煤层吸附解吸规律及局部突出预测敏感指标研究

蒋雨辰，何涛，郭海军

(中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)

[摘要]以大宁煤矿3号煤层为背景，研究了3号煤层软、硬煤的吸附解吸规律，同时对软煤、硬煤的突出预测敏感指标进行了实验室测定和现场验证。研究结论为：相同条件下，煤样的解吸量随着吸附平衡压力的升高而增大，而且软煤的初期解吸量比硬煤大，初期解吸的速度也比硬煤快；钻屑瓦斯解吸指标Δh2和K1值随着瓦斯吸附平衡压力的升高而增大，钻屑瓦斯解吸指标K1比Δh2可靠性更高。

[关键词]吸附解吸；突出预测；敏感指标；软硬煤

[中图分类号]TD712.5[文献标识码]B

[收稿日期]2014-03-21

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.028

[基金项目]中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014ZDP08，2-9-2012-029)；中国博士后基金资助(2014T70561)

[作者简介]蒋雨辰(1989-)，男，江苏徐州人，在读硕士研究生，从事矿井瓦斯治理研究。

Absorption and Desorption Rule of Coal-seam and Sensitivity

Index of Predicting Local Methane Outburst

[引用格式]蒋雨辰，何涛，郭海军.煤层吸附解吸规律及局部突出预测敏感指标研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：95-98.

由于煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，突出的类型不同，引起突出的危险因素不同，预测指标对其敏感性也就不同，选择合适的突出危险性预测敏感指标及其临界值[1-3]，寻找可靠的突出预测方法来实现对突出危险性的准确预测，是指导突出防治工作的重要技术基础。

近年来，国外许多主要产煤国家研究和改进了许多突出危险性预测方法，期望能准确地预测工作面突出危险性。其中日本偏重于实验室研究；西欧着重于预报和预防措施；俄国既有实验室模拟，又有现场观测。由于煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果，因此国内突出预测指标的研究也主要是从这三方面开展的。邵军通过实验室实验和理论分析初步确定预测指标的适用条件及临界值，并通过现场进行校验修正；王佑安采用三率法和效果检验数据确定突出预测敏感指标，并提出了确定敏感指标的程序；周松元通过专家统计法对突出预测指标进行综合评判，最终确定指标敏感性；孙东玲采用数理统计方法确定预测指标敏感性，之后根据指标值的离散情况确定合理的临界值；胡千庭等也采用了相似的方法确定敏感指标及临界值。然而许多矿井煤层中含有一定厚度的软煤分层，在对防突措施效果检验时会出现硬煤消突而软煤未消突的现象。防突效果检验时瓦斯含量测定布置具有一定的盲目性，抽放钻孔设计时也常忽略这点。鉴于此，本文以实验室实验为基础并结合现场数据研究大宁煤矿软煤和硬煤吸附解吸规律及突出预测敏感指标。

1大宁煤矿3号煤层瓦斯参数的实验室测定

1.1　煤样制备

实验所用软、硬煤样均采自大宁煤矿3号煤层，该煤层为低灰、特低硫、高发热量无烟煤。煤层倾角小于10°，近水平赋存，厚度2.21～6.97m，平均4.45m，正常地带煤的坚固性系数f=1～2，煤层中下部存在厚度为0.2～0.5m的软分层，个别地点达1.5m，软分层坚固性系数f=0.15～0.5。根据煤样制备标准(GB/T 16773-2008)，将采集的煤样进行粉碎，筛分出实验所需粒度，以备实验使用。

1.2　实验方案

为更好地研究大宁煤矿煤层瓦斯解吸规律，开展了煤样的坚固性系数f、工业分析、瓦斯放散初速度Δp、瓦斯吸附解吸性能实验。坚固性系数采用坚固性系数的测定仪器完成；工业分析采用5E-6600型全自动工业分析仪完成；瓦斯放散初速度采用WT-1型瓦斯扩散速度测定仪测定；煤的吸附性能测定采用中国煤炭科工集团重庆研究院生产的HCA高压容量法瓦斯吸附装置测定，吸附实验数据处理采用Langmuir方程：

V=VLp/(PL+p)

(1)

式中，V为吸附量，m3/t；VL为Langmuir体积，m3/t，表示每吨煤的表面覆盖满单分子层时的吸附量；PL为Langmuir压力，MPa，代表吸附达到最大吸附量一半时对应的平衡压力；p为气体平衡压力，MPa。

实验室利用排水集气法测定煤样在一定时间内(120min)的解吸量随时间的变化值，分别测定软煤(1.09MPa，1.88MPa，2.91MPa，3.66MPa，4.91MPa)以及硬煤(1.0MPa，1.64MPa，2.62MPa，3.74MPa，4.77MPa)的120min初始解吸量。

采用钻屑瓦斯解吸仪进行钻屑瓦斯解吸指标的模拟测定，采用煤科总院重庆分院生产的WTC瓦斯突出参数测定仪测定K1；采用抚顺分院生产的MD-2型瓦斯解吸仪测定Δh2。分别模拟测定软煤(1.12MPa，1.91MPa，2.95MPa，3.71MPa，4.96MPa)以及硬煤(1.01MPa，1.64MPa，2.62MPa，3.73MPa，4.67MPa)的K1和Δh2。

2实验结果与分析

根据《防治煤与瓦斯突出规定》和国家标准，在实验室测定了采集煤样的坚固性系数f、瓦斯放散初速度Δp、工业分析(水分Mad、灰分Aad、挥发分Vdaf)结果及吸附常数值a，b值，测定结果见表1。

从表1中可以看出，硬煤的坚固性系数比软煤要大很多，软、硬煤的水分、灰分和挥发分差别较小，硬煤的吸附常数a，b值均大于软煤，硬煤的瓦斯放散初速度亦大于软煤。

表1　工业分析、吸附常数及突出指标测定结果

2.1　瓦斯吸附平衡压力对瓦斯解吸规律的影响

在实验室模拟了大宁煤矿3号煤层软、硬煤在不同压力条件下120min内的解析规律，得到了2种煤样在不同平衡压力条件下瓦斯解吸量与时间的变化关系曲线，如图1所示。

图1　不同吸附平衡压力下的瓦斯解吸量与时间关系

由图1可以看出，不论是软煤还是硬煤，煤样的解吸曲线不同但仍有一定规律性，在一定的平衡压力下，煤样的瓦斯解吸量与时间呈现正相关关系，在不同解吸时间内平衡压力高的曲线均位于平衡压力低的曲线的上方，平衡压力高的曲线初始时刻的梯度比较大，也就是说较高的平衡压力下煤样的瓦斯初始解吸速度大。各曲线的共同特点是随着时间的延长解吸瓦斯量逐渐增加，解吸速度逐渐变小。就软煤和硬煤的比较而言，软煤的初期解吸量比硬煤大，解吸的速度也比硬煤快，并且软煤的解吸曲线趋向于缓和的时间比硬煤短。

2.2　钻屑解吸指标与吸附平衡压力的关系分析

对所选取的大宁煤矿3号煤层中的软、硬煤样进行了钻屑瓦斯解吸指标的实验室模拟测定。不同煤样的钻屑解吸指标随瓦斯压力的变化如图2，图3所示。

图2　K 1随瓦斯压力变化

由图2，图3可知，在相同瓦斯压力条件下，实验室测定的大宁煤矿软煤的钻屑瓦斯解吸指标Δh2和K1值比硬煤的要大。对实验煤样在不同吸附平衡压力条件下测定的钻屑瓦斯解吸指标结果进行拟合。从拟合结果看，相关指数均在0.97以上，这与王魁军、邵军等人得出的钻屑解吸指标与瓦斯压力呈幂函数关系相一致。

图3　Δh 2随瓦斯压力变化

2.3　钻屑解吸指标可靠性分析

由表2可以看出，实际测定的钻屑瓦斯解吸指标Δh2转换为解吸量，与煤样吸附平衡后第4和第5min的实际解吸量相比较，相对误差很大，其中软煤误差为58.23%，硬煤误差为62.74%。而实测的K1值和煤样吸附平衡后第1min的实际解吸量相差较小，软煤误差值平均为5.78%，硬煤误差为4.16%。由此可知，大宁煤矿3号煤层选用基于巴雷尔公式的Δh2值计算方法误差较大，不能准确地反映3号煤层煤样的钻屑瓦斯解吸特征，Δh2指标可靠性不高，不能较好地预测煤层的突出危险性。相对于Δh2指标而言，K1值的测定误差较小，究其原因，解吸指标Δh2值是通过解吸仪直接测定读出来的，测量结果人为因素和测量环境影响较大，而K1值是通过理论公式推算出来的，在煤体的物理结构特征和解吸特征一定的情况下，受其他因素影响较小。

表2　实验煤样第4和第5min理论解吸量与实际解吸量的对比

2.4　钻屑解吸指标现场验证成果

由图2可知，大宁煤矿3号煤层硬煤的钻屑瓦斯解吸指标K1随着瓦斯压力的变化关系为K1=0.6039P0.8793，将临界压力值0.74MPa代入公式可得到K1=0.46mL/(g·min0.5)-1。

图4　实际钻屑解吸指标K 1值测定结果

实际钻屑解吸指标K1值测定结果如图4所示。由图4可知，在矿井准备期间共进行了69次K1值的测定，实际测定的钻屑瓦斯解吸指标K1值的范围为0.02~0.68mL/(g·min0.5)-1。在实际测定的K1值中有8个数据值大于0.46mL/(g·min0.5)-1，其余的均小于0.46mL/(g·min0.5)-1。根据大宁煤矿3号煤层的相关资料显示，在实际测定的K1值大于0.46mL/(g·min0.5)-1的8个钻孔处有7个曾经发生过瓦斯动力现象，由此可知，K1值的可靠性较高，用钻屑解吸指标K1值来预测瓦斯突出危险性是合理的。

3结论

(1)通过实验室研究发现，煤样的初始解吸速度快，随着时间的延长，解吸速度逐渐减缓，相同条件下，吸附平衡压力越高，煤样的解吸量就越大。煤样的初始解吸量占总体解吸量的很大一部分。通过对比发现，软煤的初期解吸量比硬煤大，初期解吸的速度也比硬煤快，并且软煤的解吸曲线趋向于缓和所用的时间比硬煤短。

(2)通过实验室测定数据拟合得出了不同煤样钻屑解吸指标与压力的关系公式，最终得到了大宁煤矿3号煤层钻屑解吸指标与瓦斯压力的关系：对软煤来说，K1=1.9145P0.2866，Δh2=872.92P0.4157；对硬煤来说，K1=0.6039P0.8793，Δh2=520.95P0.7341。通过比较发现，在相同的压力下，软煤的钻屑解吸指标Δh2和K1值要大于硬煤。

(3)在进行局部突出预测敏感指标分析中发现，实测的Δh2值和煤样吸附平衡后第4，5min的实际解吸量相差很大，误差超过50%；实际测定的钻屑瓦斯解吸指标K1转换为解吸量，与煤样第1min的实际解吸量相比较误差较小。试验证明，在大宁煤矿3号煤层，相对指标Δh2而言，K1能较好地反映煤体的解吸特征，能较准确地预测工作面突出危险性，可靠性更好。通过与现场实测数据对比验证，钻屑解吸指标K1值的敏感性较高，用钻屑解吸指标K1值来预测瓦斯突出危险性是合理的。

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[责任编辑：施红霞]