余吾煤業(yè)3#煤層瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律研究

武晉帆，王燕杰

(1.潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 長(zhǎng)治 046204;；2.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046204)

余吾煤業(yè)3#煤層瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律研究

武晉帆1，王燕杰2

(1.潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 長(zhǎng)治 046204;；2.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046204)

通過(guò)對(duì)S1206、S5202工作面煤樣吸附解吸實(shí)驗(yàn),進(jìn)行吸附解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,進(jìn)而求解不同工作面煤樣瓦斯吸附常數(shù)值,對(duì)比分析不同煤樣吸附解吸的差別,得出余吾煤業(yè)3#煤層的瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律,這為對(duì)加快余吾煤業(yè)安全掘進(jìn)速度、高效開采提供了重要的參考意義。

工作面；實(shí)驗(yàn)研究；瓦斯解吸;吸附常數(shù)

隨著我國(guó)煤礦開采深度的增大,采煤工作面開采強(qiáng)度的提高,工作面瓦斯涌出量急劇增大,瓦斯災(zāi)害事故更易發(fā)生,已有研究工作為分析煤層瓦斯賦存規(guī)律、預(yù)測(cè)煤層瓦斯涌出量和動(dòng)態(tài)變化特征、瓦斯治理提供了依據(jù),但是缺乏針對(duì)性的措施對(duì)該區(qū)域的瓦斯進(jìn)行治理[1-3]。因此分析余吾煤業(yè)地質(zhì)構(gòu)造情況,研究工作面瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、對(duì)瓦斯進(jìn)行綜合治理是必要的,對(duì)于加快余吾煤業(yè)安全掘進(jìn)速度、高效開采具有重要的意義[4-6]。

1 礦井概況

井田開采煤層為3#煤層,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600 Mt/a,開拓水平為+400 m,采用立井單水平分,分區(qū)式開拓方式,走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法,通風(fēng)方式采用中央并列式。余吾井田構(gòu)造特征與區(qū)域構(gòu)造特征一致,逆斷層較發(fā)育,這與其所處的構(gòu)造位置有關(guān),總體構(gòu)造形態(tài)為走向北北東—南北向西緩傾的單斜,在此基礎(chǔ)上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲。本井田邊界為北起文王山南正斷層,東以常村礦和郭莊礦西邊界為界,南與古城井田相鄰,西與河神井田相鄰。由于文王山南正斷層上盤含煤地層直接與下盤奧灰接觸,有溝通奧灰?guī)r溶裂隙水的可能并會(huì)威脅煤層開采。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 樣品采集與制備

實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自余吾煤業(yè)3#煤層S1206、S5202工作面,現(xiàn)場(chǎng)采取兩個(gè)工作面的煤樣,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)堅(jiān)固性系數(shù),記錄采樣地點(diǎn),再采取煤樣軟硬煤各20 kg～30 kg,采完封存,帶回實(shí)驗(yàn)室,一個(gè)煤礦選取采樣的地點(diǎn)2到3個(gè),分別采樣。實(shí)驗(yàn)煤樣的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的基本物理力學(xué)參數(shù)

因?qū)嶒?yàn)需要制備大量的實(shí)驗(yàn)用煤樣,制備的煤樣進(jìn)行妥善封存,以便為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供可靠的實(shí)驗(yàn)用煤。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)的瓦斯吸附解吸系統(tǒng)是由實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)配備的恒溫吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置,主要由溫度控制系統(tǒng)、吸附解吸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、解吸擴(kuò)散集氣系統(tǒng)、供氣及氣體控制系統(tǒng)及其它輔助裝置組成,包括氮?dú)飧邏簹夤?、氦氣高壓氣罐、甲烷高壓氣罐、?dú)立的兩套吸附解吸專用的參考罐與樣品罐、真空泵、恒溫箱、集齊系統(tǒng)、壓力變送器以及中控機(jī),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of adsorptiondesorption experiment system

3 3#煤瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律分析

根據(jù)不同煤樣,不同平衡壓力下,所對(duì)應(yīng)的吸附瓦斯量,根據(jù)Langmuir提出的方程。

(1)

(2)

式中:P為吸附平衡壓力,MPa;Q為吸附平衡壓力下的吸附量,mL/g;a、b為L(zhǎng)angmuir吸附常數(shù);a為極限吸附量;b為吸附常數(shù),MPa-1。

對(duì)不同平衡壓力下,S5202煤樣及不同平衡壓力下,S1206煤樣的吸附氣體總量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。根據(jù)不同平衡壓力下,煤樣吸附氣體總量的統(tǒng)計(jì),進(jìn)行煤樣吸附常數(shù)a、b值的計(jì)算公式擬合見(jiàn)圖2。根據(jù)煤吸附常數(shù)a、b值的擬合公式,進(jìn)行煤吸附常數(shù)a、b值的計(jì)算。根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果,通過(guò)兩個(gè)工作面煤的吸附常數(shù)a的對(duì)比和吸附常數(shù)b的對(duì)比,反映出煤樣在相同的溫度條件下,S1206煤的吸附瓦斯能力與S5202煤吸附瓦斯的能力的差異,S1206煤瓦斯解吸的速度與S5202煤吸附瓦斯的速度的差別。

表2 不同平衡壓力下瓦斯吸附量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistic of gas adsorption under different equilibrium pressure

圖2 不同工作面煤吸附常數(shù)曲線擬合圖Fig.2 Fitting curves of coal adsorption constantsat different working face

煤樣擬合公式a/(mL·g-1)b/MPaS1206y=0.043x+0.013529.8030.915S5202y=0.0476x+0.010230.1310.893

在余吾煤礦采取的煤樣進(jìn)行工業(yè)分析,測(cè)定堅(jiān)固性系數(shù)f,進(jìn)行軟硬煤30 ℃恒溫條件下不同壓力的吸附解吸實(shí)驗(yàn),通過(guò)壓力變化計(jì)算出不同壓力下,不同煤質(zhì)的瓦斯吸附量,通過(guò)數(shù)值擬合處理,計(jì)算得出軟硬煤分別對(duì)應(yīng)的a、b值,通過(guò)對(duì)比得出,兩個(gè)工作面煤的吸附常數(shù)a的對(duì)比,和吸附常數(shù)b的對(duì)比,反映出煤樣在相同的溫度條件下,S5202煤樣吸附常數(shù)a小于S1206煤樣,反應(yīng)出S5202煤樣比S1206煤樣吸附能力弱。S5202煤樣吸附常數(shù)b大于S1206煤樣。這說(shuō)明S1206煤樣的吸附能力比較強(qiáng),抽采效果可能不會(huì)太滿意,需要在此基礎(chǔ)上增加S1206工作面預(yù)抽效果的話,要做一些增加煤層透氣性的措施。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)工作面S1206和S5202的瓦斯壓力和瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定,得出S1206工作面的瓦斯壓力在0.55 MPa～0.63 MPa,瓦斯含量為8.924 3 m3/t～9.758 9 m3/t,S5202工作面瓦斯含量為9.356 4 m3/t～9.803 6 m3/t。瓦斯壓力偏大,接近于臨界值;瓦斯含量較大,超過(guò)臨界值。

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)工作面的煤樣進(jìn)行吸附解吸實(shí)驗(yàn),得出了兩個(gè)工作面的瓦斯解吸特征:S5202煤樣和S1206煤樣吸附常數(shù)a值較大(均大于20 mL/g),吸附能力較強(qiáng),吸附量較大。

3)通過(guò)以上基本參數(shù)的測(cè)定,S1206工作面煤層瓦斯含量高、壓力大、煤質(zhì)較軟、吸附能力強(qiáng)、透氣性大,屬于難抽采煤層,條件較為復(fù)雜。

[1] 聶百勝,楊濤,李祥春,等.煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(6):975-980.

NIE Baisheng,YANG Tao,LI Xiangchun,etal.Research on Diffusion of Methane in Coal Particles[J].Journal of China University of Mining and Technology，2013(6):975-980.

[2] 王子雷.超能相變材料在避難硐室降溫中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013(S2):192-193.

WANG Zilei.Application on Super Phase Change Materialin Refuge Chamber Cooling[J].Coal Science and Technology，2013(S2):192-193.

[3] 藺亞兵,馬東民,劉鈺輝,等.溫度對(duì)煤吸附甲烷的影響實(shí)驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2012(6):24-28.

LIN Yabing，MA Dongmin，LIU Yuhui,etal.Experiment of the Influence of Temperature on Coalbed Methane Adsorption[J].Coal Geology and Exploration，2012(6):24-28.

[4] 宋志敏.變形煤物理模擬與吸附——解吸規(guī)律研究[D].焦作:河南理工大學(xué)，2012.

[5] 劉紀(jì)坤.煤體瓦斯吸附解吸過(guò)程熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 趙東.水——熱耦合作用下煤體瓦斯的吸附解吸機(jī)理研究[D].太原:太原理工大學(xué)，2012.

MethaneDesorptionandDiffusionLawofNo.3CoalSeaminYuwuMine

WUJinfan1，WANGYanjie2

(1.Lu’anVocationalandTechnicalCollege，Changzhi046204，China;2.ShanxiLu’anGroup，Changzhi046204，China)

Adsorption and desorption experiment data of the coal samples are processed to find out the adsorption constants a and b of S1206 and S5202 working face.The comparison of adsorption and desorption deduces the methane desorption and diffusion law of No.3 coal seam in Yuwu Mine，which could be referential for the safe，rapid，and efficient mining

experimental study; methane desorption; adsorption constant; comparative analysis

1672-5050(2017)01-0038-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.011

2016-06-19

武晉帆(1986-)，女，山西汾陽(yáng)人，碩士，助理講師，從事煤礦安全生產(chǎn)教學(xué)與實(shí)踐研究工作。

TD76

A

(編輯:薄小玲)