鉆屑解吸指標(biāo)(Δh2)與吸附平衡壓力的關(guān)系研究

郝聰聰

(晉煤集團(tuán) 鳳凰山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048007)

煤與瓦斯突出是一種嚴(yán)重的煤礦災(zāi)害，會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出越發(fā)嚴(yán)重，瓦斯壓力是影響煤與瓦斯突出的一個(gè)重要因素，而煤的瓦斯壓力與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)有關(guān)，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)值越高，突出危險(xiǎn)性越大，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)值越低，突出危險(xiǎn)性越小[1]。

劉志偉[2]采用不同含水率的煤樣對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)與含水率滿足對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系；卓永晨等[3]對(duì)平煤一礦的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)與瓦斯含量的關(guān)系進(jìn)行了定量研究，結(jié)果表明鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)隨著瓦斯含量的增加而增加，與瓦斯含量滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系；楊德方[4]對(duì)三軟煤層的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)三軟煤層的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)存在偏高現(xiàn)象，總結(jié)出該現(xiàn)象是由煤層本身的性質(zhì)決定的；李炎濤[5]、陳波仁[6]等建立了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與瓦斯含量的關(guān)系，通過鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)反演瓦斯含量。以上研究對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)與瓦斯壓力之間的關(guān)系研究較少，本文采用解吸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)軟硬煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)進(jìn)行測試，并定量得出鉆屑解吸指標(biāo)(Δh2)與瓦斯壓力的關(guān)系，為防治煤與瓦斯突出提供理論指導(dǎo)。

1 煤樣的制作及基本參數(shù)測試

實(shí)驗(yàn)煤樣取自晉煤集團(tuán)鳳凰山煤業(yè)有限公司，在井下按照GB/T482-2008《煤層煤樣采取方法》分別采集了軟硬煤，密封保存后送至實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)GB 474-2008《煤樣的制備方法》制備粒徑為0.17～0.28 mm的軟硬煤煤樣，制備完成以后將實(shí)驗(yàn)煤樣放進(jìn)溫度為105℃馬弗爐中烘干干燥，每0.5 h稱重一次，直至煤樣的質(zhì)量不發(fā)生改變，視為干燥完成，最后將干燥煤樣放入干燥器中密封保存，以便測試及備用。

試驗(yàn)煤樣的基本參數(shù)測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB212-200，GB/T23561.12-2010，GB/T217-2008) 進(jìn)行測試，其中包括灰分(Aad)，水分(Mad)、揮發(fā)分(Vad)、真密度(TRD)，視密度(ARD)，普氏系數(shù)(f)及孔隙率(φ)，測試結(jié)果如表1所示。

表1 基本參數(shù)測試結(jié)果

煤對(duì)瓦斯的吸附常數(shù)按照MT/T 752-1997《煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法)》進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖1所示，采用Langmuir公式對(duì)圖1進(jìn)行擬合，即可得出煤對(duì)瓦斯的吸附常數(shù)，其a=38.205 7 mL/g，b=1.110 79 MPa-1。

圖1 煤的吸附常數(shù)測試結(jié)果

2 軟硬煤的瓦斯解吸規(guī)律研究

軟硬煤的瓦斯解吸規(guī)律測試采用解吸實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測試，試驗(yàn)流程如下：

1) 將一定質(zhì)量(80 g)粒徑為0.17～0.28 mm的煤樣裝入煤樣罐，擰緊煤樣罐裝入試驗(yàn)系統(tǒng)；

2) 采用氦氣進(jìn)行充氣檢驗(yàn)氣密性，每組試驗(yàn)的檢驗(yàn)壓力大于其吸附平衡壓力1 MPa；

3) 將氦氣釋放，對(duì)煤樣罐進(jìn)行抽真空，真空度達(dá)到30 Pa以下；

4) 采用甲烷瓶對(duì)煤樣罐進(jìn)行充氣，經(jīng)過數(shù)小時(shí)后，煤樣達(dá)到吸附平衡；

5) 打開解吸閥門，釋放出游離氣體，當(dāng)煤樣罐的壓力降為0后，開始記錄不同時(shí)刻的瓦斯解吸量，并繪制散點(diǎn)曲線，如圖2所示。

由圖2可知，煤的瓦斯解吸量隨著解吸時(shí)間的增加而增加；吸附平衡壓力越大，解吸量越大；同一吸附平衡壓力下，軟煤的瓦斯解吸量大于硬煤的瓦斯解吸量；煤的瓦斯解吸量與解吸時(shí)間可采用指數(shù)函數(shù)擬合，擬合公式如式(2)所示，擬合參數(shù)如表2所示，擬合度較高。

圖2 軟硬煤的瓦斯解吸規(guī)律

(2)

式中：Q為解吸量，mL/g；c和d為擬合參數(shù)。

表2 解吸量與時(shí)間擬合參數(shù)

3 鉆屑解吸指標(biāo)(Δh2)與吸附平衡壓力的關(guān)系

鉆屑解吸指標(biāo)(Δh2)的定義是一定質(zhì)量的煤在一定時(shí)間的瓦斯解吸量，鉆屑解吸指標(biāo)(Δh2)采用式(3)計(jì)算[7]:

Δh2=(Q5-Q3)×100/s

(3)

式中：Δh2為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，Pa；Q5和Q3表示第5分鐘和第3分鐘的解吸量，mL/g；S為解吸儀的橫截面積，12.56 cm2；1 cm水柱=100 Pa。

根據(jù)圖2中第5分鐘和第3分鐘單位質(zhì)量煤的瓦斯解吸量及煤樣質(zhì)量，即可計(jì)算出軟硬煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)，如圖3所示。由圖3可知，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)隨著吸附平衡壓力的增加而增加，軟煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)大于硬煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)；

圖3 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)曲線

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)與吸附平衡壓力滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其采用式(3)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表3所示。

Δh2=f×ep/g+i

(3)

式中：f，g和i為擬合參數(shù)；p為吸附平衡壓力，MPa。

表3 解吸量與吸附平衡壓力擬合參數(shù)

4 結(jié) 語

1) 吸附平衡壓力越大，解吸量越大；同一吸附平衡壓力下，軟煤的瓦斯解吸量大于硬煤的瓦斯解吸量。

2) 軟煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)大于硬煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)。

3) 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)隨著吸附平衡壓力的增加而增加，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)與吸附平衡壓力滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。