梁翠云

（神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830027）

1 引言

急傾斜煤層放頂煤開采工作面由于一次性放煤數(shù)量多，開采強度高、放高大，采動引發(fā)的絕對瓦斯涌出量增加，在工作面附近瓦斯存在超限現(xiàn)象，特別是回風(fēng)巷上隅角，影響了工作面的安全生產(chǎn)，成為放頂煤工作面安全生產(chǎn)的重要防范對象。

無論是緩傾斜煤層還是急傾斜煤層，瓦斯在礦井中均有吸附和游離兩種存在狀態(tài)。在沒有開采擾動的情況下瓦斯一般吸附在煤體的空隙中，是煤體空隙表面顆粒與瓦斯氣體的聚積。在高溫及開采擾動下瓦斯會從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)換為游離狀態(tài)，解吸并散發(fā)至礦井內(nèi)部的空間中。由于開采前煤層中的瓦斯總量不變且基本處于吸附狀態(tài)，因此可以說礦井中瓦斯的含量取決于瓦斯自身的解吸和吸附，吸附量大，解吸量少，則煤體空隙中處于吸附狀態(tài)的瓦斯含量高，礦井空間中的瓦斯含量低；吸附量小，解吸量大，則礦井空間中處于游離狀態(tài)的瓦斯含量就高。掌握瓦斯的吸附與解析特性，研究煤體內(nèi)部空隙的發(fā)育特征對控制煤礦空間內(nèi)的瓦斯含量與瓦斯為驅(qū)動的突出有著重要意義，這也為進一步采取合理措施降低礦井瓦斯含量提供了依據(jù)。

2 急傾斜礦區(qū)煤層與瓦斯賦存特征

2.1 煤層賦存特性

烏魯木齊礦區(qū)開采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x），共含煤33層，屬急傾斜近距離煤層群。煤層總厚度117.07～175.45m，其中可采27層，可采總厚度120～135 m。煤層走向52°～65°，傾向322°～335°，煤層傾角63°～88°。六道灣煤礦、葦湖梁煤礦、堿溝煤礦、小紅溝煤礦和大洪溝煤礦均位于八道灣向斜南翼，煤層傾角在走向上由西向東有逐步變陡的趨勢。礦區(qū)西部的六道灣煤礦和葦湖梁煤礦煤層傾角60°～70°，平均65°；東部的堿溝煤礦、小紅溝煤礦和大洪溝煤礦煤層傾角60°～89°，平均87°。烏魯木齊礦區(qū)兩主采煤層的賦存特征如表1所示。

2.2 瓦斯賦存特征

以該礦區(qū)中的堿溝煤礦為例，1991 年1 月，+564m 西一采區(qū)+564m 水平43＃煤層掘進過程中瓦斯涌出量較大，+564m 水平橫貫揭穿43＃煤層后，施工的鉆孔內(nèi)最大瓦斯?jié)舛?0%，后對該石門進行封閉，封閉后取樣測定的瓦斯?jié)舛染S持在40%～45%。1994年，對+564m 水平43＃煤層進行了瓦斯等級鑒定，測得相對瓦斯涌出量為5.37 m3／d·t。與此同時，先后在+564m 水平西一采區(qū)共掘了4條穿層煤門，發(fā)現(xiàn)43＃煤層頂板以南8～18m 區(qū)段范圍內(nèi)瓦斯涌出量較大，在局部施工的鉆孔內(nèi)，瓦斯?jié)舛仍?0%～70%，瓦斯壓力為0.04 MPa，流量為0.1m3／min。1995年6月經(jīng)原烏魯木齊礦務(wù)局、新疆煤炭工業(yè)廳研究決定將堿溝煤礦+564m 水平西一采區(qū)定為瓦斯涌出異常區(qū)，該區(qū)域按照高瓦斯區(qū)域進行管理。2001年測得+564m 水平西一采區(qū)43＃煤層絕對瓦斯壓力為0.15 MPa，相對瓦斯壓力0.05 MPa。2006年礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果中，該區(qū)域瓦斯等級為低級，最大相對瓦斯涌出量為2.25m3／t，最大絕對瓦斯涌出量為3.81m3／min。

表1 主采煤層特征

3 煤體內(nèi)部空隙特征實驗

3.1 煤樣成分識別

目前主采的43＃、45＃煤層宏觀煤巖類型以亮煤及半亮型煤為主，暗煤次之，鏡煤和絲炭少量。顯微組分中凝膠化物質(zhì)一般在75%以上，主要為膠化基質(zhì)體，鏡煤、木煤、木質(zhì)鏡煤為少量；半絲炭化物質(zhì)一般在10%～15%，半絲炭化木煤為主，半絲炭化木質(zhì)鏡煤及半絲炭化基質(zhì)次之；煤中穩(wěn)定組分一般小于5%；礦物質(zhì)在5%左右；絲炭組以絲炭為主，多呈透鏡狀。穩(wěn)定組分以小孢子體為主，角質(zhì)層、大孢子和樹脂體次之。礦物質(zhì)可見浸染狀小結(jié)核狀黃鐵礦，方解石及粘土類物質(zhì)呈孢腔充填，還有少量石英和菱鐵礦。

鏡煤的平均最大反射率為0.77%～0.84%（Romax≥0.65%），屬低變質(zhì)程度的氣煤。主采43＃、45＃煤層的煤巖組分分析見表2?？梢钥闯銎鋵儆谧冑|(zhì)作用的生氣增長階段。

表2 主采煤層煤巖組分分析結(jié)果

3.2 煤體內(nèi)部空隙電鏡掃描特征

煤體介質(zhì)中孔隙是瓦斯的賦存空間，孔隙分布特征的研究是煤儲層性質(zhì)研究和資源評價的一項基礎(chǔ)工作，同時，也是瓦斯勘探開發(fā)工程設(shè)計的基礎(chǔ)。低階煤的孔隙分布研究尤顯重要，其原因在于，低階煤的大孔隙或較大的裂隙是游離氣潛在的賦存空間，同時對低階煤的高滲透率也有潛在的影響。通過實驗，獲得43＃、45＃煤層的孔隙度分別為3.8%、6.3%。

圖1是43＃、45＃煤層采取煤樣的電鏡掃描圖像，可以看出煤體表明均有大小不一的突起、空隙甚至破碎，這種結(jié)構(gòu)增大了煤體表明顆粒的表面積，有助于煤體表明顆粒吸附瓦斯分子。另外，煤體空隙的孔喉連通狀況較差，瓦斯氣體含量 （瓦斯壓力）會出現(xiàn)分區(qū)分塊的變化差異，開采實踐中須密切注意局部瓦斯壓力過大導(dǎo)致瓦斯突出及瓦斯驅(qū)動煤突出等動力災(zāi)害。

4 煤樣吸附與解吸實驗

瓦斯吸附行為常用朗格繆爾單分子層吸附模型、BET 多分子層吸附模型和容積充填模型予以描述，目前應(yīng)用最為廣泛的是朗格繆爾模型。實驗主要是利用Terratek生產(chǎn)的IS-100 等溫吸附儀進行。

朗格繆爾模型方程：

式中：V——氣體壓力為p 時的吸附量；

Vm，a——煤孔隙表面覆蓋滿單分子層時的吸附量，即最大吸附量；

VL——朗格繆爾體積；

b——吸附系數(shù)，是溫度和吸附熱的函數(shù)；

P——氣體壓力；

pL——朗格繆爾壓力，等于1／b。

當溫度升高時，b值減小或pL值增大，故吸附量隨溫度的升高而降低。

瓦斯的散出僅為瓦斯的解吸階段，由于瓦斯氣體的賦存受多因素控制，賦存狀態(tài)與型式多樣，現(xiàn)根據(jù)AST-1000型等溫吸附解吸儀的實驗結(jié)果進行總結(jié)。

圖1 煤樣空隙電鏡掃描

4.1 煤樣解析與吸附實驗結(jié)果

通過瓦斯的吸附與解析實驗獲得了不同壓力下煤樣吸附、解析瓦斯的樣本曲線。圖2是43＃煤層煤樣吸附與解析的特征，運用冪指數(shù)方程對曲線進行了擬合，獲得了瓦斯解吸與吸附的冪函數(shù)表達式。

吸附的冪函數(shù)表達式：

解吸的冪函數(shù)表達式：

圖3是45＃煤層煤樣吸附與解析的特征，運用冪指數(shù)方程對曲線進行了擬合，獲得了瓦斯解吸與吸附的冪函數(shù)表達式。

吸附的冪函數(shù)表達式：

解吸的冪函數(shù)表達式：

圖2 43＃煤層煤樣對瓦斯的吸附與解析樣本曲線

圖3 45＃煤層煤樣對瓦斯的吸附與解析樣本曲線

43＃煤層瓦斯的吸附函數(shù)擬合度達到了99.9%，解吸函數(shù)擬合度達到了99.9%；45＃煤層瓦斯的吸附函數(shù)擬合度達到了99.8%，解吸函數(shù)擬合度達到了99.4%。較好的對各個樣本點進行了擬合，為預(yù)測瓦斯解吸與吸附提供了依據(jù)。43＃、45＃煤層瓦斯的吸附與解吸量均隨壓力的增加而提高，具體表現(xiàn)在瓦斯壓力為0～0.5 MPa的情況下，瓦斯基本處于吸附狀態(tài)，0.5 MPa以后瓦斯開始出現(xiàn)了解吸，隨著壓力的不斷增加，解吸量也不斷增加，解吸與吸附的差值愈來愈小，43＃、45＃煤層分別在壓力為9.5 MPa和9.8 MPa時解吸量等于吸附量。

4.2 高壓力瓦斯解吸對瓦斯突出的影響分析

實驗結(jié)果表明，隨著瓦斯壓力的增加瓦斯的解吸能力逐漸增強，煤體內(nèi)部空隙表面的顆粒已不能吸附較大壓力的瓦斯分子，在受到開采擾動影響并擁有釋放空間時，高壓力呈吸附態(tài)的瓦斯瞬間涌出成為游離態(tài)的瓦斯。在解吸過程中瓦斯分子與煤體空隙表面顆粒迅速分開，由于煤體內(nèi)部裂隙孔喉連通的復(fù)雜性，高速涌出的瓦斯對煤體內(nèi)部裂隙造成損傷，降低煤體的強度，隨著進一步涌出帶來損傷的不斷積累，在達到煤體損傷極限時煤體撕裂、突出，這解釋了高應(yīng)力區(qū)和高瓦斯壓力會導(dǎo)致瓦斯突出的現(xiàn)象。

相關(guān)研究表明，孔隙壓力由0.1～1 MPa的變化過程中，以瓦斯為驅(qū)動的突出幾乎沒有；當孔隙壓力大于1.5 MPa時，系統(tǒng)失穩(wěn)度隨孔隙壓呈非線性增加，增加幅度較大，1.5 MPa是瓦斯驅(qū)動突出起顯著作用的臨界值。43＃、45＃煤層的儲層壓力分別為1.8346 MPa、1.7988 MPa，以此為判據(jù)，43＃、45＃煤層的瓦斯壓力超過了瓦斯起顯著的臨界值，煤體失穩(wěn)度上升，有發(fā)生瓦斯突出的可能。

實測43＃、45＃煤層含氣量分別為3.74m3／t、5.8m3／t，得出儲層條件下兩層煤的最大吸附量分別為5.71 m3／t、6.09 m3／t，含氣飽和度分別為66%、96%。在45＃煤層現(xiàn)采位置，最大含氣量已經(jīng)超過6 m3／t，同時含氣飽和度較高，向深部開采，表現(xiàn)更為明顯。儲層壓力與地層靜壓為正相關(guān)，由于地下潛水面穩(wěn)定，可以判定儲層壓力有增大趨勢，含氣量會增大。下部煤層的朗格繆爾體積較上部煤層的小，相對于43＃煤層，45＃煤層化學(xué)吸附量甚至更少，易于解吸或由于孔隙喉徑大而以游離態(tài)為主，高壓氣相流體容易發(fā)生突出。

5 結(jié)論

（1）43＃、45＃急傾斜煤層宏觀煤巖類型以亮煤及半亮型煤為主，43＃、45＃煤層的孔隙度分別為3.8%、6.3%，煤體表明均有大小不一的突起、空隙甚至破碎，這種結(jié)構(gòu)增大了煤體表明顆粒的表面積，有助于煤體表明顆粒吸附瓦斯分子。

（2）由于煤的孔隙度大小分布不均，孔喉連通狀況較差，瓦斯氣體含量 （瓦斯壓力）會出現(xiàn)分區(qū)分塊的變化差異，開采實踐中須密切注意局部瓦斯壓力過大導(dǎo)致瓦斯突出等動力災(zāi)害。

（3）通過瓦斯的吸附與解析實驗獲得了取自43＃、45＃兩急傾斜煤層的煤樣在不同壓力下吸附、解析瓦斯的樣本曲線，得到了瓦斯解析與吸附隨壓力變化的冪函數(shù)表達式。

（4）瓦斯壓力為0～0.5 MPa的情況下瓦斯基本處于吸附狀態(tài)，0.5 MPa以后瓦斯開始出現(xiàn)了解吸，隨著壓力的不斷增加吸附量和解吸量的差值愈來愈小，最終解吸量等于吸附量。

（5）高壓力瓦斯解吸過程中高速涌出的瓦斯對煤體內(nèi)部裂隙造成損傷，降低煤體的強度，在達到煤體損傷極限時煤體撕裂、突出，43＃、45＃煤層的瓦斯壓力超過了瓦斯起顯著的臨界值，煤體失穩(wěn)度上升，有發(fā)生瓦斯突出的可能。

（6）隨著開采深度增加，地溫升高，壓力增大，煤內(nèi)瓦斯氣體吸附能力降低，煤體內(nèi)瓦斯的解吸系數(shù)增大，這驗證了隨著壓力的不斷增加煤體中的瓦斯解吸量增大。

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