深部煤層瓦斯解吸規律的研究

林海峰

（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016）

煤層上覆基巖厚度或煤層埋藏深度的變化，往往是影響煤層瓦斯賦存的主要地質因素。隨著采深的增加，煤層瓦斯壓力增大，隨之而來瓦斯動力災害越來越嚴重。因此對深部煤層瓦斯賦存及解析規律的研究對煤礦瓦斯動力災害的綜合防治顯得尤為重要。

1 深部煤層吸附瓦斯能力

煤吸附瓦斯的能力，遵循朗格謬爾等溫吸附方程，在低壓力時，吸附量與壓力趨于正比例關系，當壓力升至某一程度時，吸附瓦斯達到飽和，吸附曲線形成峰值常數。煤層埋深超過700m時，為掌握煤層瓦斯賦存規律必須研究吸附瓦斯的能力，礦壓隨著埋深增加而增大。實驗室中瓦斯壓力和瓦斯吸附的擬合曲線基本反映出深部煤層的吸附瓦斯能力大小。采樣深度超過700m煤樣做吸附試驗。選用高壓容量法，首先向密封罐中的煤樣充入濃度為99.99%高壓瓦斯，使煤樣瓦斯游離轉吸附狀態，在壓力升至與瓦斯量恒定不變時，之后執行降壓解吸甲烷，即游離態甲烷為吸附瓦斯量。煤中吸附、解吸瓦斯量隨壓力變化產生互逆的物態變化，降壓而解吸、升壓則吸附。

圖1 淮南礦區13-1號煤層吸附試驗曲線

實踐證明：在煤層埋深不深時，原煤瓦斯含量和埋深存在線性關系，當埋深增加，瓦斯壓力增大一定數值時，二者形成曲線相關，瓦斯含量增長幅度逐漸變小，直至其不隨壓力升高而變化形成恒定值。圖1為采深780m淮南礦區13-1號煤層煤樣吸附試驗曲線，由圖1可知：瓦斯壓力隨埋深增大而升至5.0～7.0MPa，煤體內的游離瓦斯隨壓力上升而逐漸增大，直至瓦斯壓力升至10MPa（即此值所對應的煤層埋深）時，原煤瓦斯含量的大小取決于游離瓦斯的多少。

基于淮南礦區的13-1號煤層瓦斯實驗室測定分析，游離、吸附瓦斯量占總含量百分比分別為90%、10%。

2 煤壁瓦斯涌出強度與時間的關系

由沈陽研究院科研人員在謝橋礦13-1號煤層1115（1）上、下順槽（-636～ -769m）、顧橋礦13-1回風上山下段（-760m）、劉莊礦東二13-1首采面運輸順槽（-740m）掘進工作面對煤壁瓦斯涌出強度與時間關系進行測定，對其測定結果回歸分析表明，煤壁瓦斯涌出強度與時間呈雙曲線函數關系，其形式為：

式中：

Q1-暴露時間為1+t時的煤壁瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；

Q0-t=0時的煤壁瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；

β-煤壁瓦斯涌出強度衰減系數。

Q0、β值在不同條件下具有不同的值，其大小取決于工作面的自然條件和開采技術條件，包括開采層瓦斯含量、煤層透氣性、工作面推進速度等。

圖2 煤壁瓦斯涌出強度與時間的關系曲線

3 深部煤層殘存瓦斯含量

在埋深超過700m的煤層煤樣由采掘面采取至提升到井上，其間解析出大量瓦斯，只有少量吸附在煤體中。決定煤炭這部分剩余瓦斯含量程度各種因素有：破碎粒度、變質程度即原煤瓦斯含量等因素，不同的放散條件與不同的解吸強度，殘存瓦斯含量也會有差別。

測定方法：

（1）選擇埋深超過700m的采掘面的新鮮煤體，利用“十字篩分法”采集約4.0kg重的煤樣，暴露于空氣120min后，按選取粒度分裝于煤樣罐封閉。

（2）篩分粒度標準劃分4級粒度：1～6mm、6～13mm、13～25mm、＞25mm。

（3）統計原煤煤樣粒度情況。

（4）送至實驗室按AQ1046-2007標準開始脫氣試驗，得出破碎前后煤樣瓦斯脫氣量、揮發分、水分、灰分及質量數據，推導出殘存瓦斯含量，公式：

式中：

Xci-某一粒度煤樣殘存瓦斯含量，ml/g；

V1-粉碎前煤樣瓦斯脫氣量，ml；

V2-粉碎后煤樣瓦斯脫氣量，ml；

G-煤樣質量，g；

Mad-煤中水分含量，%；

Aad-煤中灰分含量，%。

殘存瓦斯含量則按現場實測煤質粒度的百分比按下式確定：

式中：

XC-煤樣平均殘存瓦斯含量，m3/t。

X1，X2，X3，X4-各粒度煤樣殘存瓦斯含量，m3/t；

C1，C2，C3，C4-各粒度煤樣占原煤總量的百分比，%。

由此得出以下結論：煤體粒度越小（破碎程度越好），煤樣與空氣接觸面積越大，瓦斯解吸量則越大，反之越小。基于在淮南、陽泉礦區現場數據顯示：

（1）煤樣由采掘面送達井上，其殘存瓦斯含量與暴露時間長短相關，且該值幾乎等同于單個大氣壓下的瓦斯吸附量；（2）殘存瓦斯含量取決于原煤瓦斯含量大小，一定條件下殘存瓦斯含量隨原煤瓦斯含量升高而升高，待原煤瓦斯含量升到定值時，殘存瓦斯含量維持恒定值且不會變化；（3）殘存瓦斯含量與煤體破碎程度有關。外界條件相同時，粒度越小，殘存瓦斯含量越小；（4）煤的殘存瓦斯含量與煤的變質程度有關，其量隨煤的變質程度的增高而增大。淮南礦區煤的變質程度相對略低，原煤揮發分基本屬于15%～40%區間。陽泉礦區煤的變質程度很高，原煤揮發分普遍都屬于8%～20%區間。

表1 不同變質程度煤的殘存瓦斯含量測定結果

圖3 陽泉礦區揮發分8～12%煤的殘存瓦斯含量與破碎程度的關系

圖4 淮南礦區揮發分20～30%煤的殘存瓦斯含量與破碎程度的關系

4 結論

（1）深部煤層吸附瓦斯含量較大，游離瓦斯較小。

（2）瓦斯解析強度較大，其取決于初始瓦斯涌出量，與涌出時間成反比。

（3）殘存瓦斯含量與原煤瓦斯含量有關；與煤的破碎程度有關，粒度越大，其殘存瓦斯含量越大；與煤的變質程度有關，其量隨煤的變質程度的增高而增大。

圖5 淮南礦區揮發分30～40%煤的殘存瓦斯含量與破碎程度的關系