陳學(xué)習(xí)，張 凱，張 亮，吉丹妮

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

不同變質(zhì)程度煤的瓦斯放散特性實(shí)驗(yàn)研究

陳學(xué)習(xí)，張 凱，張 亮，吉丹妮

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

為了研究煤的變質(zhì)程度對瓦斯放散特性的影響，采用現(xiàn)場取樣、實(shí)驗(yàn)室測試的方法，對9種不同煤樣的瓦斯放散初速度和孔徑分布進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：煤的變質(zhì)程度越高，瓦斯放散初速度越大，瓦斯放散初速度隨著變質(zhì)程度的降低呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)減小的趨勢；煤的微孔比表面積越大，瓦斯放散初速度越大，瓦斯放散初速度隨著微孔比表面積的增加呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，根本原因是微孔比表面積的增加為瓦斯吸附提供了更多的吸附位，增大了瓦斯吸附量。

變質(zhì)程度；揮發(fā)分；瓦斯放散初速度；微孔比表面積

0 引言

煤的瓦斯放散初速度(△P)是指3.5g規(guī)定粒度的煤樣在0.1 MPa壓力下吸附瓦斯后向固定真空空間釋放時(shí)，用壓差△P(mmHg)表示的10～60 s時(shí)間內(nèi)釋放出瓦斯量指標(biāo)[1]，它是用于衡量含瓦斯煤體暴露時(shí)瓦斯從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)速度的快慢，同時(shí)也反映瓦斯?jié)B透和流動(dòng)的規(guī)律，其作為判斷煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度的單項(xiàng)指標(biāo)之一，在煤層的突出危險(xiǎn)性鑒定、突出危險(xiǎn)區(qū)域劃分和煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求突出煤層的瓦斯放散初速度(△P)均大于或等于10，但是，在以往的生產(chǎn)實(shí)踐中，也曾經(jīng)發(fā)生過該指標(biāo)低值狀態(tài)下的突出事故。雖然瓦斯放散初速度根據(jù)AQ1080-2009《煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(△P)測定方法》進(jìn)行測定，但是對于不同變質(zhì)程度煤樣△P的測定，該標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確的體現(xiàn)。如果能通過實(shí)驗(yàn)研究出不同變質(zhì)程度煤的瓦斯放散特性，這對于準(zhǔn)確測定煤的瓦斯放散初速度、準(zhǔn)確鑒定和評價(jià)煤層突出危險(xiǎn)性等具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，許多學(xué)者分別從煤的自身特性(如變質(zhì)程度、煤樣粒徑、孔隙結(jié)構(gòu))和外部因素(如溫度、靜電場、聲波、外加水分)等方面對瓦斯放散初速度的影響進(jìn)行了研究[3-9]，煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征不僅會(huì)對孔隙中流體的運(yùn)移規(guī)律造成影響，而且對煤層氣的滲透與富集也有積極的作用，因此，研究煤的變質(zhì)程度和孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯放散初速度的關(guān)系很有必要。劉軍等人通過實(shí)驗(yàn)研究了煤的孔隙率與瓦斯放散初速度的關(guān)系，但很少有人從孔比表面積的角度來說明孔隙結(jié)構(gòu)對瓦斯放散初速度的影響，本文通過實(shí)驗(yàn)主要研究了煤的變質(zhì)程度和微孔比表面積對瓦斯放散初速度的影響。

1 煤瓦斯放散初速度的測試與分析

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣的選取

選取北陽莊煤礦5#煤、嘉陽煤礦K7煤、柳樹青煤礦15#煤、夏店煤礦3#煤、恒祥煤業(yè)二1煤、檜樹亭煤礦二1煤、超化煤礦二1煤、嶸昌煤礦二1煤、建山穎新煤礦楓順井B6煤作為實(shí)驗(yàn)煤樣。利用TGA-2000全自動(dòng)工業(yè)分析儀對所取煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，得出各煤樣的基本參數(shù)，見下表1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣基本參數(shù)

煤的變質(zhì)程度是指在溫度、壓力等因素作用下，煤的物理、化學(xué)性質(zhì)變化的程度。煤的變質(zhì)程度由干燥無灰基揮發(fā)分來表征，揮發(fā)分越大，煤的變質(zhì)程度越低；揮發(fā)分越小，煤的變質(zhì)程度越高。由表1可知，無煙煤的變質(zhì)程度最高，變質(zhì)程度由高到低依次是貧煤、焦煤和氣煤，長焰煤的變質(zhì)程度最低。

1.2 測試儀器

瓦斯放散初速度的測定按照AQ1080-2009《煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(△P)測定方法》，利用WT—1型瓦斯放散初速度測定儀進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。

圖1 WT-1型瓦斯放散初速度測定儀1—真空泵；2—甲烷氣體；3—電磁閥；4—煤樣罐；5—傳感器；6—計(jì)算機(jī)

1.3 測試結(jié)果與分析

按照上述測試方法，對所取的9種煤樣的瓦斯放散初速度進(jìn)行了測試，然后將揮發(fā)分與對應(yīng)的瓦斯放散初速度分別在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，以揮發(fā)分為橫坐標(biāo)，瓦斯放散初速度為縱坐標(biāo)，然后利用Origin對不同變質(zhì)程度煤的瓦斯放散初速度進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果見下表2，其中利用指數(shù)模型進(jìn)行擬合得出的曲線如圖2所示。

表2 不同變質(zhì)程度煤瓦斯放散初速度回歸分析結(jié)果

回歸分析的結(jié)果說明，不同變質(zhì)程度煤的瓦斯放散初速度隨揮發(fā)分的增加較好的服從指數(shù)式減小，即變質(zhì)程度越高的煤瓦斯放散初速度越大。指數(shù)模型的一般形式為Δp=B+Ae-αVdaf，其中α為瓦斯放散初速度衰減系數(shù)，其值表示揮發(fā)分影響瓦斯放散初速度的降低速度；A為影響系數(shù)，表示揮發(fā)分對瓦斯放散初速度的影響程度；B為常數(shù)。

圖2 揮發(fā)分與瓦斯放散初速度的關(guān)系

2 煤的孔隙結(jié)構(gòu)測試與分析

煤的孔隙結(jié)構(gòu)是指煤中孔隙和喉道的大小分布、集合形狀及其相互連通關(guān)系，是煤物理結(jié)構(gòu)的主要部分。煤層中的孔隙和裂隙是煤層瓦斯儲(chǔ)存的空間和擴(kuò)散運(yùn)移的通道，其結(jié)構(gòu)特征(孔徑分布、孔容、孔比表面積、孔隙率等)決定了煤的吸附、擴(kuò)散和滲流特性?，F(xiàn)如今對煤的孔徑分類有很多種方法，B.B霍多特的劃分方法為多數(shù)學(xué)者所通用，他根據(jù)固體孔徑范圍和固氣作用效應(yīng)將煤的孔隙分為4類：微孔(<10 nm，構(gòu)成煤中的吸附容積)、小孔或過渡孔(10～100 nm，構(gòu)成毛細(xì)管凝結(jié)和瓦斯擴(kuò)散空間)、中孔(100～1000 nm，構(gòu)成瓦斯緩慢層流滲透空間)和大孔(>1000 nm，構(gòu)成強(qiáng)烈的層流滲透區(qū)間)[10-11]。

煤比表面積的大小取決于煤中微孔的體積，它們呈正相關(guān)；煤對CH4的吸附能力與總比表面積、微孔比表面積也呈正相關(guān)[12]；部分學(xué)者通過研究表明煤的變質(zhì)程度對小孔、納米級孔的比表面積和總比表面積影響較大，對微孔的比表面積影響最大，并且由于煤中瓦斯吸附和擴(kuò)散主要發(fā)生在納米級孔中，而且納米級孔的比表面積是吸附甲烷的主要載體，其比表面積越大，能夠吸附的甲烷就越多[13]，所以不同變質(zhì)程度煤的瓦斯吸附能力會(huì)存在較大差別，進(jìn)而會(huì)影響煤的瓦斯放散速度的大小。

在煤的孔徑測試中，最為常用的是壓汞法，本次試驗(yàn)采用的是美國康塔PoreMaster—60型全自動(dòng)壓汞儀對所選取煤樣的孔徑進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。然后分別將煤的微孔比表面積和對應(yīng)的瓦斯放散初速度在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，以微孔比表面積為橫坐標(biāo)，瓦斯放散初速度為縱坐標(biāo)，利用Origin進(jìn)行擬合，可得結(jié)果見圖3。由擬合曲線可知，煤的微孔比表面積與瓦斯放散初速度之間存在線性關(guān)系，

Δp=5.48Sw-22.20(R2=0.7660)

式中Sw為微孔比表面積，m2·g-1。

由擬合曲線和公式可以看出，瓦斯放散初速度隨微孔比表面積的增加而增大，造成瓦斯放散初速度增大的根本原因是微孔比表面積的增加增大了煤樣的瓦斯吸附量。這是因?yàn)槲⒖椎膬?nèi)表面是煤吸附瓦斯的主要載體，其比表面積越大，提供的瓦斯吸附位越多，能夠吸附的瓦斯量也就越多。

表3 煤的比表面積分布

圖3 微孔比表面積與瓦斯放散初速度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1) 煤的變質(zhì)程度越高，瓦斯放散初速度越大，變質(zhì)程度越低，瓦斯放散初速度越小。瓦斯放散初速度隨揮發(fā)分的增加較好的服從指數(shù)式減小。

(2) 壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤的瓦斯放散初速度隨著微孔比表面積的增加呈線性增加的趨勢，即微孔比表面積越大，瓦斯放散初速度越大。

(3) 微孔比表面積的大小之所以會(huì)影響煤的瓦斯放散初速度，根本原因是其影響了瓦斯的吸附量，因?yàn)槲⒖椎膬?nèi)表面是瓦斯吸附的主要載體。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(△P)測定方法[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[3] 陳向軍，程遠(yuǎn)平，王林.水分對不同煤階煤瓦斯放散初速度的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(12)：62-65.

[4] 李曉偉，蔣承林.溫度對瓦斯放散初速度測定的影響研究[J].煤礦安全，2009(1)：1-3.

[5] 李建樓.聲波作用下煤體瓦斯解吸與放散特征研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2010.

[6] 李成武，雷東記.靜電場對煤放散瓦斯特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(6)：962-966.

[7] 李一波，鄭萬成，王鳳雙.煤樣粒徑對吸附常數(shù)及瓦斯放散初速度的影響[J].煤礦安全，2013，44(1)：5-8.

[8] 劉軍，王兆豐.煤變質(zhì)程度對瓦斯放散初速度的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，32(6)：745-748.

[9] 王月紅，李靖，張九零.采用主成分分析法的孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯擴(kuò)散[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，33(11)：1457-1460.

[10] 肖知國.煤層注水抑制瓦斯解吸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用[D].焦作：河南理工大學(xué)，2010.

[11] 孟召平，劉珊珊，王保玉，等.不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附性能及其孔隙結(jié)構(gòu)特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(8)：1865-1870.

[12] 鐘玲文，張慧，員爭榮，等.煤的比表面積、孔體積及其對煤吸附能力的影響[J].煤田地質(zhì)與勘探，2002，30(3)：26-29.

[13] 陳向軍，劉軍，王林，等.不同變質(zhì)程度煤的孔徑分布及其對吸附常數(shù)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(2)：294-300.

Experimental Study on Gas Diffusion Characteristic of Different Metamorphic Grade of Coal

CHEN Xue-xi,ZHANG Kai,ZHANG Liang,JI Dan-ni

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to study the influence of metamorphic grade of coal on gas diffusion characteristic,this study adopted the on-site coal sampling coupled with lab testing and initial velocity of gas diffusion and pore diameter distribution were tested.The results show that the metamorphic grade of coal is higher,the initial velocity of gas diffusion is bigger.The initial velocity of gas diffusion would be decreased with the reduction of coal metamorphic grade in index.The metamorphic grade of coal is higher,the specific surface area of micropore is bigger.The initial velocity of gas diffusion has linear increasing trend along with the increase of coal metamorphic grade.The fundamental cause is that the increase of micropore’s specific surface area is provide more adsorption sites for gas adsorption and it increase the adsorbed quantity of gas.

metamorphic grade; coal volatile; initial velocity of gas diffusion; specific surface area of micropore

2016-06-18

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142015020,3142015134,3142015135)。

陳學(xué)習(xí)(1972-)，男，江蘇邳州人，博士，教授，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副院長，研究方向：煤礦瓦斯治理。E-mail：xuexichen1210@163.com

TD823

A

1672-7169(2016)05-0001-04