【文章內(nèi)容簡介】 停留一段時間，因而表面濃度與氣體相中的不同。顯然，氣體分子在表面停留的分子數(shù)取決于分子吸附停留時間和碰撞到表面上的分子數(shù)。設(shè)在完全裸露的空白表面上，單位時間內(nèi)碰撞到單位表面上的氣體分子數(shù)為，吸附停留時間為，則單位面上吸附的氣體分子數(shù)。其中吸附停留時間與吸附熱和溫度有關(guān)： （）式中，為吸附態(tài)分子的振動時間，它與吸附劑的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。以表示鋪滿1m2表面單分子層的氣體分子數(shù)，固體表面可容納氣體分子碰撞并被吸附的空白位置數(shù)為。即為吸附量為時的表面覆蓋度。設(shè)氣體分子只要碰撞到空白位置即可被吸附，則有： （）即 （）將代入式（），并令，可得 （） Freundlich吸附模型在前人研究中，發(fā)現(xiàn)Langmuir等溫式不能描述某些理論和實際問題的吸附體系。因此，發(fā)展了另一吸附等溫式Freundlich吸附等溫式?；? （）式中：—吸附量；—氣體壓力；，—常數(shù)。 BET多分子層吸附模型 BET多分子層吸附模型實質(zhì)上是對Langmuir單分子層吸附模型的擴充。Langmuir模型認為吸附的氣體分子的蒸發(fā)速率與在空白表面上氣體的吸附速率相等。BET模型略加擴充，認為從每一連續(xù)層上的蒸發(fā)速率等于在前一層上的凝聚速率。BET模型保留了Langmuir模型中吸附熱是常數(shù)的假設(shè)，補充了三條假設(shè)，一是吸附可以是多分子層的，并且不一定完全鋪滿單層后再鋪第二層；二是第一層的吸附熱為一定值，但與以后各層的吸附熱不同，第二層以上的吸附熱為相同的定值，即為吸附質(zhì)的液化熱；三是吸附質(zhì)的吸附與脫附只發(fā)生在直接暴露氣相的表面上。BET公式為： （）式中，—吸附平衡壓力，MPa；—吸附溫度時的飽和蒸汽壓，MPa；—吸附平衡時吸附量，m3/t；—單分子飽和吸附量，m3/t；—吸附常數(shù)。 本章小結(jié)本章總結(jié)了煤體吸附瓦斯變形的影響因素，包括吸附過程的環(huán)境溫度、吸附氣體的壓力大小、吸附量與時間的關(guān)系以及是否抽真空對瓦斯吸附量關(guān)系的影響。另外總結(jié)了煤體吸附理論模型，如煤的二維吸附膜模型、Langmuir單分子層吸附模型、Freundlich吸附模型、BET多分子層吸附模型、DR吸附模型等物理吸附理論模型等，并結(jié)合煤層氣高壓吸附解吸裝置試驗分析了各吸附模型。3 煤吸附瓦斯變形試驗 實驗方案影響煤變形的主要因素首先是煤本身的因素的影響,即內(nèi)因。例如,煤結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、容重、孔隙度及含水率、風(fēng)化程度等。如試件的尺寸、形狀、周圍的溫度等。除此之外煤承載的氣體壓力、加載速率和流體性質(zhì)也是影響煤變形的重要因素。恒定荷載吸附是指首先將調(diào)為吸附試驗初始氣體壓力P0，并使煤樣對N2進行吸附至平衡后,然后將吸附解吸室內(nèi)初始氣體壓力降為0MPa，進行解吸。待解吸平衡后，調(diào)節(jié)吸附解吸室內(nèi)氣體壓力，使氣體壓力比上一組增加P2，繼續(xù)吸附試驗。重復(fù)以上步驟，是每次吸附試驗的氣體壓力都比上組髙P2，直至壓強增至P(P=P0+nP2)實驗結(jié)束。其中每次吸附后的解吸為恒定荷載解吸。實驗內(nèi)容如表31所示31 實驗內(nèi)容Tab. 31 Experimental contents試驗名稱試驗內(nèi)容恒定荷載抽真空吸附試驗恒定荷載不抽真空吸附試驗 實驗設(shè)備本試驗使用的試驗裝置為煤層氣高壓吸附解吸變形裝置。該試驗裝置包括高壓供氣子系統(tǒng)、高壓吸附/解吸子系統(tǒng)(高壓吸附/解吸室)、壓力調(diào)節(jié)與控制子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)釆集與記錄子系統(tǒng)，實驗裝置原理圖如圖31。實驗測試現(xiàn)場如圖32。圖31 實驗裝置原理圖Fig. 31 Schematic experimental setup圖32 試驗測試現(xiàn)場Fig. 32 Experimental site（1）高壓供氣子系統(tǒng)高壓供氣子系統(tǒng)是由高壓氣瓶、壓力控制閥、高壓管線和高精度壓力表組成。其中,高壓氣瓶內(nèi)裝有初始壓力為15 MPa，%的N2，在整個試驗過程中供氣壓力均滿足實驗要求。壓力控制閥用于顯示和控制進氣端與出氣端壓強以保證高壓吸附/解析裝置內(nèi)壓強達到試驗要求。高壓管線用于高壓氣瓶、壓力控制閥、以及高壓吸附/解析室之間的連接。（2）高壓吸附/解吸子系統(tǒng)(高壓吸附/解吸室)高壓吸附/解吸子系統(tǒng)（如圖33）由高壓吸附/解吸室和吸附解/吸變形信號傳輸結(jié)構(gòu)組成。高壓吸附解吸室為2組，每組吸附解吸室所能承受的高壓壓力均大于10MPa，且2組高壓吸附解吸室的體積及結(jié)構(gòu)完全相同，在高壓吸附解吸室的頂部有吸附解吸變形信號傳輸結(jié)構(gòu)，所起作用是將吸附解吸室內(nèi)的試驗煤樣的變形信號傳輸給數(shù)據(jù)釆集儀，是數(shù)據(jù)采集儀和煤樣變形信號的紐帶。1—密封室,2—應(yīng)變片,3—導(dǎo)線,4—接線柱,5—管線接口,6—閥門,7—真空泵接口,8—“0”型圈圖33 吸附解吸室裝置Fig. 33 Device sketch of adsorption and desorption chamber(3)壓力調(diào)節(jié)與控制子系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)與控制子系統(tǒng)由減壓調(diào)壓閥(如圖34)、高精度電子壓力表、六通閥和高壓管線組成。圖34 減壓調(diào)壓閥Fig. 34 Pressure regulator(4)抽真空子系統(tǒng)抽真空子系統(tǒng)是由真空泵（如圖35）、高壓膠管兩部分組成。試驗使用的真空泵為2XZ4旋葉真空泵，可以使高壓吸附/解吸室中壓強達到近真空狀態(tài)。(5)數(shù)據(jù)釆集與記錄子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與記錄子系統(tǒng)由動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀（如圖36）和計算機兩部分組成。通過動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀將煤樣吸附/解吸過程中的煤體的應(yīng)變實時采集并傳輸給計算機，由計算機進行實時記錄。整個試驗系統(tǒng)是由原煤和型煤兩組吸附解吸系統(tǒng)組成，同步進行試驗。其中系統(tǒng)的氣密性、吸附/解吸室中氣體壓力的穩(wěn)定性對試驗至關(guān)重要。實驗裝置解決了在保證氣密性的同時,還解決了將試樣的變形信號傳輸至數(shù)據(jù)采集儀的難題,保證了實驗數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。圖35 真空泵Fig. 35 Vacuum pump圖36 動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀Fig36 Dynamic data logger 試樣制作和實驗裝置本試驗采用的煤樣由沙曲礦中開采，試驗樣品分為原煤和型煤兩種煤樣。實驗煤樣的制作過程如下：（1）原煤試件制備選取裂隙少、層理清晰的沙曲礦煤，在實驗室中使用巖石切割機（如圖37所示）將煤樣切制成較大塊的煤樣，切割時保證煤樣的長度方向為橫向，高度方向為縱向。再使用巖石取芯機（如圖38所示）加工成規(guī)格為長100mm，直徑為50mm的圓柱形原煤煤樣（如圖310所示），然后用磨平機磨平切割好的試樣斷面。（2）型煤試件制備制作型煤試件時首先要將沙曲礦中采集的大塊煤用粉碎機粉碎，再用篩子篩出60目的煤粉顆粒（如圖39所示），將篩出的煤粉顆粒放水的容器中保存。其次將模型內(nèi)部用石蠟打磨光滑，將型煤模具放在MH25實驗機（如圖311所示）上，再將混合好的煤粉倒入磨具內(nèi)進行單軸壓縮，（如圖310所示），倒入煤粉時要注意不斷排出模型內(nèi)空氣。煤樣的具體參數(shù)見表32。圖37 巖石切割機Fig. 37 Rock cutting machine圖38 巖石取芯機 Rock coring machine （a）機械破碎后的煤 （b）篩選后的煤粉圖39 煤粉顆粒Fig. 39 Coal particles 圖310 原煤（左）和型煤（右）煤樣Fig. 310 Coal (left) and coal (right) coal表32 煤樣基本參數(shù) Coal samples parameters煤樣直徑/mm高/mm原煤型煤圖311 MH25實驗機Fig 311 MH25 experimental aircraft（3）應(yīng)變片粘貼首先，將原煤和型煤試樣表面由于切煤和磨煤產(chǎn)生的煤粉、碎屑等雜物用酒精擦拭干凈，防止應(yīng)變片由于煤粉殘留而粘貼不牢固。其次將應(yīng)變片分別用502粘合劑粘貼在試樣的兩個相對表面上，每個表面貼兩個應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼方向分別為橫向和縱向，兩個應(yīng)變片呈“T”字形粘貼（如圖312所示），每個應(yīng)變片的電阻為120Ω。然后將不同表面上的縱向的兩個應(yīng)變片用導(dǎo)線串聯(lián)焊接為一組，將不同表面上的橫向的兩個應(yīng)變片用導(dǎo)線串聯(lián)焊接為另一組。最后，用萬用表測量兩組應(yīng)變片的阻值是否為兩應(yīng)變片阻值之和，即240Ω，以此判斷應(yīng)變片的連接是否正確。圖312 “T”字應(yīng)變片F(xiàn)ig 312 T strain gauge 試驗方法 試驗氣體的選擇瓦斯突出事故是煤礦生產(chǎn)中最嚴重、最危險的災(zāi)害之一。而CH4是瓦斯氣體的主要組成部分，研究煤體吸附瓦斯的變形規(guī)律，對進一步了解掌握煤層瓦斯運移規(guī)律，回收瓦斯氣體作為清潔能源，指導(dǎo)煤層氣抽采和瓦斯災(zāi)害防治具有十分重要的意義。但是由于煤層氣空氣濃度達到5%16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源，因此在試驗操作過程中也極易產(chǎn)生爆炸。另外若將煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性極強。在實驗過程中，如果操作不當(dāng)極易造成爆炸或者泄露。因此，我們選用比較安全的N2作為試驗氣體，以此模擬煤體吸附瓦斯氣體的變形試驗。 實驗步驟（1）抽真空吸附試驗在A吸附解吸室中放置原煤，在Ｂ吸附解吸室中放置型煤。、1MPa、。具體的試驗步驟如下：1）首先將試驗裝置用高壓管線連接，然后測試裝置的氣密性。打開高壓氣瓶，打開六通閥與吸附解吸室相連的所有閥門，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，將吸附解吸室壓力調(diào)節(jié)至5MPa，然后關(guān)閉壓力表之前的閥門。此時記錄下壓力表的讀數(shù)，將試驗裝置靜止4個小時后，如果壓力表讀數(shù)未發(fā)生改變，則該裝置氣密性良好。2）氣密性檢查完畢后，將原煤和型煤試件分別放入吸附解吸室中，調(diào)節(jié)試樣與數(shù)據(jù)采集儀相連接，調(diào)試數(shù)據(jù)采集儀后開始記錄煤體變形試驗數(shù)據(jù)。3）抽真空關(guān)閉試驗系統(tǒng)所有閥門，打開真空泵與2組吸附解吸室之間的控制閥門，使真空泵開始對2組吸附解吸室及試驗抽真空。抽真空過程持續(xù)24小時，關(guān)閉閥門，記錄抽真空結(jié)束時的時間和各通道的數(shù)值。4）打開所有進氣閥門，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，直至煤樣達到吸附平衡。5）重復(fù)上述步驟3）、4），，結(jié)束試驗。6）整個試驗過程中，數(shù)據(jù)采集儀一直記錄煤體的變形時間與變形量。（2）不抽真空吸附試驗在A吸附解吸室中放置原煤，在Ｂ吸附解吸室中放置型煤。、1MPa、。具體的試驗步驟如下：1）首先將試驗裝置用高壓管線連接，然后測試裝置的氣密性。打開高壓氣瓶，打開六通閥與吸附解吸室相連的所有閥門，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，將吸附室壓力調(diào)節(jié)至5MPa，然后關(guān)閉壓力表之前的閥門。此時記錄下壓力表的讀數(shù)，將試驗裝置靜止4個小時后，如果壓力表讀數(shù)未發(fā)生改變，則該裝置氣密性良好。2）氣密性檢查完畢后，將原煤和型煤試件分別放入吸附室中，調(diào)節(jié)試樣與數(shù)據(jù)采集儀相連接，調(diào)試數(shù)據(jù)采集儀后開始記錄煤體變形試驗數(shù)據(jù)。3）打開所有進氣閥門，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，直至煤樣達到吸附平衡。4）重復(fù)上述步驟3），，結(jié)束試驗。5）整個試驗過程中，數(shù)據(jù)采集儀一直記錄煤體的變形時間與變形量。4 原煤和型煤吸附變形的試驗結(jié)果、但由于試驗裝置靈敏度關(guān)系，、。 抽真空階段煤體變形量與時間關(guān)系本試驗在每組吸附試驗之前都要對原煤和型煤進行抽真空操作，這是為了將煤體內(nèi)部的空氣和水分等物質(zhì)排凈，減少由此可能帶來的試驗誤差。且每次抽真空之前首先要平衡通道，使得抽真空前動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集到的原煤和型煤的變形量都為0。經(jīng)大量的研究發(fā)現(xiàn)，原煤和型煤在抽真空階段都會產(chǎn)生一定的變形量，為了更清楚的看到原煤和型煤在抽真空階段變形量和時間的關(guān)系曲線，在此將抽真空階段原煤和型煤在橫向和縱向變形量和時間的變化關(guān)系單獨研究。，抽真空階段原煤、型煤橫向變形量與時間的關(guān)系曲線圖如圖41，原煤、型煤縱向變形量與時間的關(guān)系曲線圖如圖42。圖41 抽真空階段原煤、型煤橫向變形量與時間關(guān)系圖 Vacuum stage coal ,briquette parallel to bedding plane deformation versus time由圖41可以看出，在抽真空階段，原煤橫向的變形量比型煤橫向的變形量小。煤體的變形量穩(wěn)定時，原煤橫向變形量約為100，型煤橫向變形量約為275。圖42 抽真空階段原煤、型煤縱向變形量與時間關(guān)系圖 Vacuum stage coal ,briquette direction perpendicular to bedding deformation versus time由圖42可以看出，在抽真空階段，原煤在縱向的變形量小于型煤在縱向的變形量。抽真空結(jié)束時，原煤縱向變形量約為130，型煤縱向變形量均約為且在080min內(nèi)，原煤和型煤均有不同程度的向外膨脹變形，這是由于在抽真空的初始階段，真空泵將吸