淺談煤階對瓦斯放散初速度及堅固性系數的相關影響

摘 要：當今社會能源的需求量越來越大，煤的開采量及質量的要求越來越高。煤礦開采時如果遇到瓦斯氣體，不僅具有爆炸的危險性，同時威脅到開采人員的生命安全。因此對煤礦中的瓦斯應予以重視。本文在煤階對瓦斯放散初速度及堅固性系數的相關影響方面進行研究。旨在給廣大煤礦作業者一些工作上的指導意見。

關鍵詞：煤階；瓦斯放散初速度；堅固性系數

瓦斯作為一種無色無味的氣體，具有一定的可燃性。煤礦中的瓦斯含量增多很容易導致工作人員缺氧窒息。而且瓦斯含量增多，在井下極易發生爆炸，嚴重威脅作業人員的生命安全。由于瓦斯主要存在于煤層中，煤階代表了地層中煤化的成熟度，是表示煤層飽和狀態的參數。按照煤階的程度不同分為低階煤、中階煤、高階煤三類。其中低階煤分為褐煤、次煙煤；中階煤就是煙煤；高階煤則是人們常說的無煙煤。通過在煤階中對瓦斯的放散初速度和煤堅固性系數的測量，能夠有效測算瓦斯的排放，從而能夠及時采取措施，來保障工作人員的安全。

一、煤階對瓦斯散放初速影響的分析

（一）瓦斯散放初速度的簡介

根據國家行業標準，《煤的瓦斯散放初速度指標（Δp）測定方法[1]》中的規定，瓦斯散放初速度是指符合行業標準煤的粒度選取3.5克，在0.1MPa的壓力下，吸附瓦斯在真空空間釋放1060秒的時間，釋放出的瓦斯量。這個瓦斯釋放量用壓差Δp表示，單位（mmHg）。這個指標主要反映煤放散瓦斯的能力，按照《瓦斯等級鑒定辦法[2]》中的規定要求，突出煤層的瓦斯散放初速度要大于等于1333.22Pa。與此指標相關的因素有煤結構、煤堅固性系數、煤變質等等。現在試分析煤放散初速度的影響因素。

（二）相關影響因素的分析

1.煤堅固系數對瓦斯散放初速度造成的影響

煤堅固系數是反映煤堅固的程度，值越大表示煤在瓦斯和地層應力的作用下越穩定，不易放散瓦斯。煤的堅固系數能夠對瓦斯散放起到預測的作用。選取不同地點的煤礦煤樣進行瓦斯散放初速度的實驗。以氣肥煤煤樣、貧瘦煤煤樣6個、無煙煤煤樣6個同時進行實驗，并且對實驗結果進行對比。根據實驗可知，當堅固系數減小時瓦斯散放出速度相應增大。氣肥煤是富含揮發成分及膠質層的煤層，煤階值最低，在單獨煉焦時產生大量氣體和液體。貧瘦煤是非常易變質的煙煤，煤階程度介于氣肥煤和無煙煤之間，煉焦時主要生成焦粉。無煙煤是煤化程度最高的煤，即煤階最大，其硬度高密度大，無膠質層，燃燒時堅硬、光滑、火力旺。就煤的變質程度來說，貧瘦煤、氣肥煤、無煙煤中，以無煙煤的變質程度最大。煤炭含量較為純粹，其他雜質較少。氣肥煤中含氣量較多。開采時對于氣體的散放問題要格外注意。

2.煤樣空隙對瓦斯散放初速度造成的影響

煤化程度越高的煤樣，煤的質地越緊實，空隙較小；相反，煤階程度低，結構組織疏松，空隙較多。根據煤階中的干燥無灰揮發分及粘結指數的不同采集煤樣18個，依次進行實驗，測量瓦斯初散放系數的值繪制曲線，根據實驗數，據介于揮發分小于0.1的有9個，介于0.1～0.2之間的4個，介于0.2～0.37之間的4個，大于0.37的1個。由此可見，揮發分在增加時瓦斯散放初速度逐漸的降低。即煤階越高的煤樣變質的程度越高，則瓦斯散放初速度越高，煤階較低則變質程度相應較低，故煤的瓦斯散放初速度也很低。如褐煤就屬于低級未變質煤，它的瓦斯散放初速度就很低，可是氣肥煤、煙煤它們的變質程度為中級，瓦斯散放初速度就比變質程度為高級的無煙煤低。孔隙是煤的物理特性，變質程度逐步增大，孔隙率由大變小，瓦斯散放初速度逐漸增大，待瓦斯散放趨于結束，孔隙逐漸變大并趨于穩定。

二、煤階對煤堅固系數的影響

（一）煤階中的水分對堅固系數的影響

煤中存在瓦斯氣體、灰分、還有硅、鈣、鎂等氧化物、鹽類和水分。在開采煤礦的時候，水分進入煤層，增加了煤的延性，使煤的脆性減弱。由于水的作用，煤的破碎力度較沒加水時的粒徑增大。這樣煤的堅固性系數較之前的原值偏大。但是這樣就無法區分煤中的水分到底是自然還是人為因素造成的。影響原始煤層中關于水分的測定。因此，要預先測定煤階中的水分，以便為后續的開采工作提供參考。一般采用破碎法對煤階中的水分進行測定。

選取四份煤樣250克，分別為硬煤和軟煤，將4份煤樣敲碎至10～15毫米的粒度。其中硬煤和軟煤的煤樣各兩份，抽取一份硬煤煤樣和一份軟煤煤樣進行加水。四分煤樣均放在玻璃密封容器中，由于煤的的硬度不同，在敲碎時硬煤要多敲2次才能達到力度要求。通過實驗可以看出，在測定煤的堅固性系數上，水分含量的增大，硬煤和軟煤的堅固系數都相應增大。即水分每增加1%，煤樣的堅固系數就會相應增加1%～7%。由此可見，煤樣中的水含量對煤的堅固系數有直接影響。

一般地，煤階的指數越大，則煤階中的灰分、礦物質越少，其力度越小；相反地，力度越大的煤，夾雜礦物質越多，煤的均勻性也就越差，煤階則越低。如果在進行煤層撞擊時，沖擊力逐漸加大，粒度固然會越來越小。粒度越小，沖擊力的平均值就會越小，后期產生煤粉的數量就會減小，破碎到一定程度后，煤粉的含量將不再增加，撞擊將不會有效。因此，通過煤層的加水才能更好的延緩撞擊的無效率。通過實驗結果能看出，水分的增加可以使煤的堅固性系數增加。但是水分過多，則會使煤在烘干以后堅固性系數比原值低。因此要掌握煤階中水分的最適添加量。

（二）煤中的灰分、揮發分、孔隙率對堅固系數的影響

煤的灰分是指煤中的各種無機礦物。他們以孔隙、裂縫、充填的形式同煤結合在一起[3]。煤中的揮發分是可揮發的有機質，如氮、氫、甲烷、硫化氫等等，它們受熱易揮發。因此在測定揮發分的時候，將煤樣隔絕空氣進行高溫加熱，有機質分解的氣體和液體之和減去水分，即可得出揮發分。揮發分能夠反映煤階的程度，煤階的程度越高，揮發分就越低；相反的，煤階越低，則揮發分就越高。即無煙煤的揮發分低于貧瘦煤揮發分和氣肥煤的揮發分。實際開采作業中，作業工人常根據煤揮發后焦渣的不同形狀，判斷該煤的加工用途。揮發分同孔隙、灰分都是聯系緊密的。根據對揮發分的測定，可以發現，揮發分與孔隙率存在正相關，與灰分呈負相關。即揮發分越高的煤樣，其孔隙率越大，灰分越小。而揮發分越低的煤樣，孔隙率越小，灰分越大。但是有些灰分因為成分復雜，不全是無機礦物，因此有些地區的煤礦灰分與揮發分不成負相關。

三、結語

煤階中的瓦斯散放初速度和堅固系數之間的關系是非常復雜的，每一個指標都有很多相關的影響分因素。但是通過對這些因素的判斷，可以對煤階情況進行大致的分類。高階煤、中階煤和低階煤之間的判定，是通過瓦斯散放初速度和堅固系數作為主要的判定指標。因此，對這兩個指標的影響因素進行判定，有助于對煤層的煤階程度進行分析，從而使開采作業更加明確。為后期原煤的加工提供了方向。避免了無目的的開采和加工，精準判定煤層的煤階程度。

參考文獻：

[1]徐樂華，蔣承林.煤的堅固性系數和瓦斯放散初速度測定過程的影響因素分析[J].煤炭技術，2012，31（1）：9394.

[2]周詩江，董國安.煤與瓦斯突出危險性評價在新安煤礦10#2煤層的應用[J].中國科技縱橫，2015，（4）：208.

[3]王鵬，蘇現波，韓穎，等.煤體結構的定量表征及其意義[J].煤礦安全，2014，45（11）：1215.

作者簡介：楊香（1986），女，漢族，陜西西安人，本科，助工，研究方向：煤質化驗。