黔西礦區(qū)軟硬分層煤溫度?壓力耦合影響瓦斯解吸試驗(yàn)

摘要：煤層瓦斯解吸特性對礦井瓦斯涌出規(guī)律和煤層氣開發(fā)有重要影響，煤層溫度和壓力變化對軟硬分層煤瓦斯解吸有明顯控制作用。貴州黔西礦區(qū)煤層大多屬于高瓦斯近距離突出煤層群，軟硬結(jié)合較多，且煤層透氣性低。為進(jìn)一步明確該地區(qū)煤層瓦斯解吸特性，以貴州黔西典型礦區(qū)小屯煤礦和青龍煤礦軟硬分層煤為研究對象，利用HCA 型高壓容量法吸附裝置對軟硬分層煤進(jìn)行不同溫度、壓力下的瓦斯解吸特征試驗(yàn)研究，對比分析溫度、壓力耦合變化對軟硬分層煤瓦斯解吸特征的影響。結(jié)果表明：同一煤樣溫度、壓力越高，瓦斯解吸初速度越大，對于0～120 s 內(nèi)的初始瓦斯解吸，瓦斯壓力不占主導(dǎo)作用；軟分層煤初始瓦斯解吸速率大于硬分層煤，硬分層煤累計(jì)瓦斯解吸量大于軟分層煤，硬分層煤累計(jì)瓦斯解吸量最快在540 s 內(nèi)超過軟分層煤；煤體暴露后60 s 內(nèi)含煤瓦斯解吸量變化最劇烈，且軟分層煤前60 s 解吸量所占比例大于硬分層煤，解吸更“活躍”；瓦斯解吸速率隨壓力的增加而升高，解吸速率可劃分為3 個階段，即0～60 s 為“解吸爆炸期”，60～1 500 s 為“解吸跳躍期”，1 500～7 200 s 為“解吸穩(wěn)定期”；軟分層煤中值解吸時(shí)間受溫度、壓力影響大于硬分層煤，軟分層煤瓦斯解吸主要集中在煤炭暴露后1 800 s 內(nèi)。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造煤；軟硬分層；瓦斯解吸速率；瓦斯解吸量；溫度?壓力耦合影響

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

貴州煤炭資源豐富，煤層賦存條件復(fù)雜，煤礦瓦斯災(zāi)害較嚴(yán)重，煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生。大量煤與瓦斯突出事故實(shí)例和研究表明，煤與瓦斯突出的發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造有密切聯(lián)系[1-3]。前人對軟硬分層煤與瓦斯突出機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為軟硬分層非同步變形導(dǎo)致煤層失穩(wěn)誘發(fā)突出，提出了軟硬分層煤與瓦斯突出支撐體模型，揭示了軟硬分層非同步變形誘導(dǎo)煤與瓦斯突出機(jī)理[4]；也有學(xué)者從煤體孔隙結(jié)構(gòu)、煤體吸附?解吸規(guī)律、瓦斯賦存條件等方面對煤與瓦斯突出進(jìn)行研究，認(rèn)為煤是一種非均質(zhì)多孔介質(zhì)，其豐富的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)既是瓦斯氣體吸附儲存的主要場所，更是氣體擴(kuò)散、滲流的主要通道，煤體內(nèi)部吸附態(tài)瓦斯在構(gòu)造擠壓或受外力擾動時(shí)解吸，導(dǎo)致瓦斯壓力上升，為煤與瓦斯突出事故發(fā)生提供了能量前提[5-9]?貴州地區(qū)經(jīng)歷燕山等多期次構(gòu)造運(yùn)動，多期次構(gòu)造疊加使得煤儲層構(gòu)造變形強(qiáng)烈、構(gòu)造復(fù)雜，不同礦區(qū)?煤階?煤層，甚至同一礦井同一煤層不同工作面宏觀和微觀結(jié)構(gòu)都會存在差異，且在溫度、壓力、水分、粒度等因素互相作用下，煤體瓦斯解吸能力也截然不同[10-16]?貴州黔西礦區(qū)煤層賦存具有層數(shù)多、厚度薄、間距小的特點(diǎn)，大多屬于高瓦斯近距離突出煤層群，煤層常出現(xiàn)合并、分岔現(xiàn)象，軟硬結(jié)合較多，煤層變質(zhì)程度不一，且煤層透氣性低[17-18]。在黔西貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦、貴州黔西能源開發(fā)有限公司青龍煤礦采掘過程中，軟硬分層構(gòu)造煤吸附瓦斯涌出量大、瓦斯涌出規(guī)律復(fù)雜，煤層軟硬分層吸附瓦斯性能的差異不僅對煤層原始瓦斯賦存特征有顯著影響，還將影響煤巷掘進(jìn)和瓦斯抽采過程中煤體內(nèi)瓦斯流場的分布，溫度、壓力變化會對軟硬分層煤體孔隙演化、瓦斯賦存及流場產(chǎn)生影響，最終影響工作面瓦斯涌出。

針對小屯煤礦與青龍煤礦的軟硬分層煤樣，在不同溫度與壓力條件下進(jìn)行瓦斯解吸試驗(yàn)研究，對比溫度、壓力耦合作用下軟分層、硬分層煤體解吸特征，研究軟硬分層煤解吸特性影響因素及影響規(guī)律，揭示軟硬分層煤瓦斯解吸特性規(guī)律，以期為黔西礦區(qū)典型礦井瓦斯災(zāi)害防治及煤層氣開采利用提供支撐。

1 試驗(yàn)方法與過程

1.1 樣品采集與制備

試驗(yàn)樣品分別取自小屯煤礦6 號煤層工作面100 m 處軟分層和硬分層、青龍煤礦16 號煤層遇斷層軟分層和硬分層。根據(jù)GB/T 212－2008《煤的工業(yè)分析方法》制備煤樣，煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

試驗(yàn)選用HCA 型高壓容量法吸附裝置。將煤樣粉碎并稱量50 g 裝入干燥器皿。試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)節(jié)恒溫水域溫度至（25±1）℃，向充氣罐中充入一定量濃度為99.99% 的高純瓦斯，關(guān)閉瓦斯罐閥門，煤樣罐與充氣罐和瓦斯壓力數(shù)據(jù)采集儀相連，打開煤樣罐閥門，向煤樣罐中充入設(shè)定壓力的瓦斯氣體，關(guān)閉煤樣罐閥門，并放入恒溫水域中，讓煤樣在設(shè)定溫度下充分吸附瓦斯。通過瓦斯壓力數(shù)據(jù)采集儀觀察罐內(nèi)瓦斯壓力，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)立即向煤樣罐中通氣，多次向煤樣罐補(bǔ)氣，直到煤樣吸附到設(shè)定的瓦斯壓力。試驗(yàn)前60 s，每10 s 讀取并記錄1 次數(shù)據(jù)；60～1 800 s，每60 s 讀取并記錄1 次數(shù)據(jù)； 1 800～3 600 s，每300 s 讀取并記錄1 次數(shù)據(jù)；3 600～7 200 s，每600 s 讀取并記錄1 次數(shù)據(jù)。