軟硬煤瓦斯解吸規律及影響因素的實驗研究*

郝富昌，抄隆霄，孫麗娟，劉彥偉

(1.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；2. 煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

我國煤與瓦斯突出災害非常嚴重，煤層瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2、K1值是進行突出災害預測及效果檢驗的主要參數，其準確與否直接影響突出災害的防治效果。煤與瓦斯突出實例表明，我國發生了多次預測及效果檢驗指標均未超標的突出事故，分析其原因認為，突出事故發生于松軟煤層，軟硬煤層的瓦斯解吸規律大不相同，采用硬煤的解吸規律來測試軟煤層的瓦斯含量及鉆屑瓦斯解吸指標，會導致測試結果存在著較大的誤差。因此，研究軟硬煤層瓦斯解吸規律，并找出其影響因素，對于準確測試瓦斯含量及鉆屑解吸指標，防治煤與瓦斯突出災害具有重要意義。國內外學者對煤的解吸規律進行了較為深入的研究，研究成果主要集中于溫度[1-3]、水分[4-7]、粒度[8-10]、構造煤[11-12]、應力[13]等因素對瓦斯解吸特征的影響，至于軟硬煤瓦斯解吸規律的差異性及其影響因素，研究相對較少。本文擬搭建大質量瓦斯解吸實驗系統，進行軟硬煤瓦斯解吸實驗，查明軟硬煤的瓦斯解吸規律及其影響因素，為瓦斯災害防治提供理論依據。

1　軟硬煤瓦斯解吸實驗及規律

1.1　瓦斯解吸系統

根據國家及行業的相關標準[14-15]，搭建了大質量煤樣瓦斯解吸實驗系統，如圖1所示。該實驗系統煤樣重量達到了1 000 g，可以降低實驗誤差；煤樣罐處于恒溫水浴中，可研究不同溫度條件下的瓦斯解吸規律；該實驗系統，可以同時進行3組煤樣的解吸實驗，提高了實驗效率。

圖1　大質量煤樣瓦斯解吸系統Fig.1　Gas desorption system of high quality coal sample

1.2　實驗方法

1)煤樣采集

在具有軟分層的新掘煤巷，采掘軟煤和硬煤煤樣各1份，并記錄煤樣的破壞類型，每份重量不小于20 kg，密封后送回實驗室。

2)煤樣制備

在每份煤樣中，取出一部分測試煤的堅固性系數f值、瓦斯放散初速度△P和煤的吸附常數a，b值等參數；另一部分采用壓汞法測試煤的孔隙結構參數；最后一部分進行粉碎，篩選出粒徑為1～3 mm的煤樣進行解吸實驗，其重量不少于1 500 g。

3)軟硬煤解吸實驗

解吸實驗按照如下步驟進行：① 在每次解吸實驗前，對實驗系統的氣密性進行檢查，在確保氣密性可靠后，然后對充氣罐、煤樣罐及管路的體積進行標定；② 采用脫氣儀對瓦斯解吸實驗系統進行脫氣，直到真空度降低為20 Pa以下，持續2 h以上停止；③ 脫氣結束后，設置充氣壓力以及恒溫水浴溫度，通過大煤樣罐向小煤樣罐充氣，待壓力恒定2 h以上時停止充氣；④ 充氣結束后，采用真空袋接收游離瓦斯，待煤樣罐壓力表指數降低為0后，連接解吸儀進行解吸實驗，第一個60 s每10 s記錄一次解吸數據，以后每30 s記錄一次數據，觀測時間為2 h。

1.3　實驗結果

1.3.1煤樣采集及參數測試

在安陽龍山礦和平煤一礦具有軟分層的新掘煤巷，采集軟煤及硬煤煤樣各1份，密封后送回實驗室，部分煤樣測試了煤的堅固性系數f值、瓦斯放散初速度△P和煤的吸附常數a，b值等參數，測試結果如表1所示。其中龍山礦煤質為無煙煤，平煤一礦煤質為氣肥煤。

表1　煤體結構參數及吸附常數

從表1可以看出，龍山礦軟煤揮發分為6.21%，小于硬煤的6.81%；平煤一礦軟煤的揮發分為30.67%，同樣小于硬煤的33.03%，說明在同等條件下，軟煤的變質程度相對于硬煤更高一些；龍山礦軟煤的吸附常數a值為43.988 m3/t，而硬煤為43.244 m3/t；平煤一礦軟煤的吸附常數a值為22.466 m3/t，而硬煤為19.378 m3/t，無論是龍山礦還是平煤一礦，軟煤的吸附常數a值均大于硬煤，說明軟煤吸附甲烷的能力稍強于硬煤；軟煤的瓦斯放散初速度△P遠大于硬煤，說明軟煤煤樣具有更快的解吸速度。

1.3.2軟硬煤瓦斯解吸規律

采用圖1搭建的實驗系統，進行了龍山礦和平煤一礦不同平衡壓力同一地點軟硬煤瓦斯解吸實驗，受篇幅所限，僅列出了平衡壓力為0.74 MPa軟硬煤的瓦斯解吸曲線，如圖2和圖3所示。

圖2　龍山礦軟硬煤瓦斯解吸曲線(0.74 MPa)Fig.2　Soft and hard coal gas desorption curves of Longshan Mine(0.74 MPa)

圖3　平煤一礦軟硬煤瓦斯解吸曲線(0.74 MPa)Fig.3　Soft and hard coal gas desorption curves of Pingmei No.1 mine(0.74 MPa)

從圖2可以看出，在120 min內，龍山礦軟煤總解吸量為7.95 mL/g，而硬煤為4.96 mL/g，軟煤是硬煤的1.6倍，說明軟煤具有更強的解吸能力；從解吸速度來看，第1個60 s軟煤解吸量為1.54 mL/g，硬煤為0.81 mL/g，軟煤是硬煤的1.9倍，說明軟煤具有更快的解吸速度。

從圖3可以看出，在120 min內，平煤一礦軟煤總解吸量為1.58 mL/g，硬煤為0.25 mL/g，軟煤是硬煤的6.3倍，平煤一礦軟煤的總解吸能力遠大于硬煤；從解吸速度來看，平煤一礦軟煤第1個60 s解吸量為0.43 mL/g，硬煤解吸量為0.08 mL/g，軟煤的解吸速度遠快于硬煤。

從圖2和圖3對比分析來看，同樣是軟煤，龍山礦無煙煤在平衡壓力為0.74 MPa下，總解吸量為7.95 mL/g，遠大于平煤一礦氣肥煤的1.58 mL/g；龍山礦軟煤第一分鐘解吸量為1.54 mL/g，也遠快于平煤一礦的0.43 mL/g。龍山礦和平煤一礦硬煤的解吸規律也具有上述特征。從圖2和圖3可以得出，影響煤解吸量及解吸速率的主要因素為煤的破壞類型及變質程度，煤的破壞類型越高，變質程度越高，煤的解吸量越大，解吸速度也越快。

對圖2和圖3中解吸量和解吸時間進行擬合分析，結果如表2所示。

表2　瓦斯解吸量與時間擬合公式

從表2可以看出，軟硬煤的解吸量與解吸時間符合冪函數關系，擬合指數均在0.98以上，用冪函數公式可以較好的描述軟硬煤的解吸規律。

2　軟硬煤瓦斯解吸特征的影響因素

2.1　軟硬煤孔隙結構特征對比分析

為了研究軟硬煤瓦斯解吸特征的影響因素，采用AUTOPORE9505型全自動壓汞儀對對表1的4組煤樣進行了壓汞實驗，實驗結果如表3、圖4和圖5所示。

表3　煤的孔隙結構參數

圖4　龍山礦煤樣孔徑分布特征Fig.4　Pore size of Longshan mine

圖5　平煤一礦煤樣孔徑分布特征Fig.5　Pore size of Pingmei No.1 mine

從表3和圖4可以看出，龍山礦軟煤的總孔容為0.074 2 cm3/g，硬煤為0.034 6 cm3/g，軟煤總孔容是硬煤的2.14倍；龍山礦軟煤的孔隙率為9.19%，硬煤為4.59%，軟煤孔隙率是硬煤的2.0倍。從總孔容和孔隙率來看，軟煤具有更開放的孔隙結構。從孔徑分布來看，龍山礦軟硬煤的微孔孔容相差不大，但是軟煤過渡孔、中孔及大孔的孔容分別增大了4.75倍，1.45倍和1.14倍，這為瓦斯解吸提供了更好的通道。

從表3和圖5可以看出，平煤一礦軟煤的總孔容是硬煤的1.18倍，孔隙率軟煤是硬煤的1.2倍，說明軟煤具有更發達的孔隙結構。從孔徑分布來，軟硬煤微孔及過渡孔的孔容相差不大，但是軟煤的中孔及大孔孔容大幅度的增加，分別是硬煤的3.08倍和1.22倍。

2.2　軟硬煤解吸規律差異性的影響因素

軟煤相對于硬煤具有更多的總解吸量及更快的初始解吸速度，分析其原因，主要受以下2個因素影響：

1)煤的孔隙結構影響瓦斯解吸規律差異性的主要因素。綜合以上分析可知，實驗煤樣軟煤總孔容是硬煤的1.18～2.14倍，孔隙率是硬煤的1.2～2.0倍，說明具有更發達的孔隙結構。從孔徑分布角度來看，實驗煤樣軟硬煤微孔孔容相差不大，但是中孔及大孔孔容明顯增加，分別增大了1.45～3.08倍及1.14～1.22倍，這為軟煤瓦斯解吸提供了更優異的通道，這也是軟煤瓦斯解吸量更多及初始解吸速度更快的根本原因。

2)動力變質作用是影響瓦斯解吸規律差異性的次要因素。軟煤在形成過程中，受到動力變質作用，總體上來看，相對于同一地點的硬煤，軟煤具有更高的變質程度，如龍山礦軟煤揮發分為6.21%，小于硬煤的6.81%；平煤一礦軟煤的揮發分為30.67%，同樣小于硬煤的33.03%，說明軟煤在同等條件下具有更高的變質程度。煤的變質程度越高，在相同平衡壓力條件下吸附甲烷的能力越強，更有利于形成較高的瓦斯濃度梯度，從而導致軟煤瓦斯解吸速度較快和解吸量較多。

3　結論

1)在相同平衡壓力條件下，軟煤瓦斯解吸量1.58～7.95 mL/g，而硬煤解吸量為0.25～4.96 mL/g，軟煤總解吸量是硬煤的1.6～6.3倍；第一個60 s解吸量軟煤為0.43～1.54 mL/g，硬煤為0.08～0.81 mL/g，軟煤解吸速度是硬煤解吸量的1.9～5.4倍，軟煤總解吸量及解吸速度均遠大于硬煤。

2)軟硬煤的解吸量與解吸時間符合冪函數關系，擬合指數均在0.98以上。

3)軟煤相對于硬煤具有更多的解吸量及更快的解吸速度，主要受到軟硬煤孔隙結構的影響。軟煤總孔容是硬煤的1.18～2.14倍，孔隙率是硬煤的1.2～2.0倍，軟煤具有更發達的孔隙結構。軟硬煤微孔孔容相差不大，但是中孔及大孔孔容分別增大了1.45～3.08倍及1.14～1.22倍，這為軟煤瓦斯解吸提供了更優質的通道。

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