煤層瓦斯抽采多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征及其耦合規(guī)律

彭守建，賈 立，許 江，陳捷仁，戴詩(shī)杰，陳月霞

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044; 2. 重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;3.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，河北 廊坊 065201)

我國(guó)油氣資源進(jìn)口量位居全球前列，對(duì)外依存度高。保證油氣資源的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)已成為國(guó)家重大戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯高效抽采為拓展油氣資源供應(yīng)渠道提供了可能。瓦斯抽采是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合過(guò)程，不同物理場(chǎng)之間相互作用，共同影響瓦斯運(yùn)移通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，改變煤體骨架和基質(zhì)變形，從而影響煤層瓦斯的抽采效果。因此，研究瓦斯抽采過(guò)程中的多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征及其耦合作用機(jī)理，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯高效抽采和煤礦瓦斯災(zāi)害防治具有重要意義。為此，相關(guān)學(xué)者展開(kāi)了系列研究。鮮學(xué)福等研究了變形場(chǎng)和外加電場(chǎng)對(duì)瓦斯?jié)B流的影響，獲得了考慮變形場(chǎng)和外加電場(chǎng)耦合作用時(shí)的一維達(dá)西定律修正公式；林柏泉等研究了含瓦斯煤體的變形規(guī)律，指出瓦斯吸附過(guò)程屬于膨脹變形，解吸過(guò)程屬于收縮變形；CONNELL開(kāi)展了真三軸條件下的煤巖滲透率模擬試驗(yàn)，并建立了考慮應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)耦合作用下的滲透率模型；TAO等探討了溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合環(huán)境下砂巖滲透率演化規(guī)律，及其孔裂隙結(jié)構(gòu)特征；FAN等優(yōu)化了THM耦合數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)對(duì)比分析了注CO和N驅(qū)替瓦斯效果和增產(chǎn)增滲機(jī)理；倪小明等構(gòu)建了氣-水兩相流階段煤基質(zhì)收縮數(shù)學(xué)模型，探討了有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)煤體變形的影響；梁冰等開(kāi)展了原煤瓦斯吸附過(guò)程中的煤體變形量測(cè)試試驗(yàn)，認(rèn)為原煤吸附膨脹變形呈各向異性；許江等自主研發(fā)了多場(chǎng)耦合瓦斯抽采大型物理模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采過(guò)程中物理場(chǎng)參數(shù)的三維采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控；李波波等建立了考慮溫度場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)耦合作用下的滲透率數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的可靠性。

目前，針對(duì)不同應(yīng)力條件下瓦斯同步抽采過(guò)程中多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其耦合規(guī)律的研究還較少，對(duì)于多物理場(chǎng)耦合作用下抽采過(guò)程中煤體變形機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍有待深化。鑒于此，筆者利用自主研發(fā)的多場(chǎng)耦合瓦斯抽采物理模擬試驗(yàn)裝置，開(kāi)展工作面前方不同應(yīng)力區(qū)域瓦斯同步抽采物理模擬試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)數(shù)據(jù)三維采集，分析抽采過(guò)程中煤層多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律及其耦合作用機(jī)理，以期為瓦斯抽采工程提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

多場(chǎng)耦合瓦斯抽采物理模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置主要由煤層模擬系統(tǒng)、注氣吸附系統(tǒng)、真三軸伺服加載控制系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。其中，煤層模擬系統(tǒng)主要由試件箱體(1 050 mm×400 mm×400 mm)、抽采管(長(zhǎng)度為330 mm)和多孔金屬板(300 mm×162 mm)組成，試件箱體用來(lái)鋪設(shè)型煤相似材料和各種傳感器，可實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采過(guò)程中煤層多物理場(chǎng)參數(shù)三維采集。抽采管由長(zhǎng)度分別為160 mm和170 mm的有效抽采段和連接段組成，有效抽采段部分分布有透氣孔，連接段前端設(shè)計(jì)有可變形軟管，用來(lái)防止氣體運(yùn)移速率過(guò)快使抽采管折斷。瓦斯抽采系統(tǒng)由流量計(jì)、針型閥、氣壓傳感器和模擬井筒組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成瓦斯壓力、煤體溫度、地應(yīng)力、煤體變形和流量等參數(shù)的采集。裝置的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 多場(chǎng)耦合瓦斯抽采物理模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Multi field coupling gas drainage physical simulation test device

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

謝和平等指出工作面前方煤體地應(yīng)力起始于準(zhǔn)靜水壓力狀態(tài)，隨著工作面推進(jìn)，垂直應(yīng)力由三向等壓狀態(tài)升至峰值應(yīng)力，而后進(jìn)入卸壓狀態(tài)，即在工作面前方易形成不同應(yīng)力分布區(qū)域?；诖?，結(jié)合相似模擬常數(shù)為5，確定了試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力Ⅰ區(qū)水平、垂直加載應(yīng)力==2.0 MPa，應(yīng)力Ⅱ區(qū)==3.5 MPa，應(yīng)力Ⅲ區(qū)==5.0 MPa，應(yīng)力Ⅳ區(qū)==1.0 MPa，第三向加載應(yīng)力=2.0 MPa，瓦斯壓力為1.0 MPa。即試驗(yàn)過(guò)程中地應(yīng)力加載呈階梯狀(圖2)，模擬工作面前方不同應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力特征，試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力加載方式如圖2所示。煤樣基礎(chǔ)性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)主要步驟：① 前期準(zhǔn)備：把從貴州金佳煤礦取回的煤樣進(jìn)行破碎、篩分和烘干。② 型煤制備：基于前期研究確定的型煤相似材料最優(yōu)配比方案，開(kāi)展型煤相似材料的配制，并充分?jǐn)嚢杈鶆?。?試件成型：為便于安裝傳感器和抽采管，型煤壓制成型分4次完成，即分為4層壓制成型，每次成型壓力均為7.5 MPa，保壓時(shí)間均為1 h。④ 抽真空：通過(guò)氦氣檢查試件箱體密封性之后，使用真空泵進(jìn)行抽真空處理，待煤層內(nèi)部氣壓下降至0.1 kPa時(shí)關(guān)閉真空泵。⑤ 應(yīng)力加載與充氣吸附：首先編寫(xiě)應(yīng)力加載程序，啟動(dòng)應(yīng)力加載，然后再打開(kāi)高壓氣瓶進(jìn)行充氣，為保證試驗(yàn)過(guò)程安全，吸附氣體為CO，吸附時(shí)間約48 h。⑥ 瓦斯抽采：在確保煤層瓦斯壓力吸附平衡，且地應(yīng)力加載穩(wěn)定之后，關(guān)閉進(jìn)氣口閥門(mén)，并打開(kāi)出氣口閥門(mén)，開(kāi)始抽采。抽采負(fù)壓為大氣壓。⑦ 結(jié)束試驗(yàn)：當(dāng)瓦斯壓力接近枯竭壓力時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

圖2 地應(yīng)力加載與傳感器空間布置Fig.2 In-situ stress loading and spatial arrangement of sensors

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征

2.1.1 瓦斯壓力響應(yīng)特征

瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)的方式賦存于煤層中。在原始煤層中，基質(zhì)中的吸附態(tài)瓦斯和孔裂隙中的游離態(tài)瓦斯處于“吸附-脫附”動(dòng)態(tài)平衡。在瓦斯抽采過(guò)程中，煤層瓦斯壓力平衡狀態(tài)被打破，隨著游離態(tài)瓦斯被抽出，致使瓦斯壓力衰減，促使吸附態(tài)瓦斯發(fā)生脫附，補(bǔ)充為游離態(tài)瓦斯。圖3為抽采過(guò)程中不同應(yīng)力區(qū)的瓦斯壓力演化情況。

4個(gè)應(yīng)力區(qū)的瓦斯壓力演化曲線整體上均呈現(xiàn)先快速衰減、后緩慢變化的特征，即在抽采前期瓦斯壓力衰減明顯，中后期瓦斯壓力變化較小。就瓦斯壓力衰減速率而言，不同區(qū)域存在明顯差異。以瓦斯壓力衰減至0.14 MPa為例，應(yīng)力Ⅳ區(qū)、應(yīng)力Ⅲ區(qū)、應(yīng)力Ⅱ區(qū)和應(yīng)力Ⅰ區(qū)分別用時(shí)7.55，64.50，35.60，30.00 min，即應(yīng)力Ⅳ區(qū)瓦斯壓力衰減速率最快，其次是應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)，而應(yīng)力Ⅲ區(qū)最慢。

表2 煤樣工業(yè)分析和基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)

圖3 瓦斯壓力動(dòng)態(tài)演化曲線Fig.3 Dynamic evolution curves of gas pressure

在外部荷載作用下，煤層內(nèi)部積聚和存儲(chǔ)彈性應(yīng)變能，煤體積聚的彈性應(yīng)變能可表示為

(1)

式中，為煤體彈性模量；為煤體泊松比；，和為三向應(yīng)力。

由式(1)可知，因不同應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體所受應(yīng)力大小不同，煤基質(zhì)和孔裂隙骨架積聚和存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能亦有所差異，致使不同區(qū)域的煤基質(zhì)和孔裂隙體積變化存在差異，進(jìn)而使得不同應(yīng)力區(qū)的導(dǎo)流能力差異顯著，即應(yīng)力Ⅳ區(qū)導(dǎo)流能力強(qiáng)，壓降速率大，其次是應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)，而應(yīng)力Ⅲ區(qū)的導(dǎo)流能力和壓降速率均較小。

2.1.2 煤體溫度響應(yīng)特征

在瓦斯抽采過(guò)程中，瓦斯解吸是一個(gè)吸熱過(guò)程，導(dǎo)致煤體溫度變化，圖4為瓦斯抽采過(guò)程中不同應(yīng)力區(qū)的煤體溫度變化情況。由圖4可知，應(yīng)力Ⅳ區(qū)溫度下降量最大，應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)溫度下降量次之，應(yīng)力Ⅲ區(qū)溫度下降量最小。此外，就溫度下降速度而言，4個(gè)區(qū)域的煤體溫度下降均呈現(xiàn)先急劇衰減，后緩慢變化的特征。

根據(jù)瓦斯抽采過(guò)程中的熱力學(xué)過(guò)程可知

=

(2)

式中，為瓦斯壓力；為氣體比體積；為多變指數(shù)；為常數(shù)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有

=

(3)

式中，為氣體狀態(tài)常數(shù)；為溫度。

聯(lián)立式(2),(3)可得

(4)

式中，和分別為時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力和煤體溫度；和分別為時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力和煤體溫度。

通過(guò)式(4)可得溫度下降量與瓦斯壓力的關(guān)系

(5)

由式(4)和式(5)可知，在瓦斯抽采過(guò)程中，隨著瓦斯壓力減小，煤體溫度逐漸降低。由于瓦斯壓力衰減速率和衰減量呈現(xiàn)：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)(圖3)。因此，溫度衰減速率和衰減量呈現(xiàn)出圖4所示的響應(yīng)特征：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)。

圖4 煤體溫度動(dòng)態(tài)演化曲線Fig.4 Dynamic evolution curves of coal temperature

2.1.3 煤體變形響應(yīng)特征

在瓦斯抽采過(guò)程中，不同應(yīng)力區(qū)煤體變形動(dòng)態(tài)演化特征如圖5所示。由圖5(a)可知，煤體變形具有延遲效應(yīng)，即在抽采瞬間煤體并沒(méi)有立即發(fā)生變形，而是隨著抽采的進(jìn)行，煤體變形才逐漸開(kāi)始增加，之后處于動(dòng)態(tài)非線性變化中。其中，在抽采前期煤體變形增加速率大，抽采后期煤體變形增加速率相對(duì)較小。圖5(b)為抽采結(jié)束時(shí)煤體的體積應(yīng)變值和地應(yīng)力值，應(yīng)力Ⅰ區(qū)～應(yīng)力Ⅳ區(qū)的體積應(yīng)變分別為：2.54×10,2.36×10,2.56×10和2.79×10。

在抽采初始階段，煤層瓦斯壓力快速衰減(圖3)，導(dǎo)致煤層有效應(yīng)力增大，從而使得煤體發(fā)生有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)，致使煤體變形開(kāi)始增加。隨后，由于吸附態(tài)瓦斯解吸使得煤體溫度降低，進(jìn)而導(dǎo)致煤層瓦斯氣體分子運(yùn)移速率減小，從而使得有效應(yīng)力增加速率減小。因此，煤體變形呈現(xiàn)先快后慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外，吸附態(tài)瓦斯不斷解吸，使得煤基質(zhì)發(fā)生收縮效應(yīng)，也進(jìn)一步增加了煤體的變形，最終使得煤體變形曲線呈現(xiàn)非線性變化特征。在抽采結(jié)束時(shí)，瓦斯壓力和煤體溫度最終下降量為：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)，致使煤體變形增加量呈現(xiàn)：應(yīng)力Ⅳ區(qū)>應(yīng)力Ⅲ區(qū)>應(yīng)力Ⅰ區(qū)>應(yīng)力Ⅱ區(qū)。其中，應(yīng)力Ⅲ區(qū)瓦斯壓力和溫度下降量最小，但變形并非最小，這是由于不同應(yīng)力區(qū)之間相互接觸，變形受相鄰應(yīng)力區(qū)的影響，應(yīng)力Ⅲ區(qū)緊鄰的應(yīng)力Ⅳ區(qū)變形量最大，其對(duì)應(yīng)力Ⅲ區(qū)側(cè)向受限減弱，受泊松效應(yīng)影響，致使應(yīng)力Ⅲ區(qū)變形有所增加。綜上所述，在同步抽采過(guò)程中，各應(yīng)力區(qū)域煤體變形受瓦斯壓力、煤體溫度、瓦斯解吸和泊松效應(yīng)等綜合影響。

圖5 煤體變形動(dòng)態(tài)演化曲線Fig.5 Dynamic evolution of coal deformation

在瓦斯抽采過(guò)程中，伴隨著溫度降低和瓦斯壓力衰減。在溫度場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)耦合作用下導(dǎo)致的煤巖體積應(yīng)變?yōu)?/p>

=3Δ

(6)

其中，為煤巖寬度;Δ為溫度場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)耦合作用下的煤巖寬度變化量。有學(xué)者指出線應(yīng)變()可表示為

=Δ=

(7)

式中，為變形常數(shù)(=/，為比表面積；為煤巖密度；為吸附解吸導(dǎo)致的收縮模量)；為瓦斯吸附解吸導(dǎo)致的煤巖表面自由能變化值：

(8)

式中，和分別為吸附平衡瓦斯壓力和解吸后瓦斯壓力；為表面超量。

表面超量可通過(guò)下式獲得

=()

(9)

式中，為過(guò)剩吸附量；為標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積。

過(guò)剩吸附量可表示為

(10)

式中，和均為吸附常數(shù)；和分別為2個(gè)吸附位點(diǎn)的吸附常數(shù)；為權(quán)重系數(shù)；和分別為吸附相和游離相密度。

把式(7)～(10)代入式(6)可獲得考慮溫度變化和瓦斯吸附解吸耦合作用導(dǎo)致的煤巖體積變形為

(11)

由式(11)可知，在進(jìn)行煤層瓦斯抽采時(shí)，煤體變形響應(yīng)除受地應(yīng)力影響外，同時(shí)還受到煤體溫度和瓦斯解吸耦合作用影響，導(dǎo)致煤體變形呈非線性變化。在本文試驗(yàn)中，應(yīng)力Ⅳ區(qū)施加應(yīng)力值最小，但其最終的體積應(yīng)變值最大，這是因?yàn)樵搮^(qū)域在抽采過(guò)程中受瓦斯解吸和溫度影響的變形效應(yīng)較顯著。因此，下面將進(jìn)一步分析在瓦斯抽采過(guò)程中煤體瓦斯壓力、溫度和煤體變形的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制。

2.2 瓦斯壓力與煤體變形的耦合關(guān)系

圖6(a)為應(yīng)力Ⅳ區(qū)瓦斯壓力與體積應(yīng)變耦合關(guān)系曲線。抽采0 min時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)，隨著抽采的進(jìn)行，達(dá)到點(diǎn)時(shí)的瓦斯壓力為0.31 MPa，煤體變形為0，段展示出瓦斯壓力減小，煤體未發(fā)生變形，即變形存在一個(gè)延遲階段；當(dāng)抽采進(jìn)入段，瓦斯壓力持續(xù)衰減，過(guò)點(diǎn)之后，煤體變形開(kāi)始增加(定義為“煤體變形啟動(dòng)點(diǎn)”，后續(xù)簡(jiǎn)稱“啟動(dòng)點(diǎn)”)，即變形存在一個(gè)啟動(dòng)階段；達(dá)到點(diǎn)之后，變形呈“二次遞增”趨勢(shì)(定義為“煤體變形二次遞增點(diǎn)”，后續(xù)簡(jiǎn)稱“二次遞增點(diǎn)”)，即變形存在一個(gè)二次遞增階段；當(dāng)抽采至點(diǎn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，體積應(yīng)變?yōu)?.79×10，瓦斯壓力為0.01 MPa。

圖6 瓦斯壓力與煤體變形的耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship between gas pressure and coal deformation

由此可見(jiàn)，在應(yīng)力Ⅳ區(qū)瓦斯抽采時(shí)，瓦斯壓力與煤體變形耦合曲線具有階段變化特征，大致可分為3個(gè)階段：第1階段以瓦斯壓力加速衰減，且煤體未發(fā)生形變?yōu)樘卣?，以段為代表；?階段以瓦斯壓力持續(xù)衰減，煤體變形開(kāi)始增加為特征，以段為代表；第3階段以瓦斯壓力持續(xù)衰減，煤體變形出現(xiàn)二次遞增為特征，以段為代表。

同樣，在應(yīng)力Ⅲ區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，點(diǎn)為抽采0 min時(shí)刻點(diǎn)，在段，瓦斯壓力加速衰減，煤體變形為0，即存在變形延遲現(xiàn)象；當(dāng)抽采至啟動(dòng)點(diǎn)之后，變形開(kāi)始逐漸增加；抽采達(dá)到點(diǎn)時(shí)，變形具有二次遞增趨勢(shì)，此后，變形具有加速遞增現(xiàn)象；抽采至試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)時(shí)，體積應(yīng)變?yōu)?.56×10，瓦斯壓力為0.02 MPa。結(jié)合圖6(c)～(d)分析可知，應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)的瓦斯壓力與體積應(yīng)變耦合關(guān)系曲線同樣具有上述階段變化特征，存在變形延遲階段、變形啟動(dòng)階段和變形二次遞增階段。

綜上所述，在瓦斯抽采過(guò)程中，煤體變形存在延遲效應(yīng)，僅當(dāng)瓦斯壓力衰減至某一臨界值時(shí)，煤體才開(kāi)始發(fā)生變形，即存在一個(gè)啟動(dòng)點(diǎn)；隨著抽采進(jìn)行，煤體變形存在二次遞增現(xiàn)象，即存在一個(gè)二次遞增點(diǎn)。分析上述現(xiàn)象的原因，主要在于瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于煤層中，游離態(tài)瓦斯約占10%，吸附態(tài)瓦斯約占90%，在進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，游離態(tài)瓦斯最先運(yùn)移出煤層，由于其含量極少，其導(dǎo)致的有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)基本可以忽略，同時(shí)，由于煤儲(chǔ)層中分布有大量的微孔和小孔，對(duì)于吸附態(tài)瓦斯具有一定的束縛能力，加上煤基質(zhì)對(duì)氣體具有毛細(xì)凝結(jié)作用，導(dǎo)致產(chǎn)生瓦斯解吸滯后現(xiàn)象，從而使得煤體瓦斯解吸致變形延遲，對(duì)應(yīng)段；隨著抽采的進(jìn)行，吸附態(tài)瓦斯不斷補(bǔ)充為游離態(tài)瓦斯，游離態(tài)瓦斯含量不斷增加，并逐漸運(yùn)移出煤層，導(dǎo)致煤層有效應(yīng)力增加，煤體孔裂隙骨架被壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致煤體發(fā)生變形，對(duì)應(yīng)段，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)是突破變形延遲的關(guān)鍵；當(dāng)吸附態(tài)瓦斯逐漸解吸至某一臨界值時(shí)，煤基質(zhì)發(fā)生收縮，煤體變形進(jìn)一步增加，使得煤體變形呈二次遞增現(xiàn)象，此后有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)，共同影響著煤體變形，對(duì)應(yīng)段，即基質(zhì)收縮效應(yīng)是煤體變形二次遞增的主控因素。

2.3 煤體溫度與煤體變形的耦合關(guān)系

從瓦斯壓力與煤體變形的耦合關(guān)系分析看，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)煤體變形均存在影響。然而，結(jié)合式(11)可知，煤體溫度同樣是影響煤體變形的重要因素，因此，擬進(jìn)一步探討煤體溫度與煤體變形的耦合機(jī)制。圖7為煤體溫度與煤體變形的耦合關(guān)系曲線。在圖7(a)中，點(diǎn)為抽采開(kāi)始時(shí)刻點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的煤體變形與溫度均未發(fā)生變化，隨著抽采的進(jìn)行，煤體溫度開(kāi)始下降，而變形維持不變，對(duì)應(yīng)段，即發(fā)生變形延遲現(xiàn)象；當(dāng)抽采過(guò)點(diǎn)之后，變形有增加趨勢(shì)，溫度仍然保持下降變化，即存在變形啟動(dòng)點(diǎn)；此后，變形逐漸增加，溫度持續(xù)下降，達(dá)到抽采點(diǎn)時(shí)，變形進(jìn)一步增加，即點(diǎn)為變形二次增加點(diǎn)；當(dāng)抽采至點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度下降量達(dá)到峰值，-11.5 ℃；隨著抽采至試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)時(shí)，煤體溫度達(dá)到-10.86 ℃，即段呈現(xiàn)煤體溫度回升且變形持續(xù)增加的現(xiàn)象。

圖7 煤體溫度與煤體變形的耦合關(guān)系Fig.7 Coupling relationship between coal temperature and coal deformation

分析上述現(xiàn)象的原因，這是因?yàn)槊簩又杏坞x態(tài)瓦斯含量極少，即游離瓦斯導(dǎo)致的有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)基本可以忽略，加上煤層中大量的微孔和小孔對(duì)吸附態(tài)瓦斯的束縛作用，以及煤基質(zhì)對(duì)氣體的毛細(xì)凝結(jié)作用，在這雙重影響因素下，導(dǎo)致瓦斯解吸滯后，煤體變形延遲，對(duì)應(yīng)段；隨著抽采的進(jìn)行，煤體溫度持續(xù)降低，孔隙裂隙持續(xù)吸熱，致使孔隙裂隙骨架發(fā)生解吸吸熱收縮變形，煤體變形增加，對(duì)應(yīng)段(結(jié)合2.2節(jié)可知，在階段，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)同樣會(huì)對(duì)孔隙裂隙骨架發(fā)生作用，致使其產(chǎn)生變形，即在此階段，變形是解吸吸熱導(dǎo)致的收縮變形和有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)雙重作用的結(jié)果，換言之，解吸熱收縮效應(yīng)和有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)是突破變形延遲現(xiàn)象的關(guān)鍵；當(dāng)抽采進(jìn)入段時(shí)，變形出現(xiàn)二次遞增現(xiàn)象，這和2.2節(jié)分析的一致，即由基質(zhì)收縮效應(yīng)起主導(dǎo)作用導(dǎo)致的變形量增加，此階段也存在解吸吸熱導(dǎo)致的收縮變形和有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)的雙重作用；當(dāng)抽采進(jìn)入段，由于應(yīng)力Ⅳ區(qū)溫度下降速率和下降量較大，導(dǎo)致與其他3個(gè)應(yīng)力區(qū)形成較大的溫度差，進(jìn)而形成熱傳遞，導(dǎo)致其溫度上升，而煤體變形有延遲效應(yīng)，所以變形維持增加趨勢(shì)。對(duì)比圖7(b)～(d)，煤體溫度與體積應(yīng)變耦合曲線同樣具有上述特征，均具有階段性變化特征，區(qū)別在于：4個(gè)應(yīng)力區(qū)對(duì)應(yīng)的延遲現(xiàn)象存在明顯差異，煤體變形啟動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的煤體溫度差異顯著，總體呈現(xiàn)：應(yīng)力Ⅲ區(qū)變形延遲現(xiàn)象最顯著，啟動(dòng)點(diǎn)的煤體溫度下降量最大，應(yīng)力Ⅱ區(qū)和應(yīng)力Ⅰ區(qū)次之，而應(yīng)力Ⅳ區(qū)則最小。這是由于，在應(yīng)力Ⅳ區(qū)，對(duì)應(yīng)的煤體溫度下降速率和下降量最大，促進(jìn)了解吸吸熱導(dǎo)致的收縮變形發(fā)生速率加快，最終呈現(xiàn)變形延遲現(xiàn)象減弱。

3 結(jié) 論

(1)在瓦斯抽采過(guò)程中，煤體溫度持續(xù)下降，其中應(yīng)力Ⅳ區(qū)下降速率最快，其次為應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)，應(yīng)力Ⅲ區(qū)溫度下降速度最慢，瓦斯壓力衰減特征和煤體溫度下降規(guī)律具有相似性。煤體變形受煤體溫度和瓦斯壓力耦合作用影響，使煤體變形呈非線性增加，且抽采前期增速快，后期相對(duì)較慢。應(yīng)力Ⅳ區(qū)煤體變形量最大，應(yīng)力Ⅲ區(qū)由于受到泊松效應(yīng)影響，其煤體變形大于應(yīng)力Ⅰ區(qū)和應(yīng)力Ⅱ區(qū)。

(2) 在瓦斯抽采中，煤體變形具有階段性變化特征，包括變形延遲階段、變形啟動(dòng)階段和變形二次遞增階段，其中，變形延遲的實(shí)質(zhì)是煤層中大量分布的微孔和小孔，對(duì)吸附態(tài)瓦斯脫附的束縛作用，加上煤基質(zhì)對(duì)瓦斯的毛細(xì)凝結(jié)作用，導(dǎo)致瓦斯解吸滯后，從而出現(xiàn)煤體變形延遲現(xiàn)象。隨著抽采進(jìn)行，煤體變形延遲被突破，變形逐漸增加，并出現(xiàn)二次遞增現(xiàn)象。

(3) 在瓦斯抽采過(guò)程中，煤體變形的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受到有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)、基質(zhì)收縮效應(yīng)、解吸熱收縮效應(yīng)和泊松效應(yīng)等共同影響，其中，泊松效應(yīng)主要對(duì)應(yīng)力Ⅲ區(qū)起主導(dǎo)作用，有效應(yīng)力壓縮效應(yīng)是突破變形延遲現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，解吸熱收縮效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)是煤體變形二次遞增的主控因素。