引言

在含瓦斯煤矿开采和煤层气抽采过程中，吸附气体的解吸、渗流与煤层变形之间存在着复杂的相互作用关系，一方面，应力的改变直接影响煤体变形和气体赋存状态及流动速率，进而影响气体的采出速率和采出率；另一方面，气体赋存状态和流动速率的改变又会引起有效应力的改变，影响煤体变形。在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气抽采的研究中，关于压力、吸附/解吸、变形之间的相互作用关系，前人已进行了一些研究：梁冰等通过实验研究得出，煤岩变形过程是裂纹发生发展起主导作用的过程，且围压对裂纹裂缝发生、发展起阻碍作用^[1-2]；刘向峰等研究了煤吸附解吸瓦斯煤岩变形特性，指出煤体变形过程分为3个阶段，且煤体变形呈各向异性^[3-5]；孙维吉在研究吸附瓦斯煤体渗透率变化规律的基础上，通过全应力应变过程渗透率测试得到了煤体变形破坏过程三阶段渗透率—应变关系^[6]；范家文等在实验室通过顺序和逆序两种加载方式，研究了煤体变形和瓦斯排放量随时间的变化规律，并建立了煤体变形量与瓦斯排放量之间的数学关系式^[7]；张遵国等研究了不同瓦斯压力条件下突出危险煤的吸附—解吸全过程变形规律，指出平衡吸附应变与吸附瓦斯压力之间符合朗格缪尔方程，解吸应变与原始解吸瓦斯压力呈较好的幂函数关系^[8-9]；刘延保探讨了煤吸附瓦斯的膨胀效应，认为煤体瓦斯吸附量与体应变之间呈良好的线性关系，认为煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值^[10]。

通过前人的研究可知，压力、煤体变形、解吸量之间存在着复杂的耦合关系，通过煤体变形量变化可间接反映气体赋存和流动速率变化情况。为厘清煤矿开采和煤层气抽采过程中，降压梯度对煤体变形的影响，利用自制的煤吸附解吸瓦斯变形实验系统，以保利铁新煤矿9#煤层煤为试样，进行不同储层压力和不同压降条件下煤解吸瓦斯变形实验，分析瓦斯压力和压降对煤体解吸收缩变形的作用机制。

1 降压解吸瓦斯煤体变形实验 1.1 实验材料

随着中国煤炭开采深度不断增大，一些非突出煤在一定条件下有可能转化为突出煤，因此本实验煤样采自保利铁新9#非突出煤层，煤样基本参数如表 1所示。将取自井下的煤加工成50 mm×50 mm×100 mm的标准原煤试样后，用75%的酒精清洗干净，分别在试样表面平行于层理方向和垂直于层理方向贴一对应变片，用502胶水将其固定于煤样表面，并将金属导丝与煤样表面隔开。

1.2 实验内容

由于中国大部分含瓦斯煤层属于低压力、低渗透率煤层，因此本实验储层压力范围为0~0.9 MPa，具体实验储层压力和压降如表 2所示，实验温度为室温。

1.3 实验装置

本实验所用装置自行设计，包括高压吸附解吸腔、CH₄气瓶、真空泵和数据采集记录系统。具体系统图如图 1所示。

1.4 实验过程

第(1)步，把制备好的煤试样放在吸附解吸腔内，打开数据采集系统，真空泵把腔体抽真空，记录试样垂直层理和平行层理的收缩应变，且数据采集系统全实验过程工作。

第(2)步，进行储层压力0.3 MPa的解吸实验。在进行解吸实验前先在腔体内充入0.3 MPa的CH₄气体并保持腔内气体压力不变，待吸附平衡后将出气端压力降至常压进行解吸实验，至数据采集系统采集到的数据3 h内无变化或上下波动可以忽略时，认为解吸达到平衡。

第(3)步，进行储层压力0.6 MPa的不同压降解吸实验。与储层压力0.3 MPa的解吸石验过程相同，先吸附平衡，之后分别进行压降0.3 MPa和压降0.6 MPa的降压解吸实验。

第(4)步，进行储层压力0.9 MPa的不同压降解吸实验，实验过程参照第三步。

2 压降及储层压力与煤体收缩变形的相关性

煤吸附瓦斯发生膨胀变形，解吸瓦斯发生收缩变形，煤体变形在实验过程中用微应变表示，膨胀变形引起的应变为膨胀应变，一般用正值表示；收缩变形引起的应变为收缩应变，一般用负值表示，即收缩应变越大值越小。

2.1 储层压力及压降对解吸时间的影响

图 2为不同储层压力降压0.3 MPa时的解吸应变曲线，图 3为不同储层压力降压至大气压时的解吸应变曲线。

从图 2，图 3可知，解吸全过程煤体(相对)收缩应变随时间的变化规律与文献[3]中的恒压解吸下的变化规律一致，变形过程可分为3个阶段：(Ⅰ)快速解吸阶段、(Ⅱ)解吸速率不断减小阶段和(Ⅲ)解吸平衡阶段。从曲线变化规律可知，(1)无论是垂直层理方向收缩应变还是平行层理方向收缩应变，当压降相同时，随着储层压力的增高解吸达到平衡所需时间也逐渐增加；(2)储层压力相同时，随着压降的增高，解吸达到平衡的时间也逐渐增加；(3)储层压力不同，降压至大气压时，随着储层压力的增高解吸达到平衡所需时间逐渐增加。即，解吸达到平衡所需时间与储层压力以及压降均呈正相关关系。

2.2 煤体收缩应变与储层压力的关系

图 4为收缩应变与储层压力相关性图，其中图 4a为不同储层压力降压0.3 MPa后，煤体收缩应变与储层压力关系图；图 4b为不同储层压力降压至大气压煤体总收缩应变与储层压力关系图。

由图 4a可知，无论是垂直层理方向的收缩应变还是平行层理方向的收缩应变，储层压力0.3 MPa的大于储层压力0.6 MPa的大于储层压力0.9 MPa的，即，降相同压力后的煤体变形量与储层压力呈负相关关系。

由图 4b可知，无论是垂直层理方向的总收缩应变还是平行层理方向的总收缩应变，储层压力0.9 MPa的大于储层压力0.6 MPa的大于储层压力0.3 MPa的，即，当压降相同时，降压至大气压后的煤体总变形量与储层压力之间呈正相关关系。

2.3 煤体收缩应变与压降之间的关系

图 5为相同储层压力不同压降煤解吸收缩应变比较。从图中的对比可知，无论垂直层理方向应变还是平行层理方向应变，储层压力0.6 MPa和储层压力0.9 MPa解吸应变随压降的增高而增加，即相同的储层压力条件下，大的压降解吸瓦斯引起的煤体变形量大于小的压降解吸瓦斯引起的煤体变形量。

3 压降与瓦斯解吸量的相关性

以往对于煤吸附/解吸瓦斯煤体变形规律的研究表明，煤体瓦斯吸附/解吸量与变形之间具有很好的线性关系^[10]，可用式(1)表示

$Q{\rm{ = }}\dfrac{{\varepsilon _{{\rm{sv}}} }}{{K_{\rm{v}} }}$

(1)

$\Delta Q = \dfrac{{\Delta \varepsilon _{{\rm{sv}}} }}{{K_{\rm{v}} }}{\rm{ = }}\dfrac{M}{{K_{\rm{v}} }}\dfrac{{abp_0 + ab\Delta p}}{{1 + bp_0 + b\Delta p}}$

(2)

式中：

$\varepsilon _{{\rm{sv}}}$ —煤体吸附瓦斯后引起的体应变，无因次；

$Q$ —一定温度下瓦斯压力为 $p$ 时单位质量煤体吸附的瓦斯量，m³/t；

$\Delta Q$ —降压 $\Delta p$ 至平衡时的解吸量，m³/t；

$p_0$ —储层压力，MPa；

$\Delta p$ —压降，MPa；

$K_{\rm{v}}$ —膨胀体应变系数，t/m³；

$a$ ， $b$ —吸附常数；

$M$ —温度、水分、和灰分的修正系数。

对式(1)、式(2)进行分析可知，压降对瓦斯解吸量有重要影响：当储层压力较小时，降压抽采煤层中的瓦斯，大的压降解吸量大于小的压降解吸量。

4 降压解吸瓦斯煤体变形机理分析

煤体中瓦斯的产出过程如图 6所示，气体在煤体中的运移包括解吸、扩散、渗流，流入井筒附近大的通道，进入井筒。在瓦斯产出的过程中，煤体产生的收缩变形主要有：(1)吸附、镶嵌在煤基质中的瓦斯分子解吸为游离态，煤基质颗粒间间距减小，使煤体产生收缩变形；(2)微孔隙、微裂隙中的气体扩散到裂隙、孔隙系统，微孔隙、微裂隙闭合，引起煤体收缩；(3)游离态瓦斯经扩散渗流运动流出煤体，煤体内孔隙压力减小，在有效应力作用下煤体发生收缩变形。吸附态瓦斯分子解吸为游离态瓦斯分子的过程是在瞬间完成的，而气体分子在裂隙和孔隙中的扩散、渗流是需要一定的时间的，因此气体分子的扩散、渗流运动是影响解吸量的一个重要因素，从而影响着煤体的变形量。

影响气体分子扩散、渗流运动的一个重要因素是气体压力，一方面，在气体压力较低的条件下，气体分子的自由程对气体扩散能力起着决定性的作用，气体压力越小，气体分子的自由程越大，气体的扩散能力越弱；另一方面，在解吸过程中，煤体受到的有效应力有使孔隙、裂隙增大的作用，可以增大煤体的渗透率，随着解吸的不断进行，瓦斯压力不断减小，有效应力不断增大，有效应力对煤体的膨胀作用也在不断减小。所以，在解吸初期，单位时间内的收缩变形增量很大，随着解吸的不断进行，瓦斯解吸率不断减小直至为零，单位时间内的收缩变形量增量也在不断减小直至为零。

煤体表面以及煤体内孔隙、裂隙表面的表面自由能对瓦斯气体的解吸量也有重要影响。根据表面物理学理论可知，煤体吸附瓦斯气体，其表面自由能下降。瓦斯压力越高，煤体吸附瓦斯量越多，其表面自由能下降的也越多，欲使表面自由能增加，则需要一定的功，使吸附态瓦斯分子变为游离态瓦斯分子，即解吸瓦斯^[12-17]。因此，在瓦斯压降相同的条件下，表面自由能下降的越少越容易恢复，即解吸时间越短；当储层压力相同时，压降越大，解吸量越多，解吸程度越大。

5 结论

(1) 当压降相同时，储层压力越大，解吸达到平衡所需时间越长；当储层压力相同时，压降越大解吸达到平衡所需时间越长；不同储层压力，降压至相同压力解吸达到平衡所需时间与储层压力大小呈正相关关系。

(2) 压降相同时，解吸至平衡煤体收缩变形量与储层压力呈负相关关系。

(3) 储层压力不相同，降压至相同压力时解吸瓦斯煤体收缩变形量与储层压力之间呈正相关关系。

(4) 储层压力相同，大的压降解吸煤层气引起的煤体收缩变形大于小的压降解吸煤层气引起的煤体收缩变形。

(5) 压降对瓦斯解吸量有重要影响：对储层压力较小的瓦斯储层降压抽采瓦斯，大的压降解吸量大于小的压降解吸量。