煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析
魏 彬① 赵 宇*② 张玉贵①
【摘 要】摘要 在井下瓦斯抽采和地面煤层气开发过程中，气体吸附和解吸会导致煤基质的膨胀和收缩变形。采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统，对鹤壁六矿二1煤层贫瘦煤煤样在不同气体压力下的吸附—解吸变形全过程进行了测试。试验结果表明： ①煤样在吸附膨胀和解吸收缩变形过程中均呈现各向异性特征，垂直层理方向变形量最大，平行层理垂直面割理方向次之，平行层理垂直端割理方向最小；②煤岩吸附膨胀和解吸收缩变形量随气体压力的增加而增大，但平行层理垂直面割理方向与垂直端割理方向的变形值之比逐渐减小，各向异性程度逐渐减弱；③煤岩吸附膨胀变形是一个不可逆过程，煤岩吸附—解吸残余变形量与气体压力呈正线性相关性。 【期刊名称】石油地球物理勘探 【年(卷),期】2019(054)001 【总页数】6
【关键词】关键词 吸附膨胀变形 解吸收缩变形 各向异性 层理 割理 ·岩石物理·
*河南省焦作市高新区世纪路2001号河南理工大学土木工程学院，454000。 Email：zyxgll2000@163.com本文于2018年4月9日收到，最终修改稿于同年11月8日收到。本项研究受国家科技重大专项“全国重点煤矿瓦斯(煤层气)赋存规律和控制因素”(2011ZX05040-005)、国家自然科学基金项目“冲击荷载下高阶煤的大分子结构及微观/纳观孔隙的动态响应特征及其机制”(41772163)和河南省科技攻关计划项目“煤体吸附膨胀变形各向异性特性
实验研究”(162102310427)联合资助。
魏彬，赵宇，张玉贵．煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析.石油地球物理勘探，2019,54(1):112-117.
0 引言
煤岩是一种复杂的多相介质体，它在吸附和解吸气体时，不仅会改变自身物理力学性质，还会引起渗透性能、应力状态及强度的变化。尤其是煤岩在气体解吸过程中，基质收缩变形会使渗透性发生动态变化，这对煤与瓦斯突出防治和地面煤层气抽采均具有重要影响[1]。
针对煤岩吸附—解吸气体产生变形这一特殊的力学现象，国内外学者开展了广泛研究，并已取得了一定的研究成果。刘延保等[2-3]用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，做不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验，发现煤样吸附膨胀变形存在各向异性。Karacan[4-5]在试验中也发现了煤样的吸附膨胀变形呈各向异性，并利用CT扫描图像分析发现不同类型显微煤岩的变形规律有很大不同。Pan等[6-7]根据能量平衡原理，提出了煤体各向异性膨胀变形的理论模型，描述原场地应力下的煤体吸附变形规律。梁冰等[8]利用自制的吸附—解吸试验装置，测试了在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。结果表明煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性，垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性。姚宇平[9]认为煤体吸附瓦斯产生膨胀变形是瓦斯分子挤入煤的微孔隙引起的。王佑安等[10]试验测定了五个矿区13个煤样在各种CH4和 CO2气体压力下的吸附变形量，得出吸附变形随压力的变化规律。何学秋等[11]探讨了孔隙气体对煤岩变形及破坏的作用机理。曹树刚等[12-14]开展了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附—解吸变形全过程试验，研讨了突出危险煤吸
附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形行为。周军平等[15]、吴世跃等[16]基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理，建立了计算煤岩吸附气体引起的膨胀应变的理论模型。刘向峰等[17]实测了不同有效应力及加压方式下煤体的变形量，分析了煤基质吸附(解吸)后的变形机理，得到弹性阶段煤体变形值与吸附(解吸)量的变化规律，并拟合出两者之间的函数关系式。李祥春等[18-19]研究了煤岩吸附膨胀变形与孔隙度、渗透率的关系，认为煤层中瓦斯压力越大，产生的膨胀变形越大。
纵观上述文献，对于煤岩变形各向异性规律的研究，大多将煤岩视为横向各向同性体，即平行层理方向视为各向同性，只对垂直层理和平行层理两个方向做对比分析[20-22]。研究表明：煤层中平行层理方向面割理与端割理的发育程度、连通性、裂隙张开度不同，该方向上依然存在明显的各向异性。开展煤岩吸附—解吸变形各向异性特征研究，对于预测煤储层渗透性的各向异性特征，优化地面煤层气抽采井网、储层改造、井下瓦斯抽采钻孔布置等均具有重要意义[23-24]。
1 试验装置及煤样制备
1.1 试验装置
本次试验采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统(图1)。该系统由抽真空系统、气源供气系统、煤样吸附—解吸系统、恒温系统和数据采集系统等构成。 1.2 煤样制备
试验所用煤样取自鹤壁六矿二1煤层，煤种为贫瘦煤。二1煤层位于二叠系山西组下段的顶部，厚度为3.45～17.50m，平均煤层厚度为8.14m，为全区稳
煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析
