趙志法

(貴州水城礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

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瓦斯放散初速度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定影響因素探析

趙志法

(貴州水城礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

瓦斯放散初速度作為煤礦突出危險(xiǎn)性鑒定的重要指標(biāo)之一，其測(cè)定的準(zhǔn)確程度將直接影響到礦井突出危險(xiǎn)性的鑒定結(jié)果。為了保證瓦斯放散初速度測(cè)定的準(zhǔn)確性，對(duì)溫度、壓力、煤樣水分含量等對(duì)瓦斯放散初速度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的修正措施，減小了瓦斯放散初速度測(cè)定的誤差，保證了礦井合理的防突投入及安全高效生產(chǎn)。

瓦斯放散初速度壓力溫度水分含量

煤與瓦斯突出指的是煤礦掘進(jìn)過(guò)程中，在一定條件下煤與瓦斯突然間噴出的一種動(dòng)力現(xiàn)象[1],嚴(yán)重的會(huì)引起瓦斯爆炸，造成群死群傷，損壞礦井井下設(shè)備及礦井安全生產(chǎn)。我國(guó)目前煤層突出危險(xiǎn)性鑒定主要采用單項(xiàng)指標(biāo)法，即瓦斯壓力、煤層破壞類型、瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)，其中瓦斯放散初速度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定時(shí)會(huì)受到多方面因素的影響，主要包括實(shí)驗(yàn)溫度，壓力，煤樣的含水率等，該參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性將直接影響到煤層突出危險(xiǎn)性鑒定的結(jié)果。為避免礦井不合理的防突投入以及不安全的生產(chǎn)行為，確保突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定瓦斯放散初速度時(shí)的影響因素進(jìn)行了初步探析，并提出了相應(yīng)的修正措施。

1　實(shí)驗(yàn)原理

3.5g粒度在0.2～0.25mm的煤樣，在0.1MPa的壓力條件下，60s與10s時(shí)的解析量差值，即為瓦斯放散初速度。根據(jù)《瓦斯等級(jí)鑒定暫行辦法》，瓦斯放散初速度臨界值為10mmHg，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(cè)定儀原理

2　實(shí)驗(yàn)影響因素分析

2.1溫度

李曉偉等對(duì)不同溫度下煤樣的瓦斯放散初速度進(jìn)行了測(cè)定[2]，研究發(fā)現(xiàn)瓦斯放散初速度和溫度差值存在二次項(xiàng)關(guān)系，且溫度越高瓦斯放散初速度越小。根據(jù)AQ1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(ΔP)測(cè)定方法》，其中未對(duì)瓦斯放散初速度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定溫度統(tǒng)一規(guī)定，且一天之中氣溫變化在10 ℃左右，如果實(shí)驗(yàn)室是開(kāi)放性的，那么溫度的變化就會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定的不準(zhǔn)確。

溫度對(duì)瓦斯放散初速度測(cè)定的影響主要包括兩個(gè)方面：在受限空間內(nèi)氣體本身受到溫度變化的影響引起的壓力變化；煤體本身吸附氣體受溫度影響，由于煤是多孔介質(zhì)，煤基質(zhì)內(nèi)部具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，是一種天然吸附劑，瓦斯主要吸附在微孔隙內(nèi)，隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)能力增加，克服阻力進(jìn)入到游離態(tài)。研究顯示，氣溫每升高一度，甲烷在煤體內(nèi)的吸附量減少8%。所以，實(shí)驗(yàn)室溫度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定的不準(zhǔn)確。

為避免溫度變化引起的測(cè)量誤差，建議實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯放散初速度測(cè)定前，關(guān)閉門(mén)窗，將實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)至原煤取樣地點(diǎn)的溫度，待溫度恒定以后再進(jìn)行測(cè)定，既可以排除溫度波動(dòng)引起的誤差，也可以保證測(cè)定溫度和現(xiàn)場(chǎng)溫度的同一性，使突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2煤樣水分含量

為了防塵，煤礦開(kāi)采前一般會(huì)預(yù)先對(duì)煤層進(jìn)行注水處理[2-3]，同時(shí)部分突出煤層在開(kāi)采前會(huì)預(yù)先采取水力化消突措施[4-6]，使煤層中含有大量的水，且煤層各處含水量會(huì)因距離注水孔的遠(yuǎn)近而呈現(xiàn)出差異，直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所取煤樣的含水量存在較大差別[7-8]。甲烷在煤體中吸附量的決定性因素是微孔的數(shù)量、大小和分布特性，從吸附化學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，水分子具有明顯的極性，比甲烷更容易被煤體吸附[9]。首先水分子在煤體裂隙和大孔徑中運(yùn)移，由擴(kuò)散作用和毛細(xì)作用進(jìn)入煤體的微孔隙中，以多分子層的形式與煤體表面牢固結(jié)合[10]。水分子的存在會(huì)影響甲烷的吸附量，因?yàn)樗肿优c煤基質(zhì)表面具有很強(qiáng)的作用力，水分主要從以下幾個(gè)方面影響甲烷在煤體中的吸附[11]：①部分游離態(tài)水分子由于潤(rùn)濕作用占據(jù)了甲烷分子的吸附位，使得甲烷在煤體表面的吸附量降低；②水分子具有一定的蒸汽壓，游離于煤炭孔隙中的水分子會(huì)與甲烷分析競(jìng)爭(zhēng)吸附，由于水分子更加容易被煤體吸收，從而導(dǎo)致了煤體中甲烷的含量降低；③水分子阻塞了甲烷分子進(jìn)入微孔隙的通道，而微孔的表面是甲烷吸附的主要場(chǎng)所。在煤體的微孔隙中水分子產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象，形成毛細(xì)阻力，使煤中甲烷難以被微孔隙內(nèi)表面吸附，從而降低了甲烷的吸附量。

為了保證瓦斯放散初速測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，排除水分對(duì)突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果的影響，煤樣在實(shí)驗(yàn)前均采用干燥箱烘干處理，并將干燥箱溫度與井下溫度調(diào)整一致，煤樣在干燥箱中干燥一周后進(jìn)行測(cè)定。既可以使外在的水分完全干燥，又不至于因?yàn)楦稍餃囟冗^(guò)高導(dǎo)致煤樣的含水率低于原煤自然含水率。

2.3壓力

研究表明，甲烷在煤體中的吸附符合朗格繆爾吸附方程，同時(shí)，甲烷在煤體內(nèi)的擴(kuò)散符合菲克擴(kuò)散定律，按照理論公式進(jìn)行推導(dǎo)，便可以得到瓦斯放散初速度：

(1)

式中,D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；a為極限吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)；P為吸附壓力，MPa；x為距顆粒中心的距離，m。

由式(1)可以看出,瓦斯放散初速度的測(cè)定會(huì)受到充氣壓力的影響。就同一種煤樣而言，充氣壓力越低其測(cè)定值越小，充氣壓力越高測(cè)定值也就越大。瓦斯放散初速度測(cè)定儀使用時(shí)大都是在當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫l件下充氣，而真空泵在一定情況下負(fù)壓基本上為定值，在保證實(shí)驗(yàn)室測(cè)定溫度不變的前提下，大氣壓力會(huì)直接影響到瓦斯放散初速度的測(cè)定值。

目前我國(guó)測(cè)定瓦斯放散初速度的儀器多數(shù)是在當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο逻M(jìn)行充氣測(cè)定的，然而，大氣壓力會(huì)因海拔高低和氣溫高低而發(fā)生一定的變化，海拔高的區(qū)域大氣壓力會(huì)低于海拔低的區(qū)域，就算同一地區(qū)大氣壓力，夏季與冬季也會(huì)出現(xiàn)差異性，導(dǎo)致同一煤樣在不同地區(qū)、不同季節(jié)測(cè)定的差異性。因此，為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，規(guī)定實(shí)驗(yàn)室測(cè)定瓦斯放散初速度時(shí)要通過(guò)空盒氣壓表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的壓力，并采用穩(wěn)壓裝置保證實(shí)驗(yàn)在規(guī)定壓力0.1MPa的大氣壓下測(cè)定。

2.4其他因素

人為因素和其他的一些相關(guān)因素也會(huì)影響到瓦斯放散初速度測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。比如，制樣過(guò)程中如果煤樣中摻入了煤矸石就會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏小，因?yàn)轫肥目紫栋l(fā)育比煤要小的多，放散能力很差。同時(shí)，為了防止煤粉被吸入管道中，一般用脫脂棉塞在煤樣上面，塞入量的多少會(huì)影響吸附空間的大小，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)定的結(jié)果有所差別，這也就是平行實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的2個(gè)或者3個(gè)結(jié)果不同的原因。

為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在選煤樣時(shí)應(yīng)該排除矸石等其他雜質(zhì)的影響，棉花團(tuán)的塞入也要注意盡量保持一致，稱量時(shí)保證天平調(diào)平歸零，不要散落煤粉，確保煤樣罐中裝入實(shí)驗(yàn)煤粉量為3.5g。

3　結(jié)　論

(1)通過(guò)研究分析，瓦斯放散初速度的測(cè)定過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室溫度、大氣壓力、煤樣水分含量和人為因素等均會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2)為了確保瓦斯放散初速度測(cè)定的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定過(guò)程中，應(yīng)盡量避免人為因素和操作因素的影響，保證實(shí)驗(yàn)溫度、煤樣水分含量與井下條件一致，并采用穩(wěn)壓裝置保證充氣壓力為0.1MPa。

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AnalysisoftheInfluenceFactorsofGasRadiationInitialVelocitybyLaboratoryMeasurement

ZhaoZhifa

(GuizhouShuichengCoalMiningGroupCo.,Ltd.)

Thegasradiationinitialvelocityisastheoneoftheimportantparametersoftheevaluationofcoalminegasoutburst,theevaluationresultsofminegasoutburstisaffecteddirectlybythemeasurementaccuracyofgasradiationinitialvelocity.Inordertoensurethemeasuementofgasradiationinitialvelocitywithhighprecision,theinfluenceoftemperature,pressureandmoisturecontentsofcoalsamplestothemeasurementresultsofgasradiationinitialvelocityinlaboratoryisanalyzed,andthecorrespondingcorrectivemeasuresisputforwardtoreducethemeasurementerrorofgasradiationinitialvelocity,therefore,thereasonablegasoutburstpreventionincoalmineandsafetyandefficientproductionareensured.

Gasradiationinitialvelocity,Pressure,Temperature,Moisturecontents

2016-03-22)

趙志法(1962—)，男，工程師，553000 貴州省六盤(pán)水市鐘山區(qū)開(kāi)拓路16號(hào)。