K1值與瓦斯壓力的響應特性研究

韋 博

(晉煤集團晉圣公司 億欣煤業，山西 晉城 048006)

煤與瓦斯突出是一種復雜的煤巖動力現象，其會造成重大的經濟損失。煤層瓦斯是煤與瓦斯突出的一個重要因素[1-3]，而鉆屑瓦斯解吸指標(K1值)是工作面突出危險性預測的一個重要參數，許多學者對其進行了研究，《防治煤與瓦斯突出規定》對預測指標的臨界值進行了規定。李躍華等[4]對干燥煤樣和濕潤煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(K1)進行了研究，結果表明：干燥煤樣的K1值大于濕潤煤樣的K1值；孫銳[5]對不同含水率煤樣的K1值進行了研究，發現K1值隨著含水率的增大逐漸減小，且含水率與K1值滿足負指數函數的關系；王栓林等[6]對布孔間距和抽采時間對K1值的影響進行了研究，結果表明抽采時間對K1值的影響程度小于布孔間距。

隨著開采深度的增加，煤層瓦斯壓力逐漸增加，煤與瓦斯突出的危險性愈發嚴重，因此探析K1值與瓦斯壓力的響應特性對預測煤與瓦斯突出至關重要。基于此，本文對不同瓦斯壓力下的顆粒煤瓦斯解吸規律進行測試，研究K1值與瓦斯壓力的響應特性，為預測煤與瓦斯突出提供理論依據。

1 實驗煤樣的制備

實驗煤樣取自山西某礦，按照GB/T482-2008《煤層煤樣采取方法》采集了實驗煤樣，實驗煤樣采用保鮮膜進行密封，防止水分進入煤體，然后送至實驗室。根據GB 474-2008《煤樣的制備方法》制備粒徑為1～3 mm及60～80 目的實驗煤樣，其中粒徑為1～3 mm實驗煤樣用于K1值的測試，60～80 目實驗煤樣用于吸附常數及工業分析。實驗煤樣制作完成以后，對實驗煤樣進行干燥，排除水分對瓦斯解吸規律的影響。

實驗煤樣的基礎參數測試參照國家標準(MT/T752-1997，GB212-200，GB/T23561.12-2010，GB/T217-2008)，基礎參數包括吸附常數(a/b值)、水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發分(Vad)、視密度(ARD)、真密度(TRD)、堅固性系數(f)及孔隙率(φ)，測試結果如表1所示。

表1 煤樣基本參數測試結果

2 實驗步驟及K1值的計算原理

2.1 實驗步驟

1) 將一定質量(m)干燥后的實驗煤樣裝入實驗裝置的煤樣罐中，裝入完畢后，連接好煤樣罐管路。

2) 向煤樣罐中充入一定壓力的氦氣，對煤樣罐的氣密性進行檢驗，保證試驗不漏氣。采用氦氣進行檢漏的原因是，氦氣為非吸附性氣體，煤樣對氦氣不產生吸附作用。

3) 采用高負壓真空泵對煤樣罐進行抽真空，當真空計示數小于20 Pa時，視為抽真空結束。

4) 將濃度為99.99%的甲烷充入煤樣罐中，不斷進行補氣，當壓力達到預定的吸附平衡壓力且穩定4 h，視為吸附平衡。

5) 吸附平衡后，使煤樣罐在常壓下解吸，并記錄解吸時間和解吸量。

6) 解吸完成后，重復步驟(3)～(5)進行其它吸附平衡壓力點的測試。

2.2 K1值的計算原理

K1值是基于巴雷爾式進行計算，巴雷爾式[7]如式(1)所示，K1值的意義是瓦斯解吸曲線的斜率。因此，采用式(1)對解吸量與時間的關系曲線進行擬合，即可獲得K1值。

(1)

式中：Q為累計瓦斯解吸量，mL/g；K1為1 min內的瓦斯解吸量，mL/(g·min0.5)；t為解吸時間，min。

3 K1值與瓦斯壓力的響應特性研究

按照上述實驗步驟，測試顆粒煤在瓦斯壓力為0.35 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa及1.5 MPa時的瓦斯解吸量，測試結果如圖1所示。

圖1 不同吸附平衡壓力下瓦斯解吸量隨時間的變化規律

由圖1可知，同一吸附平衡壓力下，解吸量隨著時間的增加而增加，但增加的梯度逐漸減小；吸附平衡壓力越大，解吸量越大。采用式(1)對解吸量與時間的關系曲線進行擬合，擬合曲線如圖1所示，K1值如表2所示。K1值與吸附平衡壓力的關系曲線如圖2所示。

表2 不同吸附平衡壓力下的K1值

圖2 K1值與吸附平衡壓力的關系曲線

由圖2可知，K1值隨著吸附平衡壓力的增加而增加，但增加的梯度逐漸減小，K1值與吸附平衡壓力滿足負指數的函數關系。由此說明，瓦斯壓力越大，鉆屑瓦斯解吸指標(K1值)越大，突出危險性越大。

4 結 語

1) K1值可通過巴雷爾式對瓦斯解吸量和解吸時間的數據獲得。

2) 同一吸附平衡壓力下，解吸量隨著時間的增加而增加，但增加的梯度逐漸減小；吸附平衡壓力越大，解吸量越大。

3) K1值隨著吸附平衡壓力的增加而增加，但增加的梯度逐漸減小，K1值與吸附平衡壓力滿足負指數的函數關系。

4) 瓦斯壓力越大，鉆屑瓦斯解吸指標(K1值)越大，突出危險性越大。