瓦斯放散初速度實驗室測定影響因素探析

趙志法

(貴州水城礦業(yè)(集團)有限責任公司)

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瓦斯放散初速度實驗室測定影響因素探析

趙志法

(貴州水城礦業(yè)(集團)有限責任公司)

瓦斯放散初速度作為煤礦突出危險性鑒定的重要指標之一，其測定的準確程度將直接影響到礦井突出危險性的鑒定結果。為了保證瓦斯放散初速度測定的準確性，對溫度、壓力、煤樣水分含量等對瓦斯放散初速度實驗室測定結果的影響進行了分析，并提出了相應的修正措施，減小了瓦斯放散初速度測定的誤差，保證了礦井合理的防突投入及安全高效生產(chǎn)。

瓦斯放散初速度壓力溫度水分含量

煤與瓦斯突出指的是煤礦掘進過程中，在一定條件下煤與瓦斯突然間噴出的一種動力現(xiàn)象[1],嚴重的會引起瓦斯爆炸，造成群死群傷，損壞礦井井下設備及礦井安全生產(chǎn)。我國目前煤層突出危險性鑒定主要采用單項指標法，即瓦斯壓力、煤層破壞類型、瓦斯放散初速度、堅固性系數(shù)，其中瓦斯放散初速度實驗室測定時會受到多方面因素的影響，主要包括實驗溫度，壓力，煤樣的含水率等，該參數(shù)測定的準確性將直接影響到煤層突出危險性鑒定的結果。為避免礦井不合理的防突投入以及不安全的生產(chǎn)行為，確保突出危險性鑒定結果的準確性，本文對實驗室測定瓦斯放散初速度時的影響因素進行了初步探析，并提出了相應的修正措施。

1　實驗原理

3.5g粒度在0.2～0.25mm的煤樣，在0.1MPa的壓力條件下，60s與10s時的解析量差值，即為瓦斯放散初速度。根據(jù)《瓦斯等級鑒定暫行辦法》，瓦斯放散初速度臨界值為10mmHg，實驗裝置原理如圖1所示。

圖1　WT-1型瓦斯放散初速度測定儀原理

2　實驗影響因素分析

2.1溫度

李曉偉等對不同溫度下煤樣的瓦斯放散初速度進行了測定[2]，研究發(fā)現(xiàn)瓦斯放散初速度和溫度差值存在二次項關系，且溫度越高瓦斯放散初速度越小。根據(jù)AQ1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標(ΔP)測定方法》，其中未對瓦斯放散初速度實驗室測定溫度統(tǒng)一規(guī)定，且一天之中氣溫變化在10 ℃左右，如果實驗室是開放性的，那么溫度的變化就會直接導致實驗結果測定的不準確。

溫度對瓦斯放散初速度測定的影響主要包括兩個方面：在受限空間內(nèi)氣體本身受到溫度變化的影響引起的壓力變化；煤體本身吸附氣體受溫度影響，由于煤是多孔介質，煤基質內(nèi)部具有發(fā)達的孔隙結構，是一種天然吸附劑，瓦斯主要吸附在微孔隙內(nèi)，隨著溫度的升高，分子熱運動能力增加，克服阻力進入到游離態(tài)。研究顯示，氣溫每升高一度，甲烷在煤體內(nèi)的吸附量減少8%。所以，實驗室溫度的波動會導致實驗結果測定的不準確。

為避免溫度變化引起的測量誤差，建議實驗室進行瓦斯放散初速度測定前，關閉門窗，將實驗室溫度調(diào)節(jié)至原煤取樣地點的溫度，待溫度恒定以后再進行測定，既可以排除溫度波動引起的誤差，也可以保證測定溫度和現(xiàn)場溫度的同一性，使突出危險性鑒定結果更加準確。

2.2煤樣水分含量

為了防塵，煤礦開采前一般會預先對煤層進行注水處理[2-3]，同時部分突出煤層在開采前會預先采取水力化消突措施[4-6]，使煤層中含有大量的水，且煤層各處含水量會因距離注水孔的遠近而呈現(xiàn)出差異，直接導致實驗所取煤樣的含水量存在較大差別[7-8]。甲烷在煤體中吸附量的決定性因素是微孔的數(shù)量、大小和分布特性，從吸附化學的角度來說，水分子具有明顯的極性，比甲烷更容易被煤體吸附[9]。首先水分子在煤體裂隙和大孔徑中運移，由擴散作用和毛細作用進入煤體的微孔隙中，以多分子層的形式與煤體表面牢固結合[10]。水分子的存在會影響甲烷的吸附量，因為水分子與煤基質表面具有很強的作用力，水分主要從以下幾個方面影響甲烷在煤體中的吸附[11]：①部分游離態(tài)水分子由于潤濕作用占據(jù)了甲烷分子的吸附位，使得甲烷在煤體表面的吸附量降低；②水分子具有一定的蒸汽壓，游離于煤炭孔隙中的水分子會與甲烷分析競爭吸附，由于水分子更加容易被煤體吸收，從而導致了煤體中甲烷的含量降低；③水分子阻塞了甲烷分子進入微孔隙的通道，而微孔的表面是甲烷吸附的主要場所。在煤體的微孔隙中水分子產(chǎn)生毛細現(xiàn)象，形成毛細阻力，使煤中甲烷難以被微孔隙內(nèi)表面吸附，從而降低了甲烷的吸附量。

為了保證瓦斯放散初速測定結果的準確性，排除水分對突出危險性鑒定結果的影響，煤樣在實驗前均采用干燥箱烘干處理，并將干燥箱溫度與井下溫度調(diào)整一致，煤樣在干燥箱中干燥一周后進行測定。既可以使外在的水分完全干燥，又不至于因為干燥溫度過高導致煤樣的含水率低于原煤自然含水率。

2.3壓力

研究表明，甲烷在煤體中的吸附符合朗格繆爾吸附方程，同時，甲烷在煤體內(nèi)的擴散符合菲克擴散定律，按照理論公式進行推導，便可以得到瓦斯放散初速度：

(1)

式中,D為擴散系數(shù)，m2/s；a為極限吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)；P為吸附壓力，MPa；x為距顆粒中心的距離，m。

由式(1)可以看出,瓦斯放散初速度的測定會受到充氣壓力的影響。就同一種煤樣而言，充氣壓力越低其測定值越小，充氣壓力越高測定值也就越大。瓦斯放散初速度測定儀使用時大都是在當?shù)氐拇髿鈮毫l件下充氣，而真空泵在一定情況下負壓基本上為定值，在保證實驗室測定溫度不變的前提下，大氣壓力會直接影響到瓦斯放散初速度的測定值。

目前我國測定瓦斯放散初速度的儀器多數(shù)是在當?shù)卮髿鈮毫ο逻M行充氣測定的，然而，大氣壓力會因海拔高低和氣溫高低而發(fā)生一定的變化，海拔高的區(qū)域大氣壓力會低于海拔低的區(qū)域，就算同一地區(qū)大氣壓力，夏季與冬季也會出現(xiàn)差異性，導致同一煤樣在不同地區(qū)、不同季節(jié)測定的差異性。因此，為了保證測定結果的準確性，規(guī)定實驗室測定瓦斯放散初速度時要通過空盒氣壓表實時監(jiān)測室內(nèi)的壓力，并采用穩(wěn)壓裝置保證實驗在規(guī)定壓力0.1MPa的大氣壓下測定。

2.4其他因素

人為因素和其他的一些相關因素也會影響到瓦斯放散初速度測定結果的準確性。比如，制樣過程中如果煤樣中摻入了煤矸石就會導致測定結果偏小，因為矸石的孔隙發(fā)育比煤要小的多，放散能力很差。同時，為了防止煤粉被吸入管道中，一般用脫脂棉塞在煤樣上面，塞入量的多少會影響吸附空間的大小，也會導致測定的結果有所差別，這也就是平行實驗時得到的2個或者3個結果不同的原因。

為了保證測定結果的準確性，在選煤樣時應該排除矸石等其他雜質的影響，棉花團的塞入也要注意盡量保持一致，稱量時保證天平調(diào)平歸零，不要散落煤粉，確保煤樣罐中裝入實驗煤粉量為3.5g。

3　結　論

(1)通過研究分析，瓦斯放散初速度的測定過程中，實驗室溫度、大氣壓力、煤樣水分含量和人為因素等均會對測定結果產(chǎn)生影響。

(2)為了確保瓦斯放散初速度測定的準確性，實驗室測定過程中，應盡量避免人為因素和操作因素的影響，保證實驗溫度、煤樣水分含量與井下條件一致，并采用穩(wěn)壓裝置保證充氣壓力為0.1MPa。

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AnalysisoftheInfluenceFactorsofGasRadiationInitialVelocitybyLaboratoryMeasurement

ZhaoZhifa

(GuizhouShuichengCoalMiningGroupCo.,Ltd.)

Thegasradiationinitialvelocityisastheoneoftheimportantparametersoftheevaluationofcoalminegasoutburst,theevaluationresultsofminegasoutburstisaffecteddirectlybythemeasurementaccuracyofgasradiationinitialvelocity.Inordertoensurethemeasuementofgasradiationinitialvelocitywithhighprecision,theinfluenceoftemperature,pressureandmoisturecontentsofcoalsamplestothemeasurementresultsofgasradiationinitialvelocityinlaboratoryisanalyzed,andthecorrespondingcorrectivemeasuresisputforwardtoreducethemeasurementerrorofgasradiationinitialvelocity,therefore,thereasonablegasoutburstpreventionincoalmineandsafetyandefficientproductionareensured.

Gasradiationinitialvelocity,Pressure,Temperature,Moisturecontents

2016-03-22)

趙志法(1962—)，男，工程師，553000 貴州省六盤水市鐘山區(qū)開拓路16號。