不同因素對煤瓦斯放散特性的影響程度分析

高 政，常 舉，姜 蒙，周越洋，劉盛鎧，馬一卓，魏宗勇

(西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦井下采煤過程中發生的一種煤與瓦斯的突然運動。煤與瓦斯突出是威脅煤礦安全的重要災害之一[1]。近年來隨著我國礦井開采深度的加大，我國成為煤與瓦斯突出事故多發國家。因此做好煤與瓦斯突出礦井的鑒定工作，對規范礦井生產，保證生產安全有著十分重要的意義。煤的瓦斯放散初速度是判定煤與瓦斯突出危險重要參數之一[2]。煤的瓦斯放散能力與煤的變質程度[3]、粒徑[4]、溫度[5]、含水率[6]等參數相關。能夠探索出煤的瓦斯放散初速度與各因素之間的聯系，對于不同變質煤層突出鑒定、危險性評價和瓦斯防治具有重大的指導意義[7-8]。因此，試驗選用的煤樣變質程度、含水率以及粒徑均不同，以利用不同因素之間的對比進行瓦斯放散初速度測試。

1 試驗儀器及原理

選用的儀器有WT-1型瓦斯放散初速度測定儀、電子秤、針管注射器。試驗所使用的WT-1瓦斯放散初速度測定儀為中煤科工集團沈陽研究院所研發，如圖1所示。該測定儀整機電路主要由單片微機系統、打印機、數據采集電路、傳感器、顯示電路、鍵盤及電源等部分組成，只需根據計算機界面指示進行操作即可完成整個試驗測試過程，大大降低了人為因素在試驗中帶來的誤差，測試后的結果根據設定進行自動存儲，并以曲線報表的形式打印輸出，結果直觀。煤的瓦斯放散初速度的測定試驗是由煤在一個大氣壓下吸附45～60 s的瓦斯放散初速度結果與0～10 s的瓦斯放散初速度結果的差值所表示。

1-真空泵；2-甲烷氣體；3-電磁閥；4-煤樣罐；5-傳感器；6-計算器圖1 WT-1瓦斯放散初速度測定儀Fig.1 WT-1 gas emission initial velocity measuring instrument

2 試驗步驟

2.1 變質程度影響試驗

煤的變質程度對瓦斯放散初速度影響的試驗所選用的4種煤樣分別為百良(R0=0.4%)、堿溝(R0=0.53%)、硫磺溝(R0=0.66%)、小甘溝(R0=1.13%)，R0為鏡質組反射率。

采用落錘法對煤樣進行粉碎，選取粒徑為0.2～0.25 mm的煤樣，將4種煤樣分別用電子秤稱取3.5 g裝入試樣瓶中，再將脫脂棉塞入試樣瓶，將試樣瓶上部填滿，將試樣瓶裝回儀器，對試樣進行編號、命名，啟動儀器。儀器運行3 h(脫氣1.5 h、充氣1.5 h)后得到瓦斯放散初速度的數據圖。重復上述步驟再次進行試驗。

2.2 粒徑影響試驗

煤的不同粒徑對瓦斯放散初速度影響的試驗選用的煤樣為變質程度較高的煤樣(小甘溝R0=1.13%)，對煤樣進行制樣。制樣的粒徑分別為20～30目、30～40目、40～50目、50～60目、60～80目，共計5個煤樣。采用落錘法對煤樣進行不同程度的粉碎，選取粒徑為20～30目、30～40目、40～50目、50～60目、60～80目的煤樣，將5種煤樣分別稱取3.5 g裝入試樣瓶中，再將脫脂棉塞入試樣瓶，將試樣瓶裝回儀器，對試樣進行編號、命名，啟動儀器。儀器運行3 h(脫氣1.5 h、充氣1.5 h)后得到瓦斯放散初速度的數據圖。重復上述步驟再次進行試驗。

2.3 含水率影響試驗

含水率對瓦斯放散初速度影響的試驗所選用的煤樣為小甘溝(R0=1.13%)。對煤樣進行制樣。含水率設為0%、10%、20%、30%、40%共計5個煤樣。選取粒徑為0.20～0.25 mm的煤樣，將煤樣分別在電子秤稱取3.5 g、3.15 g、2.8 g、2.45 g、2.1 g，再用針管注射器注入水，使試樣瓶中含水煤樣總重3.5 g，再將脫脂棉塞入試樣瓶，將試樣瓶上部填滿，將試樣瓶裝回儀器，攪拌煤樣與水，并靜置2 h，使煤樣充分吸收水分，將試樣瓶裝回儀器，對試樣進行編號、命名，啟動儀器。儀器運行3 h(脫氣1.5 h、充氣1.5 h)后得到瓦斯放散初速度的數據圖。重復上述步驟再次進行試驗。

2.4 多因素正交試驗

考慮到3個因素的共同作用，因此在該組試驗中煤樣的變質程度選擇3種，即大柳塔(R0=0.47%)、建新(R0=0.57%)、小甘溝(R0=1.13%)；含水率選擇3種：0%、15%、30%(表面處理干凈)；粒徑選擇3種，即20～30目(0.6～0.9 mm)、40～50目(0.355～0.45 mm)、60～80目(0.2～0.28 mm)。若采用兩兩都見面的方法，則試驗總數目共計27個。因試驗數目略多、耗時較長，故選擇正交試驗法。正交試驗法是一種利用多因素多水平的設計方法，根據正交性從整體試驗中對部分具有代表性的點進行挑選后比較試驗，這些點具有整齊、均勻等顯著特點。

為研究煤變質程度、含水率和粒徑率3個因素對煤的瓦斯放散性能的影響規律，在正交設計中以變質程度、含水率和粒徑作為3個因素，每個因素分別設置了3個水平進行正交試驗，見表1。各因素不同水平的組合采用L9(33)正交表，共設計9組試驗，見表2。每組試驗需要2個試樣進行試驗，以減小誤差，共計18個試樣進行試驗，每組試驗的數據取2個試樣的平均值。

表1 因素水平

表2 瓦斯放散性能正交設計方案

3 試驗結果分析

3.1 變質程度影響試驗結果分析

在煤的變質過程中，煤的化學組成、工藝特性和物理特征等均呈一定規律變化[9]，主要煤化作用參數有鏡質組反射率(R)、碳含量(C)、揮發分(V)、水分(M)等，其中煤的鏡質組反射率是表征煤化度的重要指標，不受煤的巖相組成變化的影響，鏡質反射率標準見表3。可以發現，鏡質反射率(R)越大，煤變質程度越高。

表3 鏡質反射率標準

煤的變質程度對瓦斯放散初速度影響試驗的結果見表4。煤的變質程度與瓦斯放散初速度關系如圖2所示。

表4 變質程度影響試驗結果

圖2 煤的變質程度與瓦斯放散初速度關系Fig.2 The relationship between the degree of coal metamorphism and gas emission initial velocity

Δp=6.379 5ln(R0)+30.979

(1)

可以看出，煤的變質程度的越大，則煤的瓦斯放散初速度越大。

3.2 粒徑影響試驗結果分析

處于WT-1瓦斯放散初速度測定儀中不同粒徑的瓦斯氣體由吸附狀態變為游離態時，此時，煤的粒徑越大，煤內部微孔表面至煤表面距離越大，甲烷擴散時所經過的路程也就越遠，甲烷分子到達煤表面的時間越長，瓦斯放散初速度Δp越小[1012]。粒徑對瓦斯放散初速度影響結果見表5。

表5 小甘溝煤的粒徑影響試驗結果

Δp=24.92φ-0.2

(2)

可以看出，煤的粒徑φ的越大，瓦斯放散初速度Δp越小。

圖3 小甘溝煤的粒徑與瓦斯放散初速度關系Fig.3 Relationship between particle size of Xiaogangou coal and gas emission initial velocity

3.3 含水率影響試驗結果分析

煤層中含有水分時，水分子對瓦斯分子具有吸附作用，瓦斯分子解析與煤層含水率有著根本性的影響[12]，含水率的變化將影響單項指標在瓦斯放散初速度Δp的變化關系。小甘溝煤的含水率對瓦斯放散初速度影響試驗結果見表6。小甘溝煤的含水率與瓦斯放散初速度關系如圖4所示。

表6 小甘溝煤的含水率影響試驗結果

Δp=-0.357 1x2-32.807x+32.13

(3)

圖4 小甘溝煤的含水率與瓦斯放散初速度關系Fig.4 Relationship between water content of Xiaogangou coal and gas emission initial velocity

即可得出試驗結果:煤的含水率小于二次函數圖像的對稱軸時，煤的含水率越高，煤層瓦斯放散初速度就越小，煤層發生瓦斯突出危險性越低；當小甘溝煤含水率值為40%時，該煤層瓦斯放散初速度Δp最小，發生瓦斯突出危險性最低；當煤的含水率大于二次函數圖像的對稱軸時，煤的含水率越高，煤層瓦斯放散初速度Δp就越大，煤層發生瓦斯突出危險性越高。

3.4 正交試驗結果分析

從表7中的數據，可以看出第4組瓦斯放散初速度最大，2次平均試驗值為4 152.99，試驗組合為0.57%、0%含水率、40～50目；第9組瓦斯放散初速度最小，2次平均試驗值為1 686.53，試驗組合為1.13%、30%含水率、40～50目。

表7 正交試驗結果

由表8計算結果可得，含水率對煤樣瓦斯放散初速度的影響程度最大，煤的變質程度次之，粒徑的影響程度最小。

表8 正交試驗結果

在不考慮各個因素間交互作用的條件影響下，畫出因素水平如圖5所示。

圖5 直觀分析圖Fig.5 Intuitive analysis diagram

由圖5可以得出，瓦斯放散初速度最大時的方案為A3B3C1。

(4)

式中，SSi為離差平方和；Iij為i因素j水平條件下的Δp值；r為正交試驗水平數；試驗取r=3；Ik為試驗編號為k的試驗的Δp平均值，k=1，2，3，…，9；m為各因素水平數，取m=3；n為總試驗次數，n=9。

在不同的變質程度A、含水率B、以及粒徑C的3個因素下，進行三因素三水平的正交試驗，分別得出3種不同因素的煤樣瓦斯放散初速率F值為FA=11.397，FB=4.268，FC=1.391。

(5)

式中，SST為組間誤差和組內誤差的總和。

SST=SSA+SSB+SSC+SSE

(6)

式中，SSA,SSB,SSC為組間誤差;SSE為組內誤差。

F=SSi/SSE

(7)

式中，F檢驗值為組間誤差與組內誤差的比值。

取顯著性水平α=0.1進行方差分析，試驗結果方差分析見表9。

再對3個因素進行正交試驗，由表9可得，煤變質程度的瓦斯放散初速率為FA=21.215，含水率的瓦斯放散初速率為FB=24.912，大于F所選的臨界值F0.1(2，2)=9.000，粒徑的瓦斯放散初速率為FC=2.579，粒徑的F值小于所選的臨界值F0.1(2，2)=9.000，從而說明煤變質程度和含水率對瓦斯放散初速率的影響較為顯著，粒徑對瓦斯放散初速率的影響程度較低。因此可以得出以下結論：3個因素對煤層瓦斯放散初速度Δp的影響程度從大到小依次為含水率、變質程度、粒徑。

表9 試驗結果方差分析

4 結論

(1)煤的變質程度的越高，則瓦斯放散初速度Δp越大，反之則越?。幻旱牧溅赵叫。咚狗派⒊跛俣圈越大，反之則越??；煤的含水率大于二次函數圖像的對稱軸時，煤的含水率越高，煤層瓦斯放散初速度Δp就越大，反之則越小。

(2)3個因素對煤層瓦斯放散初速度Δp的影響程度從大到小依次為含水率、變質程度、粒徑。