【正文】 煤橫向上的變形量約為300。圖416為不抽真空條件下，、型煤在縱向變形量與時(shí)間關(guān)系圖。兩煤體變形量達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，原煤縱向上的變形量約為170，型煤縱向上的變形量約為190。兩煤體變形量達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，原煤橫向上的變形量約為200，型煤橫向上的變形量約為圖414為抽真空條件下，、型煤在縱向變形量與時(shí)間關(guān)系圖。且二者在0100min時(shí)間段內(nèi)變形量變化很大，圖像上升速率較快，在約第250min后兩者變形量逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)原煤縱向上的變形量約為100，型煤縱向上的變形量約為130。兩煤體變形量達(dá)到穩(wěn)定值后，原煤橫向上的變形量約為100，型煤橫向上的變形量約為110。圖411 原煤、型煤橫向變形量與時(shí)間關(guān)系圖 Coal, briquette parallel to bedding plane deformation versus time圖412 原煤、型煤縱向變形量與時(shí)間關(guān)系圖 Coal, briquette direction perpendicular to bedding deformation versus time由圖411可知，在不抽真空條件下，原煤在橫向上的變形量小于型煤在橫向上的變形量。圖411為不抽真空條件下，、型煤在橫向變形量與時(shí)間關(guān)系圖。且煤體在080min時(shí)間段內(nèi)變形量變化很大，圖像急速上升，而后兩種煤體的變形量逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)原煤縱向上的變形量約為150，型煤縱向上的變形量約為180。在0600min時(shí)間段內(nèi)，原煤橫向變形量比型煤在橫向上的變形量大，這是由于氣體剛進(jìn)入吸附解析室時(shí)，氣體對(duì)煤體產(chǎn)生壓力的作用，而這種作用對(duì)型煤產(chǎn)生的變形量比對(duì)原煤產(chǎn)生的變形量更加明顯。49 原煤、型煤橫向變形量與時(shí)間關(guān)系圖 Coal, briquette parallel to bedding plane deformation versus time圖410 原煤、型煤縱向變形量與時(shí)間關(guān)系圖 Coal, briquette direction perpendicular to bedding deformation versus time由圖49可知，在抽真空條件下，原煤在橫向上的變形量比型煤在橫向上的變形量小。 如圖49為抽真空條件下，、型煤在橫向變形量與時(shí)間關(guān)系圖。 （a） （b） （c）圖47 不同吸附氣體壓力下煤體橫向變形量隨時(shí)間變化曲線 Different coal adsorbed gas pressure direction parallel to bedding deformation versus time由圖47可知，隨著吸附氣體壓力的升高，原煤和型煤在抽真空階段橫向的變形量逐漸減小。且在200min后，原煤和型煤在縱向上的變形量趨于穩(wěn)定，此時(shí)原煤縱向變形量約為30，型煤縱向變形量約為38。且在200min后，原煤和型煤在橫向上的變形量趨于穩(wěn)定，此時(shí)原煤橫向變形量約為15，型煤橫向變形量約為30。，抽真空階段原煤、型煤橫向變形量與時(shí)間的關(guān)系圖如圖45，原煤、型煤縱向變形量與時(shí)間的關(guān)系圖如圖46。且在050min內(nèi)，原煤和型煤均有不同程度的向外膨脹，這是由于在抽真空的初始階段，真空泵將吸附解析室內(nèi)的空氣逐漸排盡，使得煤塊內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差，煤內(nèi)部壓強(qiáng)比外部壓強(qiáng)大，煤體向外膨脹變形。由圖43可以看出，在抽真空時(shí)，原煤橫向的變形量比型煤橫向的變形量小。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，真空泵將吸附解析室內(nèi)的空氣逐漸排盡，但煤體內(nèi)部還有部分氣體分子和水分子，這使得煤塊內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差，煤體內(nèi)部壓強(qiáng)比外部壓強(qiáng)大，煤體向外膨脹變形。圖42 抽真空階段原煤、型煤縱向變形量與時(shí)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。圖41 抽真空階段原煤、型煤橫向變形量與時(shí)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。經(jīng)大量的研究發(fā)現(xiàn)，原煤和型煤在抽真空階段都會(huì)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(shí)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(shí)間的變化關(guān)系單獨(dú)研究。 抽真空階段煤體變形量與時(shí)間關(guān)系本試驗(yàn)在每組吸附試驗(yàn)之前都要對(duì)原煤和型煤進(jìn)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(yàn)誤差。5）整個(gè)試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集儀一直記錄煤體的變形時(shí)間與變形量。3）打開所有進(jìn)氣閥門，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，直至煤樣達(dá)到吸附平衡。此時(shí)記錄下壓力表的讀數(shù)，將試驗(yàn)裝置靜止4個(gè)小時(shí)后，如果壓力表讀數(shù)未發(fā)生改變，則該裝置氣密性良好。具體的試驗(yàn)步驟如下：1）首先將試驗(yàn)裝置用高壓管線連接，然后測(cè)試裝置的氣密性。（2）不抽真空吸附試驗(yàn)在A吸附解吸室中放置原煤，在Ｂ吸附解吸室中放置型煤。5）重復(fù)上述步驟3）、4），結(jié)束試驗(yàn)。抽真空過程持續(xù)24小時(shí)，關(guān)閉閥門，記錄抽真空結(jié)束時(shí)的時(shí)間和各通道的數(shù)值。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(yàn)數(shù)據(jù)。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。、1MPa、。因此，我們選用比較安全的N2作為試驗(yàn)氣體，以此模擬煤體吸附瓦斯氣體的變形試驗(yàn)。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(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。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(duì)進(jìn)一步了解掌握煤層瓦斯運(yùn)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。最后，用萬用表測(cè)量?jī)山M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。其次將應(yīng)變片分別用502粘合劑粘貼在試樣的兩個(gè)相對(duì)表面上，每個(gè)表面貼兩個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼方向分別為橫向和縱向，兩個(gè)應(yīng)變片呈“T”字形粘貼（如圖312所示），每個(gè)應(yīng)變片的電阻為120Ω。煤樣的具體參數(shù)見表32。（2）型煤試件制備制作型煤試件時(shí)首先要將沙曲礦中采集的大塊煤用粉碎機(jī)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。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中使用巖石切割機(jī)（如圖37所示）將煤樣切制成較大塊的煤樣，切割時(shí)保證煤樣的長(zhǎng)度方向?yàn)闄M向，高度方向?yàn)榭v向。實(shí)驗(yàn)裝置解決了在保證氣密性的同時(shí),還解決了將試樣的變形信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集儀的難題,保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)是由原煤和型煤兩組吸附解吸系統(tǒng)組成，同步進(jìn)行試驗(yàn)。(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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀（如圖36）和計(jì)算機(jī)兩部分組成。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。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(hào)傳輸結(jié)構(gòu)，所起作用是將吸附解吸室內(nèi)的試驗(yàn)煤樣的變形信號(hào)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(hào)的紐帶。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。其中,高壓氣瓶?jī)?nèi)裝有初始?jí)毫?5 MPa，%的N2，在整個(gè)試驗(yàn)過程中供氣壓力均滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖32。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表31所示31 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Tab. 31 Experimental contents試驗(yàn)名稱試驗(yàn)內(nèi)容恒定荷載抽真空吸附試驗(yàn)恒定荷載不抽真空吸附試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備本試驗(yàn)使用的試驗(yàn)裝置為煤層氣高壓吸附解吸變形裝置。重復(fù)以上步驟，是每次吸附試驗(yàn)的氣體壓力都比上組髙P2，直至壓強(qiáng)增至P(P=P0+nP2)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。恒定荷載吸附是指首先將調(diào)為吸附試驗(yàn)初始?xì)怏w壓力P0，并使煤樣對(duì)N2進(jìn)行吸附至平衡后,然后將吸附解吸室內(nèi)初始?xì)怏w壓力降為0MPa，進(jìn)行解吸。如試件的尺寸、形狀、周圍的溫度等。3 煤吸附瓦斯變形試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)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。 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(shí)間的關(guān)系以及是否抽真空對(duì)瓦斯吸附量關(guān)系的影響。BET模型保留了Langmuir模型中吸附熱是常數(shù)的假設(shè)，補(bǔ)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。Langmuir模型認(rèn)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。或 （）式中：—吸附量；—?dú)怏w壓力；，—常數(shù)。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(shí)際問題的吸附體系。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。設(shè)在完全裸露的空白表面上，單位時(shí)間內(nèi)碰撞到單位表面上的氣體分子數(shù)為，吸附停留時(shí)間為，則單位面上吸附的氣體分子數(shù)。由于氣體分子在固體表面上可以停留一段時(shí)間，因而表面濃度與氣體相中的不同。 Langmuir單分子層吸附模型 Langmuir吸附模型的基本假設(shè)，吸附劑表面是均勻的，吸附分子間無相互作用；吸附式單分子層定位吸附。氣體在固體表面形成二維吸附膜，將不同的膜狀態(tài)與 Gibbs 吸附公式結(jié)合，得到一系列的吸附等溫式見表 21。故而在抽真空時(shí)，型煤發(fā)生的變形量比原煤大。然而型煤的煤體內(nèi)只有中孔及以下空隙，由文獻(xiàn)可知，煤體中孔及以上空隙是最易產(chǎn)生變形的。研究表明，抽真空對(duì)原煤煤體變形影響較小，對(duì)型煤煤體變形影響較大。抽真空時(shí)原煤、型煤應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖如圖26。煤體在吸附瓦斯時(shí)產(chǎn)生變形的微量性使得在試驗(yàn)過程中應(yīng)盡量減小環(huán)境和設(shè)備帶來的誤差。因而初始瓦斯壓力越大，吸附速率越大。圖25 煤樣吸附速率隨時(shí)間變化曲線Fig25 Coal adsorption rate versus time由圖25可知，同種煤樣，在同種吸附氣體壓力的狀態(tài)下，吸附的初始階段，吸附速率呈急衰減狀降低，隨后緩慢降低，逐漸趨于穩(wěn)定；吸附過程中，瓦斯壓力越大，吸附速率也就越大。同一壓力點(diǎn)下，粒度對(duì)煤樣的極限吸附量的影響沒有顯現(xiàn)出明顯的規(guī)律，所以在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)行多種粒度煤樣的吸附實(shí)驗(yàn)，去探究煤樣粒度大小與極限吸附量的關(guān)系。圖24 極限吸附量與壓力的關(guān)系曲線Fig24 Limit the amount of adsorption and pressure curve由圖24可知，同粒徑煤樣，初始瓦斯壓力越高時(shí)，極限吸附量越大；初始瓦斯壓力越大時(shí)，煤樣罐內(nèi)單位體積的瓦斯分子數(shù)越多，碰撞在煤體表面的分子數(shù)就越多，瓦斯分子在煤體表面所占據(jù)的吸附位就越多，排列的更加稠密，吸附量就越大；瓦斯初壓越大時(shí)，煤體表面的瓦斯壓力梯度或濃度梯度也就越大，瓦斯分子就能獲得更大的驅(qū)動(dòng)力往煤體內(nèi)部滲流或擴(kuò)散，被吸附的瓦斯也就越多。在快速增長(zhǎng)階段，由于煤體外部的高瓦斯壓力梯度和高瓦斯?jié)舛忍荻?，使甲烷分子以滲透和擴(kuò)散的方式進(jìn)人，和煤分子結(jié)合，隨著大量的甲烷分子進(jìn)人裂隙、孔隙，煤的孔隙體積增大，煤發(fā)生吸附膨脹變形；隨著吸附時(shí)間的增加，吸附飽和程度不斷增加，瓦斯?jié)舛忍荻扰c瓦斯壓力梯度迅速降低，使的得脫離煤分子的甲烷分子數(shù)量相等時(shí)，吸附達(dá)到平衡。（a） 縱向（b）橫向圖23 不同壓強(qiáng)下縱向、橫向吸附變形與時(shí)間關(guān)系曲線 Relationship between longitudinal and horizontal adsorption deformation and time由圖23可知，膨脹變形量隨時(shí)間的增加不斷增加，而增加速率逐漸減小，變形量最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。向密閉吸附罐注入甲烷氣體后, 在氣體壓力作用下, 煤基質(zhì)內(nèi)部分子間距減小，但其減小量很?。晃郊淄闅怏w后煤基質(zhì)孔隙表面能下降，孔隙表面層膨脹, 且膨脹量較大, 總體表現(xiàn)為膨脹，當(dāng)煤基質(zhì)的膨脹受限時(shí)，煤基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，煤基質(zhì)向外膨脹，發(fā)生膨脹變形。 壓力對(duì)煤吸附瓦斯的影響 ， ，0 .6MPa吸附壓力條件下的煤體膨脹變形曲線。T1T2T2T1溫度T/℃吸附瓦斯量/(m3/t)圖21 CH4吸附量隨溫度的變化趨勢(shì) trend of CH4 adsorption quantity by temperature changing. Thimons等建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程，若已知30℃時(shí)煤對(duì)于瓦斯氣體的吸附量，則可以通過下式得到其他溫度下的瓦斯吸附量：=/