鄔劍明 閆 凱 郭 凱

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030034)

1 前言

煤層中瓦斯的吸附與解吸是一個(gè)氣體動(dòng)力學(xué)的過程。井下煤與瓦斯突出事故的發(fā)生機(jī)理是:受采動(dòng)擾動(dòng)的影響,瓦斯瞬時(shí)解吸的初速度較大,大量氣體與煤塵涌出時(shí)產(chǎn)生的氣相應(yīng)力突破煤層本身的體積應(yīng)力,瞬間爆發(fā)出來,造成煤與瓦斯的突出。之前有學(xué)者從事過瓦斯吸附與放散的初速率研究,但沒有明確給出具體的數(shù)據(jù)來證實(shí)孔隙應(yīng)力與初速率的關(guān)系,例如文獻(xiàn)3概括了瓦斯吸附的速率效應(yīng),并得出常溫下長(zhǎng)時(shí)間的吸附過程是非線性的;文獻(xiàn)4對(duì)瓦斯放散的初速率進(jìn)行了初步的研究,通過對(duì)不同埋深下煤層的放散初速率研究,得出了瓦斯放散初速率與煤深存在一定的關(guān)系,但沒有詳細(xì)給出具體的參數(shù)。因此,本文以煤中不同的瓦斯孔隙應(yīng)力為出發(fā)點(diǎn),研究吸附與解吸的初速率與孔隙應(yīng)力的關(guān)系,得出的結(jié)論對(duì)于預(yù)測(cè)深部礦井的煤與瓦斯突出具有理論參考價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和采集煤樣

本實(shí)驗(yàn)的煤樣選自潞安屯留煤礦,煤樣為貧煤,揮發(fā)分為15%,水分為0%。本實(shí)驗(yàn)選用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

采用實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際地層中煤層的實(shí)驗(yàn)方法,在實(shí)驗(yàn)室允許的條件下模擬實(shí)際礦井的瓦斯賦存情形。采用高壓密閉容量法,對(duì)吸附初速率和解吸初速率測(cè)定,首先將煤樣干燥放入吸附儀中,設(shè)定不同的瓦斯初始?jí)毫ο蛭絻x中注入瓦斯氣體,注氣時(shí)間定為5 s,時(shí)間太短容易產(chǎn)生較大的誤差,對(duì)初速率的分辨性差,而時(shí)間太長(zhǎng)不利于測(cè)定吸附起始時(shí)的吸附能力,關(guān)閉注氣閥門后測(cè)定此時(shí)的注氣量與煤樣中的游離瓦斯量,二者之差即是吸附量,與注氣時(shí)間之比是吸附初速率。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)于解吸初速率的測(cè)定,與吸附相同,只是首先給定不同的注氣量與吸附時(shí)間,使煤樣在不同的平衡壓力下吸附平衡,吸附時(shí)間定為24 h,確保吸附完全,吸附過后開始解吸,解吸時(shí)間同樣定為5 s,采用排水取氣法收集解吸時(shí)產(chǎn)生的氣體,此時(shí)的解吸量與解吸時(shí)間之比即為解吸初速率。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于孔隙應(yīng)力采用0.5～2.5 MPa的范圍,每隔0.5 MPa為1個(gè)平衡點(diǎn),這樣就得到5個(gè)不同的應(yīng)力平衡點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同孔隙應(yīng)力下的吸附與解吸量

吸附初速率與解吸初速率在不同孔隙應(yīng)力下的變化規(guī)律如圖2和圖3所示。

圖2 不同孔隙應(yīng)力下的吸附初速率

圖3 不同孔隙應(yīng)力下的解吸初速率

經(jīng)擬合,孔隙應(yīng)力與吸附和解吸初速率的線性關(guān)系式如式(1)、式(2)。

式中:v吸附——瓦斯吸附初速率,L/s;

v解析——瓦斯解析初速率,L/s;

P——煤層孔隙應(yīng)力,MPa。

由圖2和圖3的擬合結(jié)果可知,擬合相關(guān)度基本在99%以上,孔隙應(yīng)力與吸附和解吸的初速率呈線性關(guān)系,即隨著孔隙應(yīng)力的上升,初速率也隨之增大。對(duì)比表1中同等孔隙應(yīng)力下的吸附與解吸值發(fā)現(xiàn),除了0.5 MPa結(jié)果相近以外,其余4種情況中的解吸量均大于吸附量,而且是呈一定比例的提高,這說明吸附與解吸不是一個(gè)可逆的過程,以此實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例,同等條件下解吸能力大于吸附能力,這在微觀上的解釋是,同等孔隙應(yīng)力下,解吸時(shí)的壓力梯度要大于吸附時(shí)的壓力梯度。

2.4 結(jié)果討論

由數(shù)據(jù)分析可知,吸附和解吸的初速率均與煤樣的孔隙應(yīng)力成正比,而煤體的孔隙應(yīng)力與煤的埋藏深度及煤的變質(zhì)程度均成正比,埋藏越深、煤的變質(zhì)程度越高,煤的孔隙應(yīng)力越大。此結(jié)果與實(shí)際地層中煤層一致,說明井下發(fā)生煤與瓦斯突出事故的機(jī)率與開采層的深度成正比,實(shí)際情況亦如此。如大同煤田所屬礦區(qū),由于可采深度大多在200～400 m,埋深較淺,且所產(chǎn)煤種多為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤,變質(zhì)程度較低,因此自開采以來,沒有發(fā)生過煤與瓦斯突出事故,而淮南地區(qū)的礦區(qū),現(xiàn)行可采深度達(dá)到了1000 m,所產(chǎn)煤種是無煙煤,變質(zhì)程度高,近年來經(jīng)常發(fā)生煤與瓦斯突出事故,且多數(shù)礦井被鑒定為雙突礦井。

前人所做的相關(guān)研究亦可說明本研究得出結(jié)論的科學(xué)性、正確性。文獻(xiàn)8、9均得出礦井的煤與瓦斯突出與礦井開采深度有關(guān)的 結(jié)論;當(dāng)前較多采用的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)量中就有對(duì)于瓦斯壓力的測(cè)定。因此本實(shí)驗(yàn)研究所得出的結(jié)論可以反映實(shí)際問題的。

3 結(jié)論

運(yùn)用相似模擬的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,吸附與解吸的初速率與孔隙應(yīng)力成正比,且相同的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi),瓦斯在煤中的解吸能力要強(qiáng)于吸附能力。經(jīng)擬合證明,吸附與解吸的初速率和煤體的孔隙應(yīng)力呈線性關(guān)系。以上結(jié)論的得出,對(duì)礦井的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)具有理論參考價(jià)值。

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