平頂山礦區己組不同破壞程度煤的瓦斯放散動力試驗研究

王峰 等

摘要：本文針對平頂山礦區己組煤層不同破壞程度煤進行了瓦斯放散動力試驗，試驗結果表明，在相同吸附平衡壓力條件下，煤的破壞程度越高，初始階段相同時間內瓦斯解吸總量越大；在不同吸附平衡壓力條件下，吸附平衡壓力越高，初始階段相同時間內瓦斯解吸總量越大；煤的破壞程度越高，瓦斯放散速度越快，相應曲線斜率越大。并研究確定了己組煤層鉆屑瓦斯解吸指標K1與吸附平衡壓力P的關系：K1=0.5342P0.584，現場試驗表明，確定的K1指標的臨界值0.42ml/（g.min0.5）能夠滿足安全生產需要。

關鍵詞：瓦斯放散動力 破壞程度 吸附平衡壓力 臨界值

平頂山礦區是我國煤與瓦斯突出災害比較嚴重的礦區之一。歷史上有記載的煤與瓦斯突出共發生156次，其中己組煤層突出74次，占突出總數的47.4%，平均突出煤量144.3t/次，平均涌出瓦斯量10710m3/次[1]。研究表明，煤與瓦斯突出災害的發生與煤的破壞程度有很大關系。因此，研究不同破壞類型煤的解吸規律對防治煤與瓦斯突出具有重要的價值。

1 己組煤層賦存特征

平頂山礦區己組煤主采己15煤層和己16-17煤層[2]。其中，己15煤層上距戊9-10煤層140～200m，平均180m，煤厚一般1.5～3.5m，煤厚總體趨勢東部厚，西部薄（十礦以西），煤層傾角7～38°，煤層夾矸1～2層，夾矸厚度0～0.3m，為較穩定煤層。己16-17煤層上距己15煤層0～31m，平均10m，與己15煤層間距總體趨勢為煤田中部大，兩翼小。己16和己17煤層大部分合層，總體趨勢西部（四礦以西）以合層為主，東部時合時分。煤厚0～10.2m，一般1.5～6.2m，煤厚總體趨勢為李口向斜南翼西厚東薄，李口向斜北翼西薄東厚，煤層傾角7～38°，煤層夾矸1～4層，夾矸厚度0～0.8m，為穩定煤層。

2 試驗原理

煤層瓦斯放散動力試驗[3]主要通過對不同破壞類型煤的不同吸附壓力條件下達到瓦斯吸附平衡后，在一定溫度下進行常壓瓦斯解吸，從而分析不同破壞類型煤在不同吸附平衡壓力條件下的解吸規律。通過對瓦斯解吸規律的研究，進一步探討己組煤層瓦斯突出預測指標K1值與瓦斯壓力之間的關系。

3 試驗方法

己組煤層瓦斯放散動力試驗過程主要包括煤樣制備、煤樣真空脫氣、煤樣吸附平衡、煤樣的解吸測定等環節。

3.1 煤樣制備[4]。研究表明，煤的堅固性系數在一定程度上能夠反映煤的破壞程度，因此，試驗樣品的破壞程度由煤的堅固性系數來表示。試驗樣品取自十二礦己15-17200進風巷新鮮暴露煤壁，其測定結果見表1。

將1-3mm的煤樣置于干燥箱中，在105°C的溫度環境中干燥兩小時再取出置于干燥器中自然冷卻。煤樣溫度與室溫持平后將其存放于密封的容器內。

3.2 煤樣真空脫氣。量取烘干煤樣置于密封的煤樣罐內。裝罐時應裝滿壓實，盡量將罐內空氣擠出。在抽真空環節，為避免煤樣被吸入管路，可將脫脂棉覆蓋在罐體上部。

開啟恒溫水浴、真空泵、復合真空計，水浴溫度設定為60±1°C，開啟聯動閥門抽真空，復合真空計指示壓力為20Pa后停止抽真空。

3.3 煤樣瓦斯吸附平衡[5]。恒溫水浴溫度調至與井下實際溫度相當的30±1°C，將高純（濃度99.9%）高壓瓦斯鋼瓶聯動閥門啟動，高壓瓦斯氣便會進入充氣罐和連通管，待充氣罐內瓦斯壓力比預設壓力稍高后關停閥門，使瓦斯進入煤樣罐內。當罐內瓦斯壓力達到預定壓力值時（本試驗設定值為0.5MPa、0.74MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa）將閥門關閉。之后密切關注煤樣罐瓦斯壓力，監測頻率為2～3小時/次，當兩次監測所獲取的壓力表數值相同、煤樣吸附瓦斯時間超過全天，即可判定煤樣達到吸附平衡。觀測煤樣罐平衡瓦斯壓力P為煤樣吸附平衡壓力。

3.4 煤樣瓦斯解吸測定。①保持恒溫水浴溫度30±1°C，將相關閥門關閉，使連通管內的高壓瓦斯氣體排出。②提前備好瓦斯解吸測定儀及計時秒表，對大氣壓Patm及瓦斯解吸測定儀水槽中的水溫tw施測。③開啟煤樣罐閥門，使煤樣罐內游離瓦斯進入指定帶刻度的量筒內，當煤樣罐壓力指示值為零時，迅速調節三通，使解吸的瓦斯進入另一指定帶刻度的量筒內，同時啟動秒表開始計時。④每隔30s讀取并記錄量筒內的解吸瓦斯量，解吸10min后終止測試。⑤為了對比分析不同試樣，不同瓦斯吸附平衡壓力下的瓦斯放散特征，必須將實測的瓦斯解吸量換算成標準狀態下體積，換算公式如下：

Q=P-9.81h-P·Qt′（1）

式中：Q、Qt′分別表示標準狀態和實驗環境下瓦斯解吸總量（mL）；t、P、h分別表示量筒內水溫（℃）、大氣壓力（Pa）和讀取數據時量筒內水柱高度（mm）；P表示 t下飽和水蒸汽壓力（Pa）。

3.5 改變試樣的吸附平衡壓力，重復步驟3.3、3.4，從而得到煤樣在不同瓦斯吸附平衡壓力下的瓦斯放散試驗數據。

3.6 當完成某一煤樣在各預定平衡壓力（0.5MPa、0.74MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa）下的瓦斯放散試驗

后，換取其它煤樣并按照步驟3.1-3.5進行試驗，并最終得到不同破壞程度的煤樣在不同瓦斯吸附平衡壓力下的4 試驗結果分析

4.1 煤的破壞程度對瓦斯放散規律的影響分析。為深入探究煤的破壞程度對瓦斯放散規律的影響，筆者基于相同瓦斯吸附平衡壓力條件繪制了不同堅固性系數f的煤樣的瓦斯放散規律曲線。此處取最典型的圖例進行深入研究（參見圖1、圖2）。圖1為瓦斯吸附平衡壓力P=0.74MPa時煤樣瓦斯解吸總量隨時間變化曲線。圖2為瓦斯吸附平衡壓力P=2.05MPa時煤樣瓦斯解吸總量隨時間變化曲線。由圖1和圖2可以看出：不同破壞類型煤的瓦斯放散規律有明顯的區別，在相同吸附平衡壓力條件下，煤的破壞程度越高，初始階段相同時間內瓦斯解吸總量越大；在不同吸附平衡壓力條件下，吸附平衡壓力越高，初始階段相同時間內瓦斯解吸總量越大；煤的破壞程度越高，瓦斯放散速度越快，相應曲線斜率越大。

煤體在初始暴露時間段解吸速度越快、解吸量越大，在工作面前方煤體中形成的瓦斯壓力梯度越大，同時，在解吸瓦斯流和地應力的共同作用下，煤體不斷剝離，工作面前方煤體的應力梯度不斷變大，由于煤體松軟，在強大瓦斯流和較高地應力的作用下，就會發生瓦斯突出。

4.2 鉆屑瓦斯解吸指標K1與吸附平衡壓力的關系。為了分析己組煤在不同瓦斯壓力和破壞程度條件下的突出預測指標理論臨界值，根據實驗室相似模擬實驗研究，繪制了不同破壞程度煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標K1與瓦斯吸附平衡壓力P的關系圖，如圖3。

研究發現，鉆屑解吸指標k1值與吸附平衡壓力P之間存在如下關系：

k1=APB（2）

式中：P——瓦斯吸附平衡壓力，MPa；

k1——鉆屑瓦斯解吸指標，ml/（g.min0.5）；

在所采集的煤樣中，f值在0.18至0.63之間變化，選取測點煤的堅固性系數最小的4#煤樣進行K1-P關系模擬，其模擬曲線圖如圖4，擬合曲線關系式為式3。

K1=0.5342P0.584 （3）

將煤與瓦斯突出臨界瓦斯壓力0.74MPa代入式3，計算得出十二礦己組煤層鉆屑瓦斯解吸指標K1的試驗臨界值為0.42ml/（g.min0.5）。為了考察確定的鉆屑解吸指標k1值的臨界值，在己15-17220底抽巷石門揭煤處進行了試驗，試驗表明確定的臨界值能夠準確反映揭煤區域的突出危險性，能夠滿足安全生產需要。

5 結論

5.1 不同破壞類型煤的瓦斯放散規律有明顯的區別。在相同吸附平衡壓力條件下，煤的破壞程度越高，初始階段相同時間內瓦斯解吸總量越大；在不同吸附平衡壓力條件下，吸附平衡壓力越高，初始階段相同時間內瓦斯解吸總量越大；煤的破壞程度越高，瓦斯放散速度越快，相應曲線斜率越大。

5.2 煤體在初始暴露時間段解吸速度越快、解吸量越大是導致煤與瓦斯突出的直接原因。

5.3 研究確定了己組煤層鉆屑瓦斯解吸指標K1與吸附平衡壓力P的關系：K1=0.5342P0.584，確定的K1指標的臨界值0.42ml/（g.min0.5）能夠滿足安全生產需要。

參考文獻：

[1]張建國.中國平煤神馬集團煤礦瓦斯防治“十二五”規劃[M].徐州：中國礦業大學出版社，2012.

[2]河南省煤田地質局四隊河南省平頂山天安煤業股份有限公司

十二礦生產礦井地質報告[R].2007-11-10.

[3]曹垚林.高壓吸附下的瓦斯放散初速度研究[J].煤礦安全，2004（09）.

[4]GB474-83.國家標準局.煤樣的制備方法[Z].1983-06-15.

[5]陳建忠.潘三礦C13-1煤層掘進工作面敏感指標及臨界值研究[D].河南理工大學，2010.

作者簡介：王峰（1979-），男，河南平頂山人，本科，助理工程師，研究方向：礦井瓦斯基礎參數測試與管理工作等。