武晋帆，王燕杰

(1.潞安职业技术学院,山西 长治 046204;；2.山西潞安矿业集团有限责任公司,山西 长治 046204)

余吾煤业3#煤层瓦斯解吸扩散规律研究

武晋帆1，王燕杰2

(1.潞安职业技术学院,山西 长治 046204;；2.山西潞安矿业集团有限责任公司,山西 长治 046204)

通过对S1206、S5202工作面煤样吸附解吸实验,进行吸附解吸实验数据处理,进而求解不同工作面煤样瓦斯吸附常数值,对比分析不同煤样吸附解吸的差别,得出余吾煤业3#煤层的瓦斯解吸扩散规律,这为对加快余吾煤业安全掘进速度、高效开采提供了重要的参考意义。

工作面；实验研究；瓦斯解吸;吸附常数

随着我国煤矿开采深度的增大,采煤工作面开采强度的提高,工作面瓦斯涌出量急剧增大,瓦斯灾害事故更易发生,已有研究工作为分析煤层瓦斯赋存规律、预测煤层瓦斯涌出量和动态变化特征、瓦斯治理提供了依据,但是缺乏针对性的措施对该区域的瓦斯进行治理[1-3]。因此分析余吾煤业地质构造情况,研究工作面瓦斯涌出量动态变化规律、对瓦斯进行综合治理是必要的,对于加快余吾煤业安全掘进速度、高效开采具有重要的意义[4-6]。

1 矿井概况

井田开采煤层为3#煤层,设计生产能力为600 Mt/a,开拓水平为+400 m,采用立井单水平分,分区式开拓方式,走向长壁综采放顶煤采煤法,通风方式采用中央并列式。余吾井田构造特征与区域构造特征一致,逆断层较发育,这与其所处的构造位置有关,总体构造形态为走向北北东—南北向西缓倾的单斜,在此基础上发育方向比较单一的宽缓褶曲。本井田边界为北起文王山南正断层,东以常村矿和郭庄矿西边界为界,南与古城井田相邻,西与河神井田相邻。由于文王山南正断层上盘含煤地层直接与下盘奥灰接触,有沟通奥灰岩溶裂隙水的可能并会威胁煤层开采。

2 实验研究

2.1 样品采集与制备

实验所用煤样取自余吾煤业3#煤层S1206、S5202工作面,现场采取两个工作面的煤样,现场测坚固性系数,记录采样地点,再采取煤样软硬煤各20 kg～30 kg,采完封存,带回实验室,一个煤矿选取采样的地点2到3个,分别采样。实验煤样的基本物理力学参数如表1所示。

表1 实验煤样的基本物理力学参数

因实验需要制备大量的实验用煤样,制备的煤样进行妥善封存,以便为后续实验提供可靠的实验用煤。

2.2 实验系统

本文实验的瓦斯吸附解吸系统是由实验室已经配备的恒温吸附解吸实验装置,主要由温度控制系统、吸附解吸系统、数据采集与处理系统、解吸扩散集气系统、供气及气体控制系统及其它辅助装置组成,包括氮气高压气罐、氦气高压气罐、甲烷高压气罐、独立的两套吸附解吸专用的参考罐与样品罐、真空泵、恒温箱、集齐系统、压力变送器以及中控机,实验系统见图1。

图1 吸附解吸实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of adsorptiondesorption experiment system

3 3#煤瓦斯解吸扩散规律分析

根据不同煤样,不同平衡压力下,所对应的吸附瓦斯量,根据Langmuir提出的方程。

(1)

(2)

式中:P为吸附平衡压力,MPa;Q为吸附平衡压力下的吸附量,mL/g;a、b为Langmuir吸附常数;a为极限吸附量;b为吸附常数,MPa-1。

对不同平衡压力下,S5202煤样及不同平衡压力下,S1206煤样的吸附气体总量统计见表2。根据不同平衡压力下,煤样吸附气体总量的统计,进行煤样吸附常数a、b值的计算公式拟合见图2。根据煤吸附常数a、b值的拟合公式,进行煤吸附常数a、b值的计算。根据表3的计算结果,通过两个工作面煤的吸附常数a的对比和吸附常数b的对比,反映出煤样在相同的温度条件下,S1206煤的吸附瓦斯能力与S5202煤吸附瓦斯的能力的差异,S1206煤瓦斯解吸的速度与S5202煤吸附瓦斯的速度的差别。

表2 不同平衡压力下瓦斯吸附量统计Table 2 Statistic of gas adsorption under different equilibrium pressure

图2 不同工作面煤吸附常数曲线拟合图Fig.2 Fitting curves of coal adsorption constantsat different working face

煤样拟合公式a/(mL·g-1)b/MPaS1206y=0.043x+0.013529.8030.915S5202y=0.0476x+0.010230.1310.893

在余吾煤矿采取的煤样进行工业分析,测定坚固性系数f,进行软硬煤30 ℃恒温条件下不同压力的吸附解吸实验,通过压力变化计算出不同压力下,不同煤质的瓦斯吸附量,通过数值拟合处理,计算得出软硬煤分别对应的a、b值,通过对比得出,两个工作面煤的吸附常数a的对比,和吸附常数b的对比,反映出煤样在相同的温度条件下,S5202煤样吸附常数a小于S1206煤样,反应出S5202煤样比S1206煤样吸附能力弱。S5202煤样吸附常数b大于S1206煤样。这说明S1206煤样的吸附能力比较强,抽采效果可能不会太满意,需要在此基础上增加S1206工作面预抽效果的话,要做一些增加煤层透气性的措施。

4 结论

1)通过对工作面S1206和S5202的瓦斯压力和瓦斯含量进行测定,得出S1206工作面的瓦斯压力在0.55 MPa～0.63 MPa,瓦斯含量为8.924 3 m3/t～9.758 9 m3/t,S5202工作面瓦斯含量为9.356 4 m3/t～9.803 6 m3/t。瓦斯压力偏大,接近于临界值;瓦斯含量较大,超过临界值。

2)通过实验室对工作面的煤样进行吸附解吸实验,得出了两个工作面的瓦斯解吸特征:S5202煤样和S1206煤样吸附常数a值较大(均大于20 mL/g),吸附能力较强,吸附量较大。

3)通过以上基本参数的测定,S1206工作面煤层瓦斯含量高、压力大、煤质较软、吸附能力强、透气性大,属于难抽采煤层,条件较为复杂。

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MethaneDesorptionandDiffusionLawofNo.3CoalSeaminYuwuMine

WUJinfan1，WANGYanjie2

(1.Lu’anVocationalandTechnicalCollege，Changzhi046204，China;2.ShanxiLu’anGroup，Changzhi046204，China)

Adsorption and desorption experiment data of the coal samples are processed to find out the adsorption constants a and b of S1206 and S5202 working face.The comparison of adsorption and desorption deduces the methane desorption and diffusion law of No.3 coal seam in Yuwu Mine，which could be referential for the safe，rapid，and efficient mining

experimental study; methane desorption; adsorption constant; comparative analysis

1672-5050(2017)01-0038-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.011

2016-06-19

武晋帆(1986-)，女，山西汾阳人，硕士，助理讲师，从事煤矿安全生产教学与实践研究工作。

TD76

A

(编辑:薄小玲)