線流入煤樣瓦斯面擴散裝置，使煤體處于符合實驗條件的瓦斯賦存狀態(tài)。減壓閥采用304 不銹鋼材質(zhì)，將輸出的高壓氣體減壓穩(wěn)定到所需的壓力值，緩沖罐為316 不銹鋼材質(zhì)，確保高壓氣體密封的可靠性。

2）煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置。煤樣瓦斯面擴散滲流解吸裝置主要將瓦斯的擴散方式從點擴散轉(zhuǎn)到面擴散，能夠更加真實的模擬瓦斯的吸附、滲流、解吸等特性。由煤樣倉、密封橡膠套、透氣板等組成。煤樣倉尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，耐壓20 MPa，由不銹鋼材質(zhì)鍛件加工而成，在煤樣倉左右進出氣口的側(cè)面板均加工了放射型槽，槽線為同心圓，間距為15 mm，槽深0.5 mm。同時定制了小煤樣倉，用于不同粒徑煤體瓦斯吸附解吸實驗，煤樣倉尺寸50 mm×50 mm×50 mm。煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置如圖4。

圖4 煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置Fig.4 “Face diffusion”seepage desorption device of coal

3）瓦斯抽采單元。瓦斯抽采裝置主要包括程控可調(diào)抽采泵、抽采管路和流量計等。程控可調(diào)抽采泵內(nèi)置在實驗箱體內(nèi)，通過監(jiān)控主機系統(tǒng)管理軟件對程控可調(diào)抽采泵進行遠程操控，實現(xiàn)不同抽采負壓下的瓦斯抽采，采用The mini 系列氣體流量計，配帶232 接口實現(xiàn)和計算機通信，并及時將抽采過程中的氣體流量監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至實驗系統(tǒng)管理軟件。

4）應(yīng)力加卸載單元。應(yīng)力加卸載裝置主要由加載泵、加載油缸、活塞桿和加載板組成，加載泵為恒壓恒速泵，可輸出不同的應(yīng)力，實現(xiàn)不同應(yīng)力的加卸載，同時能夠?qū)崿F(xiàn)計算機程序自動控制啟動和停止等；活塞桿采用滾壓加工，提高了其耐磨性；加載油缸缸徑是煤樣倉面積的1/2，可保證模型加載壓力達到20 MPa；加載板和煤樣倉內(nèi)腔尺寸相同，能夠?qū)γ簶觽}內(nèi)煤體全斷面進行加載應(yīng)力。

5）非接觸式應(yīng)變測量單元。非接觸式應(yīng)變測量裝置主要由非接觸式應(yīng)變測量系統(tǒng)組成，煤樣倉右側(cè)開口安設(shè)有監(jiān)測點，用于受載煤壁表面應(yīng)變場的測量，通過非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對實驗煤樣的應(yīng)變圖像進行采集和處理，同時將監(jiān)測記錄能夠及時上傳至監(jiān)控主機。

6）聲發(fā)射監(jiān)測單元。聲發(fā)射監(jiān)測裝置主要由聲發(fā)射探頭、聲發(fā)射放大器組成，在煤樣倉4 個側(cè)面各布置1 個聲發(fā)射探頭，聲發(fā)射探頭與煤樣緊密接觸，4 個孔呈交叉布置方式；通過聲發(fā)射放大器對對煤樣在加卸載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射響應(yīng)進行記錄，便于研究煤樣的內(nèi)部損傷和裂隙發(fā)育情況。聲發(fā)射探頭立體布置示意圖如圖5。

圖5 聲發(fā)射探頭立體布置示意圖Fig.5 Stereoscopic layout of acoustic emission probe

7）多參監(jiān)測單元。多參監(jiān)測單元主要由壓力表、流量傳感器、電磁閥、數(shù)據(jù)采集儀、監(jiān)控主機等組成，數(shù)據(jù)采集儀能夠在實驗過程中實時記錄實驗數(shù)據(jù)，能夠?qū)怏w流量、煤體應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)部損傷裂隙等數(shù)據(jù)及時保存并上傳至監(jiān)控主機。

8）實驗系統(tǒng)管理軟件。含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統(tǒng)管理軟件通過對實驗過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗過程中壓力、流量數(shù)據(jù)、解吸、滲流、應(yīng)力-應(yīng)變等多種類型數(shù)據(jù)以報表及圖表形式的輸出，通過軟件控制平臺有效控制了實驗系統(tǒng)中的各個模塊，提升了系統(tǒng)的實用性、便捷性。

3 實驗系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 實驗準備

采用破碎機將煤樣破碎并篩分，篩選出0.5 mm以下、0.5～1 mm、＞1～2 mm、＞2～5 mm、＞5～10 mm、＞10～20 mm、＞20～30 mm 實驗樣品，用于不同粒徑煤體的甲烷吸附解吸規(guī)律研究。采用砂線切割機制作200 mm×200 mm×200 mm 型煤用于含瓦斯煤受載過程中應(yīng)力-應(yīng)變-滲透規(guī)律研究。

實驗時，將煤體裝入小煤樣倉中，連接進氣管路，調(diào)試并開啟多參監(jiān)測裝置、實驗系統(tǒng)管理軟件和恒壓自動充氣吸附單元并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，煤樣在小煤樣倉內(nèi)發(fā)生吸附，吸附完成后，進行煤體瓦斯解吸實驗，測試煤體甲烷的解吸流量等參數(shù)，重復(fù)實驗過程。含瓦斯煤受載過程中應(yīng)力-應(yīng)變-滲透特性實驗時，將制作的型煤放入大煤樣倉內(nèi)，連接設(shè)備及氣體管路，啟動應(yīng)力加卸載單元對煤體施加軸向壓力，多參監(jiān)測單元記錄實驗過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、流量等數(shù)據(jù)，通過記錄的流量數(shù)據(jù)自動計算受載煤體的滲透率。

3.2 不同粒徑煤體甲烷吸附規(guī)律

不同粒徑煤體甲烷吸附變化規(guī)律如圖6，0.5 mm 以下煤體甲烷吸附平衡過程如圖7。

圖6 不同粒徑煤體甲烷吸附變化規(guī)律Fig.6 Changes of methane adsorption in different particle sizes

圖7 0.5 mm 以下煤體甲烷吸附平衡過程Fig.7 Adsorption equilibrium process of methane from coal below 0.5 mm

由圖6 可知，等溫吸附曲線的斜率隨著時間增大而減小，表明煤的甲烷吸附能力隨時間增大而逐漸減弱，同一時刻，粒徑越小，吸附壓力降低越快，吸附平衡的時間越短，這是因為甲烷氣體量恒定時，粒徑越小，甲烷氣體分子與煤體之間的接觸面積越大，單位體積內(nèi)的甲烷接觸分子數(shù)量越多，使其被吸附的幾率更大，達到吸附平衡的時間更短。不同粒徑煤體煤樣倉內(nèi)壓力隨時間變化曲線基本符合指數(shù)函數(shù)形式，隨著煤體粒徑的增大，瓦斯吸附能力逐漸降低，吸附平衡所需的時間增加。不同粒徑煤體瓦斯吸附曲線擬合方程見表1。

表1 不同粒徑煤體瓦斯吸附曲線擬合方程Table 1 Fitting equation of gas adsorption of different particle sizes

3.3 不同粒徑煤體甲烷解吸規(guī)律

解吸率是煤樣的解吸量與吸附量的比值，是判斷煤體瓦斯解吸效果最直接的指標，解吸率變化曲線如圖8，不同粒徑煤體瓦斯解吸強度擬合方程及解吸總量見表2。

圖8 不同粒徑煤體解吸率變化曲線Fig.8 Curves of coal desorption rate of different particle sizes

由圖8 可知，不同粒徑煤樣解吸均在較短時間內(nèi)達到了平衡，前期10 min 內(nèi)解吸速率極快，解吸率快速增大，后期解吸率緩慢增加并趨于穩(wěn)定，達到了平衡狀態(tài)，這是由于煤中瓦斯主要為游離瓦斯和吸附瓦斯，瓦斯的吸附和解吸處于動態(tài)平衡過程，解吸初期，煤中的游離瓦斯快速釋放，后期吸附瓦斯解吸較慢且解吸率逐漸穩(wěn)定，導(dǎo)致前期解吸率快速增大，后期緩慢增加并趨于穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為動態(tài)平衡，解吸率不再升高。

與吸附過程相似，不同粒徑煤體瓦斯解吸強度擬合方程符合指數(shù)函數(shù)形式，表明煤樣的吸附和解吸規(guī)律相似，解吸總量總體上隨著粒徑的增大而減小，這是由于煤體粒徑越小，暴露的面積相對較大，煤體內(nèi)部的瓦斯釋放地更加充分，因此解吸總量隨著粒徑的增大總體上呈減小趨勢。

3.4 含瓦斯煤受載過程中應(yīng)力-應(yīng)變-滲透規(guī)律

含瓦斯煤樣受載過程中應(yīng)力-應(yīng)變-滲透率變化如圖9。

圖9 含瓦斯煤樣受載過程中應(yīng)力-應(yīng)變-滲透率變化Fig.9 Curves of axial stress, strain and permeability under regular loading

由圖9 可知，整個應(yīng)力加載過程中可分為4 個階段，分別為：壓密階段Ⅰ、彈性變形階段Ⅱ、屈服階段Ⅲ和峰后軟化階段Ⅳ。階段Ⅰ隨著應(yīng)力的逐漸增大，煤體中的原始孔隙或裂隙被壓密，氣體流動受阻，煤體的滲透率快速下降；階段Ⅱ隨著軸壓的繼續(xù)增大，煤體應(yīng)變快速增大，原生孔隙或裂隙被進一步壓密，滲透率下降趨勢變緩并降低至最低值，瓦斯涌出量減小，此時瓦斯較難抽采；階段Ⅲ隨著應(yīng)力的繼續(xù)增大，煤體原生裂隙擴展，次生裂隙形成，煤樣出現(xiàn)屈服變形，滲透率緩慢增加，但增加幅度較小；階段Ⅳ達到峰值應(yīng)力后，煤體裂隙增多，滲透率大幅增加，對應(yīng)工作面瓦斯卸壓區(qū)域，煤體滲透率相對較高，此區(qū)域瓦斯相對容易抽采。

4 結(jié) 語

1）采用模塊化方法設(shè)計并研制了含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗平臺，分別為恒壓自動充氣吸附單元、煤樣瓦斯“面擴散”滲流解吸裝置、瓦斯抽采單元、應(yīng)力加卸載單元、非接觸式應(yīng)變測量單元、聲發(fā)射監(jiān)測單元、多參監(jiān)測單元和實驗系統(tǒng)管理軟件8 部分組成。

2）實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)不同粒徑煤體瓦斯解吸吸附規(guī)律、不同抽采下煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律、不同應(yīng)力下煤體滲流規(guī)律、內(nèi)部損傷裂隙研究，同時可進行煤體應(yīng)力-裂隙-滲流場的耦合實驗，能夠更加真實的模擬瓦斯?jié)B流狀態(tài)、應(yīng)變和裂隙發(fā)育規(guī)律。

3）應(yīng)用實驗系統(tǒng)進行了不同粒徑煤體甲烷吸附解吸實驗，不同粒徑煤體的吸附和解吸均符合指數(shù)函數(shù)形式，粒徑越小，吸附壓力降低越快，吸附平衡的時間越短，解吸率增大越快，解吸率先快速增大后緩慢增加并達到了平衡狀態(tài)，解吸總量總體上隨著粒徑的增大而減小。

4）含瓦斯煤受載過程的應(yīng)力-應(yīng)變滲透特性呈階段性特征，分別為壓密階段、彈性變形階段、屈服階段和峰后軟化階段，煤體的滲透率在各階段有著不同的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為卸壓瓦斯精準抽采提供理論支撐。