煤層吸附解吸規(guī)律及局部突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)研究

蔣雨辰，何濤，郭海軍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

[摘要]以大寧煤礦3號(hào)煤層為背景，研究了3號(hào)煤層軟、硬煤的吸附解吸規(guī)律，同時(shí)對(duì)軟煤、硬煤的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。研究結(jié)論為：相同條件下，煤樣的解吸量隨著吸附平衡壓力的升高而增大，而且軟煤的初期解吸量比硬煤大，初期解吸的速度也比硬煤快；鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和K1值隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高而增大，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1比Δh2可靠性更高。

[關(guān)鍵詞]吸附解吸；突出預(yù)測(cè)；敏感指標(biāo)；軟硬煤

[中圖分類號(hào)]TD712.5[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[收稿日期]2014-03-21

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

[基金項(xiàng)目]中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014ZDP08，2-9-2012-029)；中國(guó)博士后基金資助(2014T70561)

[作者簡(jiǎn)介]蔣雨辰(1989-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，從事礦井瓦斯治理研究。

Absorption and Desorption Rule of Coal-seam and Sensitivity

Index of Predicting Local Methane Outburst

[引用格式]蔣雨辰，何濤，郭海軍.煤層吸附解吸規(guī)律及局部突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：95-98.

由于煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，突出的類型不同，引起突出的危險(xiǎn)因素不同，預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)其敏感性也就不同，選擇合適的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值[1-3]，尋找可靠的突出預(yù)測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)突出危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，是指導(dǎo)突出防治工作的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

近年來，國(guó)外許多主要產(chǎn)煤國(guó)家研究和改進(jìn)了許多突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法，期望能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性。其中日本偏重于實(shí)驗(yàn)室研究；西歐著重于預(yù)報(bào)和預(yù)防措施；俄國(guó)既有實(shí)驗(yàn)室模擬，又有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。由于煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，因此國(guó)內(nèi)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的研究也主要是從這三方面開展的。邵軍通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和理論分析初步確定預(yù)測(cè)指標(biāo)的適用條件及臨界值，并通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校驗(yàn)修正；王佑安采用三率法和效果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)確定突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)，并提出了確定敏感指標(biāo)的程序；周松元通過專家統(tǒng)計(jì)法對(duì)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，最終確定指標(biāo)敏感性；孫東玲采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性，之后根據(jù)指標(biāo)值的離散情況確定合理的臨界值；胡千庭等也采用了相似的方法確定敏感指標(biāo)及臨界值。然而許多礦井煤層中含有一定厚度的軟煤分層，在對(duì)防突措施效果檢驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)硬煤消突而軟煤未消突的現(xiàn)象。防突效果檢驗(yàn)時(shí)瓦斯含量測(cè)定布置具有一定的盲目性，抽放鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)也常忽略這點(diǎn)。鑒于此，本文以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)研究大寧煤礦軟煤和硬煤吸附解吸規(guī)律及突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)。

1大寧煤礦3號(hào)煤層瓦斯參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定

1.1　煤樣制備

實(shí)驗(yàn)所用軟、硬煤樣均采自大寧煤礦3號(hào)煤層，該煤層為低灰、特低硫、高發(fā)熱量無煙煤。煤層傾角小于10°，近水平賦存，厚度2.21～6.97m，平均4.45m，正常地帶煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=1～2，煤層中下部存在厚度為0.2～0.5m的軟分層，個(gè)別地點(diǎn)達(dá)1.5m，軟分層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.15～0.5。根據(jù)煤樣制備標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 16773-2008)，將采集的煤樣進(jìn)行粉碎，篩分出實(shí)驗(yàn)所需粒度，以備實(shí)驗(yàn)使用。

1.2　實(shí)驗(yàn)方案

為更好地研究大寧煤礦煤層瓦斯解吸規(guī)律，開展了煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)f、工業(yè)分析、瓦斯放散初速度Δp、瓦斯吸附解吸性能實(shí)驗(yàn)。堅(jiān)固性系數(shù)采用堅(jiān)固性系數(shù)的測(cè)定儀器完成；工業(yè)分析采用5E-6600型全自動(dòng)工業(yè)分析儀完成；瓦斯放散初速度采用WT-1型瓦斯擴(kuò)散速度測(cè)定儀測(cè)定；煤的吸附性能測(cè)定采用中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院生產(chǎn)的HCA高壓容量法瓦斯吸附裝置測(cè)定，吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Langmuir方程：

V=VLp/(PL+p)

(1)

式中，V為吸附量，m3/t；VL為L(zhǎng)angmuir體積，m3/t，表示每噸煤的表面覆蓋滿單分子層時(shí)的吸附量；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，MPa，代表吸附達(dá)到最大吸附量一半時(shí)對(duì)應(yīng)的平衡壓力；p為氣體平衡壓力，MPa。

實(shí)驗(yàn)室利用排水集氣法測(cè)定煤樣在一定時(shí)間內(nèi)(120min)的解吸量隨時(shí)間的變化值，分別測(cè)定軟煤(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。

采用鉆屑瓦斯解吸儀進(jìn)行鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的模擬測(cè)定，采用煤科總院重慶分院生產(chǎn)的WTC瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定K1；采用撫順分院生產(chǎn)的MD-2型瓦斯解吸儀測(cè)定Δh2。分別模擬測(cè)定軟煤(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實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了采集煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度Δp、工業(yè)分析(水分Mad、灰分Aad、揮發(fā)分Vdaf)結(jié)果及吸附常數(shù)值a，b值，測(cè)定結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，硬煤的堅(jiān)固性系數(shù)比軟煤要大很多，軟、硬煤的水分、灰分和揮發(fā)分差別較小，硬煤的吸附常數(shù)a，b值均大于軟煤，硬煤的瓦斯放散初速度亦大于軟煤。

表1　工業(yè)分析、吸附常數(shù)及突出指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

2.1　瓦斯吸附平衡壓力對(duì)瓦斯解吸規(guī)律的影響

在實(shí)驗(yàn)室模擬了大寧煤礦3號(hào)煤層軟、硬煤在不同壓力條件下120min內(nèi)的解析規(guī)律，得到了2種煤樣在不同平衡壓力條件下瓦斯解吸量與時(shí)間的變化關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1　不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系

由圖1可以看出，不論是軟煤還是硬煤，煤樣的解吸曲線不同但仍有一定規(guī)律性，在一定的平衡壓力下，煤樣的瓦斯解吸量與時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在不同解吸時(shí)間內(nèi)平衡壓力高的曲線均位于平衡壓力低的曲線的上方，平衡壓力高的曲線初始時(shí)刻的梯度比較大，也就是說較高的平衡壓力下煤樣的瓦斯初始解吸速度大。各曲線的共同特點(diǎn)是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)解吸瓦斯量逐漸增加，解吸速度逐漸變小。就軟煤和硬煤的比較而言，軟煤的初期解吸量比硬煤大，解吸的速度也比硬煤快，并且軟煤的解吸曲線趨向于緩和的時(shí)間比硬煤短。

2.2　鉆屑解吸指標(biāo)與吸附平衡壓力的關(guān)系分析

對(duì)所選取的大寧煤礦3號(hào)煤層中的軟、硬煤樣進(jìn)行了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)定。不同煤樣的鉆屑解吸指標(biāo)隨瓦斯壓力的變化如圖2，圖3所示。

圖2　K 1隨瓦斯壓力變化

由圖2，圖3可知，在相同瓦斯壓力條件下，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的大寧煤礦軟煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和K1值比硬煤的要大。對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣在不同吸附平衡壓力條件下測(cè)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行擬合。從擬合結(jié)果看，相關(guān)指數(shù)均在0.97以上，這與王魁軍、邵軍等人得出的鉆屑解吸指標(biāo)與瓦斯壓力呈冪函數(shù)關(guān)系相一致。

圖3　Δh 2隨瓦斯壓力變化

2.3　鉆屑解吸指標(biāo)可靠性分析

由表2可以看出，實(shí)際測(cè)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2轉(zhuǎn)換為解吸量，與煤樣吸附平衡后第4和第5min的實(shí)際解吸量相比較，相對(duì)誤差很大，其中軟煤誤差為58.23%，硬煤誤差為62.74%。而實(shí)測(cè)的K1值和煤樣吸附平衡后第1min的實(shí)際解吸量相差較小，軟煤誤差值平均為5.78%，硬煤誤差為4.16%。由此可知，大寧煤礦3號(hào)煤層選用基于巴雷爾公式的Δh2值計(jì)算方法誤差較大，不能準(zhǔn)確地反映3號(hào)煤層煤樣的鉆屑瓦斯解吸特征，Δh2指標(biāo)可靠性不高，不能較好地預(yù)測(cè)煤層的突出危險(xiǎn)性。相對(duì)于Δh2指標(biāo)而言，K1值的測(cè)定誤差較小，究其原因，解吸指標(biāo)Δh2值是通過解吸儀直接測(cè)定讀出來的，測(cè)量結(jié)果人為因素和測(cè)量環(huán)境影響較大，而K1值是通過理論公式推算出來的，在煤體的物理結(jié)構(gòu)特征和解吸特征一定的情況下，受其他因素影響較小。

表2　實(shí)驗(yàn)煤樣第4和第5min理論解吸量與實(shí)際解吸量的對(duì)比

2.4　鉆屑解吸指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證成果

由圖2可知，大寧煤礦3號(hào)煤層硬煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1隨著瓦斯壓力的變化關(guān)系為K1=0.6039P0.8793，將臨界壓力值0.74MPa代入公式可得到K1=0.46mL/(g·min0.5)-1。

圖4　實(shí)際鉆屑解吸指標(biāo)K 1值測(cè)定結(jié)果

實(shí)際鉆屑解吸指標(biāo)K1值測(cè)定結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在礦井準(zhǔn)備期間共進(jìn)行了69次K1值的測(cè)定，實(shí)際測(cè)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值的范圍為0.02~0.68mL/(g·min0.5)-1。在實(shí)際測(cè)定的K1值中有8個(gè)數(shù)據(jù)值大于0.46mL/(g·min0.5)-1，其余的均小于0.46mL/(g·min0.5)-1。根據(jù)大寧煤礦3號(hào)煤層的相關(guān)資料顯示，在實(shí)際測(cè)定的K1值大于0.46mL/(g·min0.5)-1的8個(gè)鉆孔處有7個(gè)曾經(jīng)發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，由此可知，K1值的可靠性較高，用鉆屑解吸指標(biāo)K1值來預(yù)測(cè)瓦斯突出危險(xiǎn)性是合理的。

3結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，煤樣的初始解吸速度快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，解吸速度逐漸減緩，相同條件下，吸附平衡壓力越高，煤樣的解吸量就越大。煤樣的初始解吸量占總體解吸量的很大一部分。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，軟煤的初期解吸量比硬煤大，初期解吸的速度也比硬煤快，并且軟煤的解吸曲線趨向于緩和所用的時(shí)間比硬煤短。

(2)通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)擬合得出了不同煤樣鉆屑解吸指標(biāo)與壓力的關(guān)系公式，最終得到了大寧煤礦3號(hào)煤層鉆屑解吸指標(biāo)與瓦斯壓力的關(guān)系：對(duì)軟煤來說，K1=1.9145P0.2866，Δh2=872.92P0.4157；對(duì)硬煤來說，K1=0.6039P0.8793，Δh2=520.95P0.7341。通過比較發(fā)現(xiàn)，在相同的壓力下，軟煤的鉆屑解吸指標(biāo)Δh2和K1值要大于硬煤。

(3)在進(jìn)行局部突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)分析中發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)的Δh2值和煤樣吸附平衡后第4，5min的實(shí)際解吸量相差很大，誤差超過50%；實(shí)際測(cè)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1轉(zhuǎn)換為解吸量，與煤樣第1min的實(shí)際解吸量相比較誤差較小。試驗(yàn)證明，在大寧煤礦3號(hào)煤層，相對(duì)指標(biāo)Δh2而言，K1能較好地反映煤體的解吸特征，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性，可靠性更好。通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，鉆屑解吸指標(biāo)K1值的敏感性較高，用鉆屑解吸指標(biāo)K1值來預(yù)測(cè)瓦斯突出危險(xiǎn)性是合理的。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]