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应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

期刊:煤炭科学技术DOI:10.13199/j.cnki.cst.2021.05.005

应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究由魏建平(河南理工大学安全科学与工程学院、煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心)、温志辉(同单位)、苑永旺、王奇、司磊磊等合作完成,发表于《Coal Science and Technology》(煤炭科学技术)2021年第49卷第5期(2021年5月),DOI编号10.13199/j.cnki.cst.2021.05.005。

二、学术背景
随着煤矿开采深度增加,地应力升高及开采扰动易在采掘工作面形成应力集中区,引发应力主导型煤与瓦斯突出或冲击-瓦斯复合灾害。深部煤层瓦斯赋存环境复杂,应力场对瓦斯吸附-解吸-渗流过程的影响机制尚不明确。前人研究多聚焦于颗粒煤的吸附解吸规律,但实际煤层受应力、温度等多场耦合作用,且颗粒煤制备过程破坏了原始孔隙结构,导致实验结果与实际存在差异。本研究以焦作矿区九里山矿无烟煤为对象,通过三轴应力条件下煤样的等温解吸和恒压应力响应试验,揭示应力对瓦斯解吸特征的调控机制,为深部瓦斯灾害防治和煤层气开采提供理论依据。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
从九里山矿二1煤层采集大块煤样,液氮冷冻钻取ø50 mm×100 mm标准圆柱样,端面打磨至平滑度≤0.02%,80℃干燥48小时后密封保存。样品原始瓦斯含量19.17 m³/t,压力1.07 MPa。

  1. 试验装置
    采用自主研发的煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置(图1a),配备活塞式回压阀(控制精度±0.02 MPa),可精确调控孔隙压力,实现恒压条件下的应力解吸响应测试。

  2. 试验设计

    • 等温解吸试验:围压固定3 MPa,吸附平衡压力2 MPa,分别在轴向应力0、3、6、9、12、15 MPa下进行解吸,记录解吸量及速率。
    • 恒压应力响应试验:采用He(非吸附性气体)和CH₄(吸附性气体)对比试验,按图3加载路径(预压变形→He介质加载→CH₄介质加载)分析应力诱导解吸行为。
  3. 数据分析

    • 解吸累积量采用Langmuir型方程拟合:( q_t = \frac{abt}{1+bt} )
    • 解吸速率模型:( v = v_1 t^{k_t} ),其中( v_1 )为初始解吸速率,( k_t )为衰减指数。

四、主要结果
1. 应力与解吸量的关系
轴向应力从0增至15 MPa时,极限解吸量从20.0374 mL/g升至26.5415 mL/g(图5),表明应力显著促进瓦斯解吸。解吸曲线交叉现象(图4)反映初始阶段应力对孔隙压缩与解吸的竞争效应。

  1. 解吸动力学特征

    • 初始解吸速率( v_1 )随应力呈指数增长(图7),如15 MPa下( v_1 )较0 MPa提高约40%。
    • 解吸速率衰减指数( k_t )随应力轻微减小(图8),说明应力延缓了速率衰减过程。
  2. 应力诱导解吸机制验证

    • He介质下,气体析出仅发生于加载瞬间(孔隙压缩排游离气),而CH₄介质下析出持续至稳定阶段(图9)。
    • 轴向应力3→9 MPa时,CH₄析出量(1.72 mL/g)远超He(0.25 mL/g),差值(1.47 mL/g)即为应力诱导的基质解吸量(图10)。

五、机制与结论
1. 影响机制
- 孔隙压缩效应:应力闭合裂隙,挤出游离瓦斯,增大初始解吸速率。
- 吸附能力抑制:应力降低煤基质表面覆盖率,使吸附态瓦斯转化为游离态。
- 渗流阻力效应:应力缩小瓦斯运移通道(图11中b₁→b₂),抑制后期解吸。

  1. 科学价值
    首次通过He/CH₄对比试验量化应力诱导解吸量,阐明深部应力集中区瓦斯异常涌出的多尺度机制(吸附-解吸-渗流耦合),为突出前兆识别提供理论支撑。

  2. 应用意义
    指导深部矿井优化瓦斯抽采参数,如在高应力区优先采用卸压增透技术,缓解孔隙压缩对渗流的抑制作用。

六、研究亮点
1. 方法创新:开发三轴恒压解吸装置,实现吸附性/非吸附性气体应力响应的精准对比。
2. 理论突破:揭示应力通过“双刃剑”效应(促进解吸但抑制渗流)调控瓦斯涌出的动态平衡。
3. 工程针对性:聚焦深部开采实际应力环境,弥补颗粒煤实验与原位条件的差异。

七、其他发现
应力集中区瓦斯涌出的“台阶式”特征(图10)可作为突出预警指标,其非连续性与煤基质解吸动力学和回压阀阈值相关。该研究为复合动力灾害防控提供了应力-瓦斯耦合作用的新视角。

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