单轴应力_温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征
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HE Manchao1，2，WANG Chunguang1，2，LI Dejian1，2，LIU Jing1，2，ZHANG Xiaohu2
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China)
煤岩中复杂孔隙结构使其具有较强吸附能力， 为此已有众多学者对脱气煤样进行单组分或多组分 气体等温吸附试验[6，7]。研究发现瓦斯中不同组分 吸附能力存在差异[8]，其中 CO2 吸附能力要强于 CH4；吸附气体解吸能力主要受煤种和吸附气体本 身性质影响[9]；温度升高会引起煤中瓦斯吸附量降 低[10]，而在解吸过程中则会出现煤体温度降低现 象[11]。煤体吸附瓦斯后会发生体积膨胀导致煤体承 载能力降低[5]。在地应力和热流场作用下，煤层瓦 斯中储存大量势能。一旦煤层暴露后，瓦斯会在一 定煤体应力、瓦斯压力及解吸释放的膨胀能的共同 作用下使煤体向自由面剧烈破坏。根据这一特点， 杨 栋等[12]对大尺度煤样进行瓦斯抽放试验，再现 大规模的瓦斯突出过程。
工程开挖可改变煤层原有的三维应力状态，在 卸压过程中释放出大量游离瓦斯，与此同时煤基质 中吸附瓦斯也会因开挖导致温度、压力变化而发生 解吸[17，18]。随着裂隙中游离瓦斯不断逸散，煤体孔 隙中气体压力降低，从煤基质表面脱附(解吸)的气 体运移方式以扩散为主[19，20]。受煤中复杂孔隙结 构制约，实际气体扩散通量较小。因此从现场取回 煤样中会保存一部分吸附瓦斯气体，可按照相关手 册[21]测定残存瓦斯含量。
(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083)
摘要：利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统，对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用
下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度，促使煤中原生吸附瓦斯解吸，模拟煤体变形
深部煤层开采中应力场和能量场的动态演化与 发展必然为各种动力灾害的孕育、发生和发展创造 条件[13]。例如在开采造成坚硬顶板(特别是厚层砂 岩顶板)的运动失稳可导致矿柱和采场巷道工作面 发生瞬时冲击动力灾害。基于煤层开采中应力场与
温度场特点，本文利用自主研发的深部煤岩温度– 压力耦合试验系统(见图 1)，从岩块尺度上模拟煤体 变形过程中吸附瓦斯在温度–应力作用下解吸–运 移过程，为研究瓦斯在煤层采动裂隙中运移规律， 揭示煤岩体的冲击倾向性、以及地质构造和原岩应 力条件对煤矿深井动力灾害成灾的作用机制提供试 验研究基础。同时对于探讨煤层瓦斯突出机制和煤 层气开采具有参考价值。
收稿日期：2009–11–04；修回日期：2010–01–22 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202200)；教育部创新团队发展计划项目(IRT0656) 作者简介：何满潮(1956–)，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩石力学理论及灾害控制 方面的教学与研究工作。E-mail：chunguangkuangda@126.com
• 866 •
岩石力学与工程学报
Key words：mining engineering；temperature-pressure coupling；adsorption；desorption
2010 年
1引言
我国煤矿进入深部开采后工作面瓦斯涌出和煤 与瓦斯突出事故日趋严重[1]。深部煤岩体通常为含 有节理裂隙的层状结构。在高地应力和开采扰动下， 采场和巷道围岩体不可避免地发生变形和破坏形成 断续结构[2]，为煤层瓦斯向开挖空间迁移提供畅通 通道。采掘工程向深部延伸中伴随地温升高。据相 关资料统计，在中国采深达到达－650 m 的国有矿井 中，生产水平的平均原始岩温为 35.9 ℃～36.8 ℃， 而在采深超过－1 000 m 的矿井中，原岩温度高达 40 ℃～45 ℃[3]。同样在美国 Black Warrior 地区， －600～－1 400 m 的煤层温度也在 27 ℃～52 ℃[4]。 煤岩体吸热同时可向开挖空间释放大量瓦斯气体， 也能导致煤基质收缩，进一步提高煤层透气性能[5]。 虽然矿井通风可在一定程度上降低巷道内温度和游 离瓦斯浓度，但难以迁移出在煤体中占 80%～90% 的吸附瓦斯。因此研究开采应力扰动下，煤体破裂 诱发吸附瓦斯解吸–运移机制是目前尚待解决的重 要科学问题。
关键词：采矿工程；温度–压力耦合；吸附；解吸
中图分类号：TD 324
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2010)05–0865–08
DESORPTION CHARACTERISTICS OF ADSORBED GAS IN COAL SAMPLES UNDER COUPLING TEMPERATURE AND UNIAXIAL COMPRESSION
虽然现有测试技术很难在室内还原煤样实际赋
存状态，但本研究旨在探讨原煤中原始吸附瓦斯在 不同温度、压力影响下解吸特性，以及煤中孔隙结 构变化对吸附瓦斯运移特征的影响，暂不考虑煤样 在取样和加工过程中逸散的瓦斯。因此本试验不对 煤样进行注气–加载–卸压等常规方法[22，23]，而是 依据矿震后煤层位移特征[24]，直接对原始煤样加温 促使原生吸附气体发生解吸，然后依次施加单轴压 应力和围压以探讨煤中裂隙张开、闭合对吸附气体 运移影响。 3.2 煤样制备
Abstract：The desorption process of adsorbed gas in coal from Nanshan coal mine is studied using an experimental system with temperature-pressure coupling in particular to treat the multiphysical effect on deep coal sample. This experimental system has been designed to apply triaxial pressure and temperature to coal sample，and reproduce the desorption-releasing process of absorbed gas as a result of combination of pressure and temperature. Uniaxial compression tests are carried out on coal samples under constant temperature and increasing temperature，respectively. After failure，the deformed samples were subjected to confining pressures. In test，the releasing gas pressure and flow are real-time monitored. The mixed gases is sampled and detected by using a gas chromatography. The results show that a spontaneous negative value observed in gas pressure is consistent with the refluence of gas determined from the volumetric dilatancy development. A large amount of gas is expelled during the closure of fracture due to the present of the confining pressure. Correspondingly，the concentrations of methane，carbon dioxide and ethane are increased sharply. Temperature change is one of desorption-induced factors for adsorbed gas. The existence of a large number of connected cracks in coal matrix may play an important role in gas transport. The mechanism of gas emission is also preliminarily discussed.
测，根据面积外标法计算气体不同组分浓度。
3 试验原理及方法
3.1 试验原理 目前有关煤对不同气体吸附–解吸特性试验研
究方法多数是将原煤加工成不同粒径煤粉后，对其 进行真空脱气–注气吸附平衡–卸压解吸[14～16]。此 法破坏煤中双重孔隙结构，也改变原生吸附气体赋 存特征，不能较为真实描述吸附气体在煤体中解吸 运移规律。
中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压，实时监测逸
出气体压力、流量，抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低
导致气体回流现象；对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中
吸附瓦斯大量解吸因素之一，而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。
图 1 温度–压力耦合试验系统 Fig.1 Temperature-pressure coupling experiment system
2 试验系统开发
深部煤岩温度–压力耦合试验系统由主机、伺 服控制加载、温度控制、气体成分检测及计量 6 个 子系统组成(见图 2)。该系统能够实时监测从煤样 解吸出的瓦斯气体压力和流量，以及抽样检测瓦斯 气体成分和浓度。伺服加压系统(XTYE–2000 型 电液伺服压力试验机)由轴向加载源(最大加载能力 2 000 kN)和侧向加载源(最大加载能力 100 MPa)构 成。温度控制系统由温度控制器、温度传感器和电 加热装置组成。温控器根据油温传感器监测值调节 加热装置中电流，实现对液压油温精确控制(温度 波动±0.1 ℃)。煤温传感器布置于煤样外表面，可实 时监测煤芯温度变化。气体计量系统由高灵敏度气 体压力传感器(分辨率±1 Pa)和 2 个不同量程(5 和 50 mL)流量计组成。2 台气体流量计并联布置，在试验 中可根据气体流量人工切换气体管路以保证测量 精度。从煤样中流出的气体经过三通，一路连接气 体压力传感器，另一路依次流过流量传感器和气体 成分检测系统(GC9790 气相色谱仪)。色谱仪采用热 导检测器(TCD)与氢火焰检测器(FID)串联方式检
第 29 卷 第 5 期
何满潮，等. 单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征
• 867 •
三轴压力室 压力计
流量计
电磁阀
流量计 气相色谱仪 温度控制器 轴向压力
出出气气口口 Baidu Nhomakorabea油口
加热装置
煤样 油温传感器
三轴压力室
围围压压加加载端载端
图 2 试验系统原理图 Fig.2 Schematic diagram of experimental system
第 29 卷 第 5 期 2010 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.5 May，2010
单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征
何满潮 1，2，王春光 1，2，李德建 1，2，刘 静 1，2，张晓虎 2
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China)
煤岩中复杂孔隙结构使其具有较强吸附能力， 为此已有众多学者对脱气煤样进行单组分或多组分 气体等温吸附试验[6，7]。研究发现瓦斯中不同组分 吸附能力存在差异[8]，其中 CO2 吸附能力要强于 CH4；吸附气体解吸能力主要受煤种和吸附气体本 身性质影响[9]；温度升高会引起煤中瓦斯吸附量降 低[10]，而在解吸过程中则会出现煤体温度降低现 象[11]。煤体吸附瓦斯后会发生体积膨胀导致煤体承 载能力降低[5]。在地应力和热流场作用下，煤层瓦 斯中储存大量势能。一旦煤层暴露后，瓦斯会在一 定煤体应力、瓦斯压力及解吸释放的膨胀能的共同 作用下使煤体向自由面剧烈破坏。根据这一特点， 杨 栋等[12]对大尺度煤样进行瓦斯抽放试验，再现 大规模的瓦斯突出过程。
工程开挖可改变煤层原有的三维应力状态，在 卸压过程中释放出大量游离瓦斯，与此同时煤基质 中吸附瓦斯也会因开挖导致温度、压力变化而发生 解吸[17，18]。随着裂隙中游离瓦斯不断逸散，煤体孔 隙中气体压力降低，从煤基质表面脱附(解吸)的气 体运移方式以扩散为主[19，20]。受煤中复杂孔隙结 构制约，实际气体扩散通量较小。因此从现场取回 煤样中会保存一部分吸附瓦斯气体，可按照相关手 册[21]测定残存瓦斯含量。
(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083)
摘要：利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统，对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用
下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度，促使煤中原生吸附瓦斯解吸，模拟煤体变形
深部煤层开采中应力场和能量场的动态演化与 发展必然为各种动力灾害的孕育、发生和发展创造 条件[13]。例如在开采造成坚硬顶板(特别是厚层砂 岩顶板)的运动失稳可导致矿柱和采场巷道工作面 发生瞬时冲击动力灾害。基于煤层开采中应力场与
温度场特点，本文利用自主研发的深部煤岩温度– 压力耦合试验系统(见图 1)，从岩块尺度上模拟煤体 变形过程中吸附瓦斯在温度–应力作用下解吸–运 移过程，为研究瓦斯在煤层采动裂隙中运移规律， 揭示煤岩体的冲击倾向性、以及地质构造和原岩应 力条件对煤矿深井动力灾害成灾的作用机制提供试 验研究基础。同时对于探讨煤层瓦斯突出机制和煤 层气开采具有参考价值。
收稿日期：2009–11–04；修回日期：2010–01–22 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202200)；教育部创新团队发展计划项目(IRT0656) 作者简介：何满潮(1956–)，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩石力学理论及灾害控制 方面的教学与研究工作。E-mail：chunguangkuangda@126.com
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岩石力学与工程学报
Key words：mining engineering；temperature-pressure coupling；adsorption；desorption
2010 年
1引言
我国煤矿进入深部开采后工作面瓦斯涌出和煤 与瓦斯突出事故日趋严重[1]。深部煤岩体通常为含 有节理裂隙的层状结构。在高地应力和开采扰动下， 采场和巷道围岩体不可避免地发生变形和破坏形成 断续结构[2]，为煤层瓦斯向开挖空间迁移提供畅通 通道。采掘工程向深部延伸中伴随地温升高。据相 关资料统计，在中国采深达到达－650 m 的国有矿井 中，生产水平的平均原始岩温为 35.9 ℃～36.8 ℃， 而在采深超过－1 000 m 的矿井中，原岩温度高达 40 ℃～45 ℃[3]。同样在美国 Black Warrior 地区， －600～－1 400 m 的煤层温度也在 27 ℃～52 ℃[4]。 煤岩体吸热同时可向开挖空间释放大量瓦斯气体， 也能导致煤基质收缩，进一步提高煤层透气性能[5]。 虽然矿井通风可在一定程度上降低巷道内温度和游 离瓦斯浓度，但难以迁移出在煤体中占 80%～90% 的吸附瓦斯。因此研究开采应力扰动下，煤体破裂 诱发吸附瓦斯解吸–运移机制是目前尚待解决的重 要科学问题。
关键词：采矿工程；温度–压力耦合；吸附；解吸
中图分类号：TD 324
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2010)05–0865–08
DESORPTION CHARACTERISTICS OF ADSORBED GAS IN COAL SAMPLES UNDER COUPLING TEMPERATURE AND UNIAXIAL COMPRESSION
虽然现有测试技术很难在室内还原煤样实际赋
存状态，但本研究旨在探讨原煤中原始吸附瓦斯在 不同温度、压力影响下解吸特性，以及煤中孔隙结 构变化对吸附瓦斯运移特征的影响，暂不考虑煤样 在取样和加工过程中逸散的瓦斯。因此本试验不对 煤样进行注气–加载–卸压等常规方法[22，23]，而是 依据矿震后煤层位移特征[24]，直接对原始煤样加温 促使原生吸附气体发生解吸，然后依次施加单轴压 应力和围压以探讨煤中裂隙张开、闭合对吸附气体 运移影响。 3.2 煤样制备
Abstract：The desorption process of adsorbed gas in coal from Nanshan coal mine is studied using an experimental system with temperature-pressure coupling in particular to treat the multiphysical effect on deep coal sample. This experimental system has been designed to apply triaxial pressure and temperature to coal sample，and reproduce the desorption-releasing process of absorbed gas as a result of combination of pressure and temperature. Uniaxial compression tests are carried out on coal samples under constant temperature and increasing temperature，respectively. After failure，the deformed samples were subjected to confining pressures. In test，the releasing gas pressure and flow are real-time monitored. The mixed gases is sampled and detected by using a gas chromatography. The results show that a spontaneous negative value observed in gas pressure is consistent with the refluence of gas determined from the volumetric dilatancy development. A large amount of gas is expelled during the closure of fracture due to the present of the confining pressure. Correspondingly，the concentrations of methane，carbon dioxide and ethane are increased sharply. Temperature change is one of desorption-induced factors for adsorbed gas. The existence of a large number of connected cracks in coal matrix may play an important role in gas transport. The mechanism of gas emission is also preliminarily discussed.
测，根据面积外标法计算气体不同组分浓度。
3 试验原理及方法
3.1 试验原理 目前有关煤对不同气体吸附–解吸特性试验研
究方法多数是将原煤加工成不同粒径煤粉后，对其 进行真空脱气–注气吸附平衡–卸压解吸[14～16]。此 法破坏煤中双重孔隙结构，也改变原生吸附气体赋 存特征，不能较为真实描述吸附气体在煤体中解吸 运移规律。
中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压，实时监测逸
出气体压力、流量，抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低
导致气体回流现象；对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中
吸附瓦斯大量解吸因素之一，而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。
图 1 温度–压力耦合试验系统 Fig.1 Temperature-pressure coupling experiment system
2 试验系统开发
深部煤岩温度–压力耦合试验系统由主机、伺 服控制加载、温度控制、气体成分检测及计量 6 个 子系统组成(见图 2)。该系统能够实时监测从煤样 解吸出的瓦斯气体压力和流量，以及抽样检测瓦斯 气体成分和浓度。伺服加压系统(XTYE–2000 型 电液伺服压力试验机)由轴向加载源(最大加载能力 2 000 kN)和侧向加载源(最大加载能力 100 MPa)构 成。温度控制系统由温度控制器、温度传感器和电 加热装置组成。温控器根据油温传感器监测值调节 加热装置中电流，实现对液压油温精确控制(温度 波动±0.1 ℃)。煤温传感器布置于煤样外表面，可实 时监测煤芯温度变化。气体计量系统由高灵敏度气 体压力传感器(分辨率±1 Pa)和 2 个不同量程(5 和 50 mL)流量计组成。2 台气体流量计并联布置，在试验 中可根据气体流量人工切换气体管路以保证测量 精度。从煤样中流出的气体经过三通，一路连接气 体压力传感器，另一路依次流过流量传感器和气体 成分检测系统(GC9790 气相色谱仪)。色谱仪采用热 导检测器(TCD)与氢火焰检测器(FID)串联方式检
第 29 卷 第 5 期
何满潮，等. 单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征
• 867 •
三轴压力室 压力计
流量计
电磁阀
流量计 气相色谱仪 温度控制器 轴向压力
出出气气口口 Baidu Nhomakorabea油口
加热装置
煤样 油温传感器
三轴压力室
围围压压加加载端载端
图 2 试验系统原理图 Fig.2 Schematic diagram of experimental system
第 29 卷 第 5 期 2010 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.5 May，2010
单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征
何满潮 1，2，王春光 1，2，李德建 1，2，刘 静 1，2，张晓虎 2