1、第 29 卷 第 5 期 2010 年 5 月 巖石力學與工程學報 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Vol.29 No.5 May， 2010 單軸應力溫度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征 何滿潮 1 2，王春光 1 2，李德建 1 2，劉 ， ， ， 靜 1 2，張曉虎 2 ， (1. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2. 中國礦業大學 力學與建筑工程學院，北京 100083 摘要：利用自主研發的深部煤巖溫度壓力耦合瓦斯解吸試驗系統，對鶴崗南山礦煤樣進行單軸應力溫度作用 下吸附瓦斯運移過程。

2、該試驗系統通過對煤樣施加不同應力和溫度，促使煤中原生吸附瓦斯解吸，模擬煤體變形 中吸附瓦斯解吸釋放過程。試驗中分別在恒溫和升溫條件下對煤樣依次進行單軸破壞和施加圍壓，實時監測逸 出氣體壓力、流量，抽樣檢測氣體成分和濃度。研究結果表明煤體在單軸壓縮破壞過程中出現氣體逸出壓力降低 導致氣體回流現象；對破裂煤樣施加圍壓后短時間內排出大量高濃度氣體。試驗結果證實溫度升高是誘發煤樣中 吸附瓦斯大量解吸因素之一，而煤體內是否存在大量貫通裂隙是影響瓦斯運移的重要因素。 關鍵詞：采礦工程；溫度壓力耦合；吸附；解吸 中圖分類號：TD 324 文獻標識碼：A 文章編號：10006915(201005086508

3、DESORPTION CHARACTERISTICS OF ADSORBED GAS IN COAL SAMPLES UNDER COUPLING TEMPERATURE AND UNIAXIAL COMPRESSION 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 Tech

4、nology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China Abstract：The desorption process of adsorbed gas in coal from Nanshan coal mine is studied using an experimental system with temperature-pressure coupling in parti

5、cular 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 compressi

6、on 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

7、 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 pressu

8、re. 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 o

9、f gas emission is also preliminarily discussed. 收稿日期：20091104；修回日期：20100122 基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973項目(2006CB202200；教育部創新團隊發展計劃項目(IRT0656 作者簡介：何滿潮(1956，男，博士，1981 年畢業于長春地質學院工程地質專業，現任教授、博士生導師，主要從事深部巖石力學理論及災害控制 方面的教學與研究工作。E-mail：chunguangkuangda 866 巖石力學與工程學報 2010 年 Key words：mining engineering；temperatur

10、e-pressure coupling；adsorption；desorption 溫度場特點，本文利用自主研發的深部煤巖溫度 1 引 言 壓力耦合試驗系統(見圖 1，從巖塊尺度上模擬煤體 變形過程中吸附瓦斯在溫度應力作用下解吸運 移過程，為研究瓦斯在煤層采動裂隙中運移規律， 揭示煤巖體的沖擊傾向性、以及地質構造和原巖應 力條件對煤礦深井動力災害成災的作用機制提供試 驗研究基礎。同時對于探討煤層瓦斯突出機制和煤 層氣開采具有參考價值。 我國煤礦進入深部開采后工作面瓦斯涌出和煤 與瓦斯突出事故日趨嚴重1。深部煤巖體通常為含 有節理裂隙的層狀結構。在高地應力和開采擾動下， 采場和巷道圍巖體不可避免

11、地發生變形和破壞形成 斷續結構 ，為煤層瓦斯向開挖空間遷移提供暢通 通道。采掘工程向深部延伸中伴隨地溫升高。據相 關資料統計，在中國采深達到達650 m 的國有礦井 中，生產水平的平均原始巖溫為 35.9 36.8 ， 而在采深超過 1 000 m 的礦井中，原巖溫度高達 40 45 3。同樣在美國 Black Warrior 地區， 6001 2 400 m 的煤層溫度也在 27 52 4。 煤巖體吸熱同時可向開挖空間釋放大量瓦斯氣體， 也能導致煤基質收縮，進一步提高煤層透氣性能5。 雖然礦井通風可在一定程度上降低巷道內溫度和游 離瓦斯濃度，但難以遷移出在煤體中占 80%90% 的吸附瓦斯。

12、因此研究開采應力擾動下，煤體破裂 誘發吸附瓦斯解吸運移機制是目前尚待解決的重 要科學問題。 煤巖中復雜孔隙結構使其具有較強吸附能力， 為此已有眾多學者對脫氣煤樣進行單組分或多組分 氣體等溫吸附試驗6 ，7 圖1 Fig.1 溫度壓力耦合試驗系統 Temperature-pressure coupling experiment system 2 試驗系統開發 深部煤巖溫度壓力耦合試驗系統由主機、伺 。研究發現瓦斯中不同組分 服控制加載、溫度控制、氣體成分檢測及計量 6 個 子系統組成(見圖 2。該系統能夠實時監測從煤樣 解吸出的瓦斯氣體壓力和流量，以及抽樣檢測瓦斯 氣體成分和濃度。伺服加壓系統(

13、XTYE2000 型 電液伺服壓力試驗機由軸向加載源(最大加載能力 2 000 kN和側向加載源(最大加載能力 100 MPa構 成。溫度控制系統由溫度控制器、溫度傳感器和電 加熱裝置組成。溫控器根據油溫傳感器監測值調節 加熱裝置中電流，實現對液壓油溫精確控制(溫度 波動±0.1 。煤溫傳感器布置于煤樣外表面，可實 時監測煤芯溫度變化。氣體計量系統由高靈敏度氣 體壓力傳感器(分辨率±1 Pa和 2 個不同量程(5 和 50 mL流量計組成。2 臺氣體流量計并聯布置，在試驗 中可根據氣體流量人工切換氣體管路以保證測量 精度。從煤樣中流出的氣體經過三通，一路連接氣 體壓力傳感器

14、，另一路依次流過流量傳感器和氣體 成分檢測系統(GC9790 氣相色譜儀。色譜儀采用熱 導檢測器(TCD與氫火焰檢測器(FID串聯方式檢 吸附能力存在差異 8，其中 CO2 吸附能力要強于 CH4；吸附氣體解吸能力主要受煤種和吸附氣體本 身性質影響9；溫度升高會引起煤中瓦斯吸附量降 低 10，而在解吸過程中則會出現煤體溫度降低現 象11。煤體吸附瓦斯后會發生體積膨脹導致煤體承 載能力降低5。在地應力和熱流場作用下，煤層瓦 斯中儲存大量勢能。一旦煤層暴露后，瓦斯會在一 定煤體應力、瓦斯壓力及解吸釋放的膨脹能的共同 作用下使煤體向自由面劇烈破壞。根據這一特點， 楊 棟等12對大尺度煤樣進行瓦斯抽放

15、試驗，再現 大規模的瓦斯突出過程。 深部煤層開采中應力場和能量場的動態演化與 發展必然為各種動力災害的孕育、發生和發展創造 條件 13 。例如在開采造成堅硬頂板(特別是厚層砂 巖頂板的運動失穩可導致礦柱和采場巷道工作面 發生瞬時沖擊動力災害。基于煤層開采中應力場與 第 29 卷 第5期 何滿潮，等. 單軸應力溫度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征 867 存狀態，但本研究旨在探討原煤中原始吸附瓦斯在 三軸壓力室 流量計 壓力計 電磁閥 不同溫度、壓力影響下解吸特性，以及煤中孔隙結 構變化對吸附瓦斯運移特征的影響，暫不考慮煤樣 在取樣和加工過程中逸散的瓦斯。因此本試驗不對 煤樣進行注氣加載卸壓等常規方法

16、22 依據礦震后煤層位移特征 溫度控制器 流量計 氣相色譜儀 24 ，23 ， 而是 ，直接對原始煤樣加溫 促使原生吸附氣體發生解吸，然后依次施加單軸壓 應力和圍壓以探討煤中裂隙張開、閉合對吸附氣體 運移影響。 軸向壓力 出氣口 出氣口 3.2 煤樣制備 出油口 測試煤樣取自鶴崗礦業集團南山礦北五外區 15 層 1#綜放工作面落煤，用自封袋包裹后運至地面 后立即蠟封(煤樣在搬運過程中盡量避免震動。煤 樣運至實驗室后利用取芯設備在原煤鉆取 49 mm (±0.5 mm×100 mm(±1 mm圓柱狀煤芯。試驗前在 煤樣側面粘貼 PT1000 型溫度傳感器后將其置入

17、橡膠套內，兩端連接剛性壓塊，用硅膠涂抹接縫處。 待硅膠凝固后將煤樣置于壓力室內，安裝加熱裝置 和油溫度傳感器。 3.3 試驗過程 解吸試驗過程分為以下兩類： (1 類試驗：恒溫條件下加載破壞。 (2 II 類試驗：升溫條件下加載破壞。 類試驗中煤溫恒定在 46 后，對煤樣進行 單 軸 壓 縮 ， 采 用 位 移 控 制 ( 軸 向 變 形 速 率 0.002 mm/s。煤樣破壞 10 min 后施加圍壓至 9 MPa 保持 (加壓速率 0.05 MPa/s。 II 類試驗中煤溫升至 34 后對煤樣進行單軸 壓 縮 ， 采 用 位 移 控 制 ( 軸 向 變 形 速 率 設 為 0.002 mm

18、/s。煤樣破裂后 10 min 以后施加圍壓到 9 MPa (加載速率 0.05 MPa/s后保持，待逸出氣體流量歸 零后卸載。此后對液壓油梯級升溫至 90 ，每級 溫度 5 保持 30 min。 在單軸壓縮過程中開啟三軸壓力室出油口，液 壓油受到擠壓可自行流出壓力室，以保證煤樣處于 單向受力狀態。試驗過程中對逸出氣體中各組分濃 度的色譜抽檢結果見表 1。為獲取煤樣破壞前后裂 隙擴展情況，利用中國礦業大學(北京煤炭資源與 安全開采國家重點實驗室 ACTIS 工業 CT 掃描儀分 別對試驗前、后煤樣進行 CT 掃描。掃描位置為煤 樣中部位置及上下各偏移 4 cm，共 A，B，C 三個 斷面(見圖

19、 3。 煤樣 加熱裝置 油溫傳感器 圍壓加載端 圍壓加載端 三軸壓力室 圖2 Fig.2 試驗系統原理圖 Schematic diagram of experimental system 測，根據面積外標法計算氣體不同組分濃度。 3 試驗原理及方法 3.1 試驗原理 目前有關煤對不同氣體吸附解吸特性試驗研 究方法多數是將原煤加工成不同粒徑煤粉后，對其 進行真空脫氣注氣吸附平衡卸壓解吸14 16 。此 法破壞煤中雙重孔隙結構，也改變原生吸附氣體賦 存特征，不能較為真實描述吸附氣體在煤體中解吸 運移規律。 工程開挖可改變煤層原有的三維應力狀態，在 卸壓過程中釋放出大量游離瓦斯，與此同時煤基質 中吸

20、附瓦斯也會因開挖導致溫度、壓力變化而發生 解吸17 ，18 。隨著裂隙中游離瓦斯不斷逸散，煤體孔 ， 20 隙中氣體壓力降低，從煤基質表面脫附(解吸的氣 體運移方式以擴散為主19 。受煤中復雜孔隙結 構制約，實際氣體擴散通量較小。因此從現場取回 煤樣中會保存一部分吸附瓦斯氣體，可按照相關手 冊21測定殘存瓦斯含量。 雖然現有測試技術很難在室內還原煤樣實際賦 868 巖石力學與工程學報 25 20 15 10 5 0 0 應力/MPa 2010 年 表 1 溫度壓力下煤中逸出吸附氣體各組分濃度 Table 1 Concentrations of releasing gas from coal s

21、amples under couplings of temperature and pressure 試驗類型 煤溫/ 26.5 36.1 40.0 44.2 44.8 45.2 45.9 46.0 46.0 46.4 14.5 18.4 22.3 26.2 30.1 34.0 37.9 43.9 46.1 47.8 48.4 51.7 57.1 60.8 65.1 70.4 逸出量/(mL·g 1 軸向應力 20 40 60 側向應力 VCH 4 /% VC2H6 /% VCO2 /% 80 100 120 140 160 180 200 220 240 時間/min (a 加載路

22、徑 恒溫 加載破壞 (2#煤樣 升溫 加載破壞 (3#煤樣 0.000 8 0.000 4 0.000 4 0.000 4 0.000 4 0.006 9 0.003 8 0.048 0 0.000 8 0.000 4 0.000 4 0.000 4 0.000 4 0.006 9 0.003 8 0.048 0 0.002 7 0.003 1 0.004 6 0.004 6 0.005 8 0.006 5 0.154 0.156 0.164 0.135 0.018 0.410 1.060 1.968 0.081 0.744 0.006 0.019 0.055 0.232 0.418 0.53

23、6 1.277 9.895 9.850 11.926 13.276 16.824 19.657 22.778 0.003 0.004 0.004 0.004 0.001 0.016 0.040 0.091 0.003 0.028 0.001 0.003 0.007 1.011 0.039 0.586 0.575 0.642 0.744 1.005 1.319 1.923 0.066 0.052 0.054 0.050 0.048 0.153 0.266 0.269 0.025 0.070 0.075 0.032 0.032 0.057 0.063 0.068 0.141 0.791 0.711

24、 0.767 0.808 1.097 1.488 2.298 600 400 200 0 200 400 600 0 50 45 40 35 30 25 破裂 20 15 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 時間/min 氣體逸出壓力 煤溫 (b 氣體逸出壓力與煤溫變化 50 45 40 35 30 25 20 15 10 80 100 120 140 160 180 200 220 240 時間/min (c 逸出氣體累計量 氣體逸出壓力/Pa 逸出氣體累計量/mL 20 16 12 8 4 0 0 20 40 60 圖4 Fig.4

25、 溫度壓力作用下 2#煤樣逸出氣體過程 Release process of gas subjected to the combination of temperature and pressure for coal sample No.2 中 CH4，CO2 以及 C2H6 濃度出現不同程度下降(見 圖 5。在對破裂煤樣施加圍壓的初始階段，氣體 斷面 A 4 cm X 射線掃描 (VCO2 或 VC2H6/% 斷面 B 4 cm X 射線掃描 斷面 C X 射線掃描 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 2.5 2.0 VCH4/% 1.5

26、 1.0 0.5 VC2H6 VCO2 VCH4 煤溫 50 45 40 35 30 25 20 煤溫/ 局部放大圖 0.0 15 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 時間/min 圖3 Fig.3 2#煤樣 CT 掃描位置示意圖 0.08 (a 逸出氣體濃度變化 VCO2 VC2H6 VCH4 0.5 0.4 0.3 0.04 0.2 0.02 0.1 0.0 150 Sketch of CT scanning position of coal sample No.2 (VCO2 或 VC2H6/% 4 試驗結果及分析 對 2#煤樣從室溫升至 4

27、6 過程中，分布于煤 0.06 4.1 恒溫加載破壞試驗結果 孔隙內游離氣體熱膨脹后向外界逸散，表現為氣體 逸出壓力小幅度波動，CH4，C2H6 和 CO2 氣體濃度 變化平穩。煤體溫度恒定在 46 后進行單軸壓縮 過程。在變形過程中氣體逸出壓力出現間歇性降低， 說明煤體內開始出現局部裂隙。當軸應力達到峰值 后煤樣整體失穩破壞，氣體逸出壓力持續降低至 500 0.00 130 135 140 時間/min 145 (b 局部放大圖 Pa，持續 2 min 后，氣壓回升至 300 Pa，伴隨 有少量氣體逸出，如圖 4 所示。此時段內逸出氣體 圖 5 恒溫下 2 煤樣單軸壓縮破壞過程氣體濃度變化

28、Fig.5 Variation of gas concentration under uniaxial compression with constant temperature for coal sample No.2 # VCH4/% 煤溫/ 逸出氣體累計量 煤溫 煤溫/ 第 29 卷 第5期 何滿潮，等. 單軸應力溫度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征 0.8 (VCO2 或 VC2H6/% 0.6 0.4 0.2 0.0 30 VCO2 VC2H6 VCH4 8 6 4 2 0 38 VCH4/% 869 逸出壓力突增，排出大量高濃度 CH4，CO2 和 C2H6 見圖 5(a，持續 10 m

29、in 后氣體逸出殆盡。 4.2 升溫加載破壞結果 與恒溫過程中氣體逸出過程類似。在 3#煤樣從 室溫升至 34 過程中伴有少量氣體逸出，CH4， CO2 和 C2H6 濃度變化平穩。對煤樣施加軸向壓力， 煤樣中微裂紋逐漸發育損傷區擴大，達到峰應力 后氣壓突降至900 Pa，持續 1 min 后氣壓回升(見 圖 6。在施加圍壓至 9 MPa 過程中，氣體壓力升高 逸出大量 CH4，CO2 和 C2H6 氣體，見圖 7(a。煤樣 破壞后觀測到氣體濃度沒有出現恒溫試驗中降低現 象反而持續升高，見圖 7(b。 應力/MPa 20 10 0 0 軸向應力 90 側向應力 180 270 360 450

30、32 34 煤溫/ 36 (b 局部放大圖 圖7 變溫下 3#煤樣單軸壓縮破壞過程氣體濃度變化 Variation of gas concentration under uniaxial compression with varied temperatures for coal sample No.3 Fig.7 增加。這說明溫度升高促使煤基質表面大量吸附氣 體脫附，不斷聚集孔隙裂隙內，導致煤體中氣體濃 度升高。由于煤體破裂后滲透性增加，裂隙內富集 80 70 60 50 40 氣體逸出壓力 30 20 煤溫 10 360 450 時間/min (a 加載路徑 600 400 200 0 20

31、0 400 600 800 1 0000 氣體逸出壓力/Pa 熱膨脹氣體在濃度梯度驅動下自由逸散，表現為溫 煤溫/ 度越高吸附氣體分子熱運動愈加劇烈，從煤體解吸 遷移出的氣體數量越多。此外逸出氣體中 CH4，CO2 和 C2H6 表現出不同解吸擴散特征，C2H6 濃度隨 溫度成線性增加，而 CO2 和 C2H6 呈指數關系增長， 這些特性可能與不同氣體分子與煤基質之間物理化 學特性有關。 90 180 270 時間/min (b 氣體逸出壓力與煤溫變化 25 20 15 10 5 0 0 逸出氣體 累計量/mL 逸出氣體累計量 煤溫 80 70 60 50 40 30 20 10 450 煤溫

32、/ 4.3 結果討論 (1 外荷載對吸附瓦斯運移影響 在煤體壓縮變形過程中，氣體逸出壓力出現間 歇性降低，當軸應力達到峰值強度后氣壓降至最低， 持續一段時間后迅速回升，如圖 8 和 9 所示。由于 煤體中存在大量原生微裂隙，因此當外荷載持續增 加時，在裂隙尖端會出現翼型裂紋，逐漸擴展、分 叉25 ，26 90 180 270 360 時間/min (c 逸出氣體累計量與煤溫變化 圖6 Fig.6 溫度和壓力作用下 3#煤樣逸出氣體過程 Release process of gas subjected to the combination of temperature and pressure

33、for coal sample No.3 、與相鄰次生裂紋搭接貫通，宏觀上表現為 卸載后對破裂煤樣以 0.13 /min 持續升溫，氣 體逸出壓力出現小幅波動。從圖 7(a色譜檢測結果 顯示逸出氣體中各組分濃度增幅均比破壞前有明顯 3.0 2.5 (VCO2 或 VC2H6/% 2.0 1.5 1.0 0.5 局部放大圖 VCO2 VC2H6 VCH4 30 25 20 VCH4/% 15 10 5 體積擴容。對比試驗前后 2#煤樣不同層位 CT 掃描 圖像(見圖 10，可以清晰看出破裂煤體中網狀裂隙 充分發育(CT 圖像中暗色條紋為宏觀裂隙，亮色為 高密度物質。將得到 CT 灰度圖像進行閾值

34、分割處 理成二值黑白圖像。使用 Image-proplus 6.0 軟件提 取二值圖像中裂隙(黑色條紋區域面積，計算出掃 描切片中宏觀裂隙面積從頂至底部依次增加 4.8%， 7.7%和 9.7%。裂隙區面積擴張說明煤體儲氣空 25 20 15 10 5 0 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 時間/min (a 軸向荷載 應力/MPa 0 0.0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 煤溫/ (a 逸出氣體濃度變化 870 600 400 氣體逸出壓力/Pa 200 0 200 400 T = 0.04

35、 /min 氣體逸出壓力 煤溫 46.0 45.5 45.0 44.5 44.0 43.5 巖石力學與工程學報 2010 年 煤溫/ 試驗前 600 43.0 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 時間/min (b 氣體逸出壓力與溫度變化 試驗后 (a 斷面 A 二值化后圖像 圖8 Fig.8 單軸壓縮下 2#煤樣吸附氣體逸出壓力變化 Variation of releasing gas pressure under axial compression for coal sample No.2 20 15 10 5 0 100 102 104

36、 106 108 110 112 114 116 118 120 時間/min (a 軸向荷載 400 35.0 34.5 煤溫/ 34.0 33.5 T = 0.12 /min 33.0 32.5 應力/MPa 試驗前 試驗后 (b 斷面 B 二值化后圖像 氣體逸出壓力/Pa 200 0 200 400 600 氣體逸出壓力 煤溫 試驗前 試驗后 (c 斷面 C 二值化后圖像 圖 10 Fig.10 2#煤樣試驗前/后不同斷面 CT 圖像 CT images of pre- and post- test for coal sample No.2 in different scanning s

37、ections 800 32.0 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 時間/min (b 氣體逸出壓力與溫度變化 瓦斯濃度出現暫時降低，持續一段時間后瓦斯濃度 突增。通過本研究可以推斷巖體破裂(礦震發生瞬 間產生大量裂隙吸納巷道內部分游離瓦斯。在后期 應力重分布過程中圍巖位移變形可使這些氣體重新 排入巷道。雖然小尺度的煤芯試驗結果與大尺度現 場觀測在量值上無法比較，但在氣體運移特征上有 圖9 Fig.9 單軸壓縮下 3#煤樣吸附氣體逸出壓力變化 Variation of releasing gas pressure under axial c

38、ompression for coal sample No.3 間增大(擴容、滲透性提高 27 。劉保縣等 28 研究結 一定相似性，由此可將煤巖體孔隙結構的突變作為 瓦斯異常涌出前兆。 (2 溫度對吸附氣體運移影響 在 2 類試驗中觀察到煤體破裂過程中逸出氣體 濃度出現不同變化特征。在恒溫加載破壞過程中出 現氣體濃度降低，而在升溫加載破壞過程中出現氣 體濃度升高，見圖 5(b和 6(b。由此說明溫度變化 速率是導致兩類試驗結果存在差異的主要因素。雖 然煤體擴容后(新生裂隙增加導致孔隙內氣體壓力 瞬時降低、誘發外界氣體回流，在一定程度上稀釋 煤體內部瓦斯濃度，但在外界溫度變化較快時(如 3#煤

39、樣T = 0.12 /min 大于 2#煤樣T = 0.04 / min，煤體能夠解吸出更多吸附氣體，抵消回流氣 體的稀釋，使煤體外部瓦斯濃度持續升高。 此外，根據煤體釋放吸附氣體濃度值驗證不同 果表明解吸是一個吸熱過程，當環境溫度不變時煤 中瓦斯處于吸附解吸的動態平衡，在單位時間內 可以近似認為解吸出的氣體數量 n 變化相對恒定。 根據理想氣體狀態方程 PV = nRT，在煤樣破壞瞬間 裂隙貫通，孔隙體積 V 突增，孔隙中氣體壓力 P 隨 之降低。短時間內在煤體與外界之間形成氣體壓力 梯度，驅使外界氣體迅速向煤體裂隙(高透氣區域 迅速回流，直至煤體內外氣壓恢復平衡。 一般認為在法向應力作用下

40、孔隙裂隙的閉合會 降低滲透性29，阻礙氣體遷移。但對破裂煤樣施加 圍壓后觀測到在裂隙閉合前有大量高濃度氣體排 出。對比煤體在軸壓和圍壓作用下吸附氣體運移可 以明顯看出，單軸壓縮變形中出現擴容引起氣體回 流，圍壓作用下裂隙的閉合可逐出大量氣體。在實 際工程中也監測到類似現象 30 。礦震發生后巷道內 第 29 卷 第5期 何滿潮，等. 單軸應力溫度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征 871 氣體的解吸能力存在顯著差異。其中 CH4 濃度最大， CO2 次之，C2H6 最小。在相同條件下，逸出氣體濃 度與其解吸能力成正相關。逸出氣體濃度越低，說 明解吸能力越弱，意味著煤基質對該氣體吸附能力 越強。由此驗證

41、大多數學者認為的在一般情況下 CO2 比 CH4 對煤基質具有優先吸附性 31，32 京：s.n.，2004：628.(QIAN Qihu. Key science problem for deep underground space excavationC/ The Key Technical Problems of Base Research on Deep Underground Space Developmentthe 23rd Xiangshan Science Conference. Beijing： n.， s. 2004： 628.(in Chinese 3 孫艷玲，桂祥友.

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48、se Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(Supp.2： 在多物理場作用下煤體破裂誘發瓦斯解吸運移 是涉及多孔介質變形過程中一系列復雜多物理化學 場耦合作用，本文對南山礦原煤進行單軸應力溫 度耦合試驗得出以下結論： (1 本文利用自主研制的深部煤巖溫度壓力 耦合瓦斯解吸試驗系統，對原煤進行不同溫度條件 下單軸壓縮試驗，探討煤體在受靜載作用下破裂誘 使煤層吸附瓦斯解吸釋放過程。結果表明煤樣中吸 附瓦斯運移特性受溫度和煤體孔隙結構變化等因素 影響。 (2 煤在外載作用下孔隙裂隙的張開與閉合可 改變吸附瓦斯運移方向，宏觀上表現為吸氣排氣

49、 過程。煤體受載變形后產生大量張性裂隙可導致儲 氣空間增大、孔隙氣壓降低，引發體外部氣體向煤 體內部流動。在施加圍壓閉合裂隙過程中由于儲氣 空間減少可使分布于裂隙中大量游離氣體迅速排出 煤體。 (3 測試煤中原生吸附氣體成分主要是 CH4， CO2 和 C2H6。根據氣體濃度大小驗證吸附氣體的解 吸能力為 CH4 最大，CO2 次之，C2H6 最小。 (4 溫度是影響煤體中吸附氣體解吸量主要因 素之一。環境溫度越高，煤體釋放吸附氣體量越多。 在溫度線性升高條件下，測試煤中原生吸附氣體表 現出不同解吸響應特征，CH4 濃度隨溫度成線性變 化，而 CO2 和 C2H6 濃度與溫度成指數關系變化。

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