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甲烷和水共同吸附下煤体变形规律特征研究

2019-01-20杨俣诗李立坤陈祥辉郭亚杰

中国新技术新产品 2019年23期
关键词:应变

杨俣诗 李立坤 陈祥辉 郭亚杰

摘  要:利用自制的煤体应变监测装置,采用监测煤体表面应变的方法,开展了水气共吸的煤体变形实验,研究煤体在甲烷和水共同吸附下的变形规律。获得了相关实验数据并绘制成时间-应变变化曲线。结果表明:在水和甲烷共吸条件下,煤体发生了拉伸变形,纵向变形量大于横向变形量,试样临界区的变形量大于湿区、干区。在不同甲烷压力作用下,水汽共同作用区域的变形量大于单纯气区和液区。

关键词:水气共吸;煤体变形;应变

中图分类号:TD712        文献标志码:A

0 引言

甲烷,不仅是井下主要事故的危险源和温室气体,还是良好的清洁能源,但因为我国煤层的渗透率较低,使得甲烷的抽采效率受到了严重影响。为了提高甲烷的抽采效率,增强煤层透气性,我国学者提出过很多方案,例如密集钻孔、深孔爆破、水力割缝、注CO2驱替及注N2驱替等,这些方案在煤矿开采中发挥了重要作用,并取得了一定的成绩。但无论哪种方案,都存在各自的局限性。例如使用非常多的水利化措施,在实际操作中可能会造成外加水进入煤体,水在接触到煤体后,会抢占煤体表面的甲烷吸附位点,从而使甲烷的吸附能力降低,在这种情况下,必定会引起煤体变形。

Karr等学者将水分为4类。1)吸附水,指吸附于煤体微孔或毛细孔中的水分。2)表面水,指存在于煤体表面的水。3)毛细水,指毛细孔中的水。4)自由水,指存在于煤颗粒间的水分。国内外众多学者对水和煤体的相互作用做了大量研究,当前一直认为,煤体与水之间的相互作用主要是范德华力与氢键,其中氢键的作用远远大于范德华力。为了研究煤体甲烷吸附与水渗吸的关系,该文进行水和甲烷共同作用下,采用自制的煤体应变监测装置,利用应变监测仪开展原煤煤样分区变形试验。试验环境甲烷压力分别为0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa。通过对不同条件下获得的数据进行分析,以期为水利化措施及煤矿开采等提供参考。

1 试验装置及步骤

1.1 实验装置

该试验装置主要包括水汽试验区和应变采集2部分,水汽试验区(图1)主要有水路、气路、反应罐、压力传感器和真空泵等;应变采集部分主要有:DT85G数据采集仪、应变片和计算机等。其中,反应罐顶部设计12根应变传导线用来连接煤块上的应变片和数据采集仪,同时用AB胶进行连接处的密封处理,反应罐的上方有进出气管道和固定支架,下方是进出水口,如图2所示,DT85G数据采集仪为澳大利亚DATATAKER公司生产,具有48个普通模拟通道和4个脉冲通道,18位A/D转换精度,直接USB接口,且与U盘兼容,可多用户访问,在该试验中设置为每20 s采集一次数据,如图3所示。

1.2 试样制备

该试验所用试样为Φ50 mm×100的圆柱形煤块,煤块使用前先用砂纸打磨,除去表面氧化层,然后挑选较为光滑无裂隙的侧面,在其轴向上、中、下部分别贴横、纵2个应变片,共计6个,用502胶水将应变片的前端粘贴在煤块上,用704胶将应变片的尾端固定,如图4所示,待胶水完全凝固后,将应变片尾端的导线与导线焊接,并连接至数据采集仪,同时打开计算機开始采集数据,数据正常则开始试验。

1.3 试验步骤

该试验的具体步骤如下。1)制备试验所需原煤煤样。2)把试样上应变片的尾端与导线焊接在一起,将应变传导线与数据采集仪连接。3)查看采集到的数据,如有问题重新连接对应的导线,数据正常将试样放入反应罐。4)密封反应罐,确定数据采集周期,打开真空泵。5)待抽至真空后关闭气泵,等待应变数据稳定。6)数据稳定后先加水至煤样中部的纵向应变片底端,后充入甲烷气体至一定压力,等待应变数据稳定。7)数据稳定后先打开出气阀门,将气体排出,后打开出水阀门,将水排出,待数据稳定后做好记录。8)开展不同压力下的多组实验。

注意事项:由于应变采集仪上装有温度感应片,因此在试验过程中要尽量保持恒温; 充入甲烷压力较大时,导线与反应罐顶部接触部分有可能漏气,所以在实验中要做好通风工作,同时保证应变穿导线的稳定;试验结束后,先放气后排水的顺序一定不能颠倒,否则甲烷气体可能进入排水管;贴应变片的煤面,一定要尽可能光滑,否则会对试验结果造成较大影响。

2 试验结果与分析

由试验获得的煤体表面应变的数据,可以得到下列几组曲线(图5),分析得出的规律如下。

2.1 同区上的变形规律

在同区的变形上,纵向比横向更加剧烈,这表明煤样在气体吸附和水渗吸的作用下,纵向拉伸变形更明显。

2.2 水气共吸后的变形规律

进水进气后,煤样会有短暂的小幅度压缩变形,受到气体压力和水压的共同作用,接着在气体吸附和水渗吸的过程中逐渐呈现出拉伸变形,干区的纵向变形在进气短期过程仍有一段压缩变形。

2.3 泄水泄压后的变形规律

在曲线规律中,临界区和湿区变形规律基本一致,且临界区变形大于湿区,而干区在泄水卸压后,变形曲线呈现出大幅变化。产生该现象的原因一方面是湿区甲烷含量较少,临界区是水和甲烷并存,所以两者共同作用区会出现临界区的变形较大;泄水卸压后,干区煤体内的甲烷随卸压沿孔隙解吸,同时存在残余变形,而临界区和湿区有水的存在,即使卸压泄水后,水的残留以及封堵煤体孔隙导致内部气体的封存,尤其临界区最为明显。

3 结论

由试验曲线可得,煤体在水和甲烷共同存在(即临界区)的状态下发生的形变最大,在只有甲烷存在(干区)的状态下发生的形变最小,而在泄水卸压后,临界区发生的形变最大。进水进气后,曲线先有一段小幅度的上升,而后下降,说明煤体接触到甲烷和水的瞬间发生了压缩变形,而后发生拉伸变形。在吸附、渗吸平衡后,进行泄水卸压,煤体气体解吸、水退出,水的毛细作用导致部分渗入煤体孔隙的残余水的留存,因此湿区和临界区在卸压泄水后的残余变形较大,同时临界区的水侵占了煤体孔隙,会封堵部分进入煤体的甲烷解吸的通道,从而导致临界区的残余变形最大。

参考文献

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