单轴应力 - 温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征 - 图文-

1、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. 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。

2、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 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。 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：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 866 岩石力学与工程学报 2010 年 Key words：mining engineering；temperatur

10、e-pressure coupling；adsorption；desorption 温度场特点，本文利用自主研发的深部煤岩温度 1 引 言 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。 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

11、地发生变形和破坏形成 断续结构 ，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， 6001 2 400 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。

12、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。 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 图1 Fig.1 温度压力耦合试验系统 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 。研究发现瓦斯中不同组分 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(

13、XTYE2000 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

14、，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 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

15、试验，再现 大规模的瓦斯突出过程。 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 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 存状态，但本研究旨在探讨原煤中原始吸附瓦斯在 三轴压力室 流量计 压力计 电磁阀 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

16、22 依据矿震后煤层位移特征 温度控制器 流量计 气相色谱仪 24 ，23 ， 而是 ，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。 轴向压力 出气口 出气口 3.2 煤样制备 出油口 测试煤样取自鹤岗矿业集团南山矿北五外区 15 层 1#综放工作面落煤，用自封袋包裹后运至地面 后立即蜡封(煤样在搬运过程中尽量避免震动。煤 样运至实验室后利用取芯设备在原煤钻取 49 mm (±0.5 mm×100 mm(±1 mm圆柱状煤芯。试验前在 煤样侧面粘贴 PT1000 型温度传感器后将其置入

17、橡胶套内，两端连接刚性压块，用硅胶涂抹接缝处。 待硅胶凝固后将煤样置于压力室内，安装加热装置 和油温度传感器。 3.3 试验过程 解吸试验过程分为以下两类： (1 类试验：恒温条件下加载破坏。 (2 II 类试验：升温条件下加载破坏。 类试验中煤温恒定在 46 后，对煤样进行 单 轴 压 缩 ， 采 用 位 移 控 制 ( 轴 向 变 形 速 率 0.002 mm/s。煤样破坏 10 min 后施加围压至 9 MPa 保持 (加压速率 0.05 MPa/s。 II 类试验中煤温升至 34 后对煤样进行单轴 压 缩 ， 采 用 位 移 控 制 ( 轴 向 变 形 速 率 设 为 0.002 mm

18、/s。煤样破裂后 10 min 以后施加围压到 9 MPa (加载速率 0.05 MPa/s后保持，待逸出气体流量归 零后卸载。此后对液压油梯级升温至 90 ，每级 温度 5 保持 30 min。 在单轴压缩过程中开启三轴压力室出油口，液 压油受到挤压可自行流出压力室，以保证煤样处于 单向受力状态。试验过程中对逸出气体中各组分浓 度的色谱抽检结果见表 1。为获取煤样破坏前后裂 隙扩展情况，利用中国矿业大学(北京煤炭资源与 安全开采国家重点实验室 ACTIS 工业 CT 扫描仪分 别对试验前、后煤样进行 CT 扫描。扫描位置为煤 样中部位置及上下各偏移 4 cm，共 A，B，C 三个 断面(见图

19、 3。 煤样 加热装置 油温传感器 围压加载端 围压加载端 三轴压力室 图2 Fig.2 试验系统原理图 Schematic diagram of experimental system 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。 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

20、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 ， 20 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 。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。 虽然现有测试技术很难在室内还原煤样实际赋 868 岩石力学与工程学报 25 20 15 10 5 0 0 应力/MPa 2010 年 表 1 温度压力下煤中逸出吸附气体各组分浓度 Table 1 Concentrations of releasing gas from coal s

21、amples under couplings of temperature and pressure 试验类型 煤温/ 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 轴向应力 20 40 60 侧向应力 VCH 4 /% VC2H6 /% VCO2 /% 80 100 120 140 160 180 200 220 240 时间/min (a 加载路

22、径 恒温 加载破坏 (2#煤样 升温 加载破坏 (3#煤样 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 时间/min 气体逸出压力 煤温 (b 气体逸出压力与煤温变化 50 45 40 35 30 25 20 15 10 80 100 120 140 160 180 200 220 240 时间/min (c 逸出气体累计量 气体逸出压力/Pa 逸出气体累计量/mL 20 16 12 8 4 0 0 20 40 60 图4 Fig.4

25、 温度压力作用下 2#煤样逸出气体过程 Release process of gas subjected to the combination of temperature and pressure for coal sample No.2 中 CH4，CO2 以及 C2H6 浓度出现不同程度下降(见 图 5。在对破裂煤样施加围压的初始阶段，气体 断面 A 4 cm X 射线扫描 (VCO2 或 VC2H6/% 断面 B 4 cm X 射线扫描 断面 C X 射线扫描 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 煤温 50 45 40 35 30 25 20 煤温/ 局部放大图 0.0 15 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 时间/min 图3 Fig.3 2#煤样 CT 扫描位置示意图 0.08 (a 逸出气体浓度变化 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 试验结果及分析 对 2#煤样从室温升至 4

27、6 过程中，分布于煤 0.06 4.1 恒温加载破坏试验结果 孔隙内游离气体热膨胀后向外界逸散，表现为气体 逸出压力小幅度波动，CH4，C2H6 和 CO2 气体浓度 变化平稳。煤体温度恒定在 46 后进行单轴压缩 过程。在变形过程中气体逸出压力出现间歇性降低， 说明煤体内开始出现局部裂隙。当轴应力达到峰值 后煤样整体失稳破坏，气体逸出压力持续降低至 500 0.00 130 135 140 时间/min 145 (b 局部放大图 Pa，持续 2 min 后，气压回升至 300 Pa，伴随 有少量气体逸出，如图 4 所示。此时段内逸出气体 图 5 恒温下 2 煤样单轴压缩破坏过程气体浓度变化

28、Fig.5 Variation of gas concentration under uniaxial compression with constant temperature for coal sample No.2 # VCH4/% 煤温/ 逸出气体累计量 煤温 煤温/ 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 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 逸出压力突增，排出大量高浓度 CH4，CO2 和 C2H6 见图 5(a，持续 10 m

29、in 后气体逸出殆尽。 4.2 升温加载破坏结果 与恒温过程中气体逸出过程类似。在 3#煤样从 室温升至 34 过程中伴有少量气体逸出，CH4， CO2 和 C2H6 浓度变化平稳。对煤样施加轴向压力， 煤样中微裂纹逐渐发育损伤区扩大，达到峰应力 后气压突降至900 Pa，持续 1 min 后气压回升(见 图 6。在施加围压至 9 MPa 过程中，气体压力升高 逸出大量 CH4，CO2 和 C2H6 气体，见图 7(a。煤样 破坏后观测到气体浓度没有出现恒温试验中降低现 象反而持续升高，见图 7(b。 应力/MPa 20 10 0 0 轴向应力 90 侧向应力 180 270 360 450

30、32 34 煤温/ 36 (b 局部放大图 图7 变温下 3#煤样单轴压缩破坏过程气体浓度变化 Variation of gas concentration under uniaxial compression with varied temperatures for coal sample No.3 Fig.7 增加。这说明温度升高促使煤基质表面大量吸附气 体脱附，不断聚集孔隙裂隙内，导致煤体中气体浓 度升高。由于煤体破裂后渗透性增加，裂隙内富集 80 70 60 50 40 气体逸出压力 30 20 煤温 10 360 450 时间/min (a 加载路径 600 400 200 0 20

31、0 400 600 800 1 0000 气体逸出压力/Pa 热膨胀气体在浓度梯度驱动下自由逸散，表现为温 煤温/ 度越高吸附气体分子热运动愈加剧烈，从煤体解吸 迁移出的气体数量越多。此外逸出气体中 CH4，CO2 和 C2H6 表现出不同解吸扩散特征，C2H6 浓度随 温度成线性增加，而 CO2 和 C2H6 呈指数关系增长， 这些特性可能与不同气体分子与煤基质之间物理化 学特性有关。 90 180 270 时间/min (b 气体逸出压力与煤温变化 25 20 15 10 5 0 0 逸出气体 累计量/mL 逸出气体累计量 煤温 80 70 60 50 40 30 20 10 450 煤温

32、/ 4.3 结果讨论 (1 外荷载对吸附瓦斯运移影响 在煤体压缩变形过程中，气体逸出压力出现间 歇性降低，当轴应力达到峰值强度后气压降至最低， 持续一段时间后迅速回升，如图 8 和 9 所示。由于 煤体中存在大量原生微裂隙，因此当外荷载持续增 加时，在裂隙尖端会出现翼型裂纹，逐渐扩展、分 叉25 ，26 90 180 270 360 时间/min (c 逸出气体累计量与煤温变化 图6 Fig.6 温度和压力作用下 3#煤样逸出气体过程 Release process of gas subjected to the combination of temperature and pressure

33、for coal sample No.3 、与相邻次生裂纹搭接贯通，宏观上表现为 卸载后对破裂煤样以 0.13 /min 持续升温，气 体逸出压力出现小幅波动。从图 7(a色谱检测结果 显示逸出气体中各组分浓度增幅均比破坏前有明显 3.0 2.5 (VCO2 或 VC2H6/% 2.0 1.5 1.0 0.5 局部放大图 VCO2 VC2H6 VCH4 30 25 20 VCH4/% 15 10 5 体积扩容。对比试验前后 2#煤样不同层位 CT 扫描 图像(见图 10，可以清晰看出破裂煤体中网状裂隙 充分发育(CT 图像中暗色条纹为宏观裂隙，亮色为 高密度物质。将得到 CT 灰度图像进行阈值

34、分割处 理成二值黑白图像。使用 Image-proplus 6.0 软件提 取二值图像中裂隙(黑色条纹区域面积，计算出扫 描切片中宏观裂隙面积从顶至底部依次增加 4.8%， 7.7%和 9.7%。裂隙区面积扩张说明煤体储气空 25 20 15 10 5 0 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 时间/min (a 轴向荷载 应力/MPa 0 0.0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 煤温/ (a 逸出气体浓度变化 870 600 400 气体逸出压力/Pa 200 0 200 400 T = 0.04

35、 /min 气体逸出压力 煤温 46.0 45.5 45.0 44.5 44.0 43.5 岩石力学与工程学报 2010 年 煤温/ 试验前 600 43.0 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 时间/min (b 气体逸出压力与温度变化 试验后 (a 断面 A 二值化后图像 图8 Fig.8 单轴压缩下 2#煤样吸附气体逸出压力变化 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 时间/min (a 轴向荷载 400 35.0 34.5 煤温/ 34.0 33.5 T = 0.12 /min 33.0 32.5 应力/MPa 试验前 试验后 (b 断面 B 二值化后图像 气体逸出压力/Pa 200 0 200 400 600 气体逸出压力 煤温 试验前 试验后 (c 断面 C 二值化后图像 图 10 Fig.10 2#煤样试验前/后不同断面 CT 图像 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 时间/min (b 气体逸出压力与温度变化 瓦斯浓度出现暂时降低，持续一段时间后瓦斯浓度 突增。通过本研究可以推断岩体破裂(矿震发生瞬 间产生大量裂隙吸纳巷道内部分游离瓦斯。在后期 应力重分布过程中围岩位移变形可使这些气体重新 排入巷道。虽然小尺度的煤芯试验结果与大尺度现 场观测在量值上无法比较，但在气体运移特征上有 图9 Fig.9 单轴压缩下 3#煤样吸附气体逸出压力变化 Variation of releasing gas pressure under axial c

38、ompression for coal sample No.3 间增大(扩容、渗透性提高 27 。刘保县等 28 研究结 一定相似性，由此可将煤岩体孔隙结构的突变作为 瓦斯异常涌出前兆。 (2 温度对吸附气体运移影响 在 2 类试验中观察到煤体破裂过程中逸出气体 浓度出现不同变化特征。在恒温加载破坏过程中出 现气体浓度降低，而在升温加载破坏过程中出现气 体浓度升高，见图 5(b和 6(b。由此说明温度变化 速率是导致两类试验结果存在差异的主要因素。虽 然煤体扩容后(新生裂隙增加导致孔隙内气体压力 瞬时降低、诱发外界气体回流，在一定程度上稀释 煤体内部瓦斯浓度，但在外界温度变化较快时(如 3#煤

39、样T = 0.12 /min 大于 2#煤样T = 0.04 / min，煤体能够解吸出更多吸附气体，抵消回流气 体的稀释，使煤体外部瓦斯浓度持续升高。 此外，根据煤体释放吸附气体浓度值验证不同 果表明解吸是一个吸热过程，当环境温度不变时煤 中瓦斯处于吸附解吸的动态平衡，在单位时间内 可以近似认为解吸出的气体数量 n 变化相对恒定。 根据理想气体状态方程 PV = nRT，在煤样破坏瞬间 裂隙贯通，孔隙体积 V 突增，孔隙中气体压力 P 随 之降低。短时间内在煤体与外界之间形成气体压力 梯度，驱使外界气体迅速向煤体裂隙(高透气区域 迅速回流，直至煤体内外气压恢复平衡。 一般认为在法向应力作用下

40、孔隙裂隙的闭合会 降低渗透性29，阻碍气体迁移。但对破裂煤样施加 围压后观测到在裂隙闭合前有大量高浓度气体排 出。对比煤体在轴压和围压作用下吸附气体运移可 以明显看出，单轴压缩变形中出现扩容引起气体回 流，围压作用下裂隙的闭合可逐出大量气体。在实 际工程中也监测到类似现象 30 。矿震发生后巷道内 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 871 气体的解吸能力存在显著差异。其中 CH4 浓度最大， CO2 次之，C2H6 最小。在相同条件下，逸出气体浓 度与其解吸能力成正相关。逸出气体浓度越低，说 明解吸能力越弱，意味着煤基质对该气体吸附能力 越强。由此验证

41、大多数学者认为的在一般情况下 CO2 比 CH4 对煤基质具有优先吸附性 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 孙艳玲，桂祥友.

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48、se Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(Supp.2： 在多物理场作用下煤体破裂诱发瓦斯解吸运移 是涉及多孔介质变形过程中一系列复杂多物理化学 场耦合作用，本文对南山矿原煤进行单轴应力温 度耦合试验得出以下结论： (1 本文利用自主研制的深部煤岩温度压力 耦合瓦斯解吸试验系统，对原煤进行不同温度条件 下单轴压缩试验，探讨煤体在受静载作用下破裂诱 使煤层吸附瓦斯解吸释放过程。结果表明煤样中吸 附瓦斯运移特性受温度和煤体孔隙结构变化等因素 影响。 (2 煤在外载作用下孔隙裂隙的张开与闭合可 改变吸附瓦斯运移方向，宏观上表现为吸气排气

49、 过程。煤体受载变形后产生大量张性裂隙可导致储 气空间增大、孔隙气压降低，引发体外部气体向煤 体内部流动。在施加围压闭合裂隙过程中由于储气 空间减少可使分布于裂隙中大量游离气体迅速排出 煤体。 (3 测试煤中原生吸附气体成分主要是 CH4， CO2 和 C2H6。根据气体浓度大小验证吸附气体的解 吸能力为 CH4 最大，CO2 次之，C2H6 最小。 (4 温度是影响煤体中吸附气体解吸量主要因 素之一。环境温度越高，煤体释放吸附气体量越多。 在温度线性升高条件下，测试煤中原生吸附气体表 现出不同解吸响应特征，CH4 浓度随温度成线性变 化，而 CO2 和 C2H6 浓度与温度成指数关系变化。

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