戴世鑫 于文龍 劉文強(qiáng) 吳運(yùn)杰 魏 芳 廖建平

(1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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湖南典型煤體瓦斯放散初速度規(guī)律研究★

戴世鑫1，2于文龍2劉文強(qiáng)2吳運(yùn)杰2魏 芳2廖建平2

(1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

通過實(shí)驗(yàn)，研究了郴耒煤田和漣邵煤田的煤樣吸附壓力對(duì)瓦斯放散初速度的影響，實(shí)驗(yàn)過程中保持溫度不變，調(diào)整吸附的瓦斯壓力，測(cè)定瓦斯放散初速度，指出瓦斯放散初速度是判斷瓦斯突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)之一，在瓦斯放散的過程中，瓦斯放散量與時(shí)間并不成正比，而是存在一定的突變現(xiàn)象，掌握好瓦斯放散的時(shí)間點(diǎn)對(duì)有效預(yù)防瓦斯突出有重要的意義。

瓦斯，煤田，煤樣，放散初速度

0 引言

湖南地區(qū)礦井多為高瓦斯或瓦斯突出礦井，煤礦瓦斯災(zāi)害非常嚴(yán)重。湖南省煤礦總數(shù)約為990個(gè)，其中高瓦斯與瓦斯突出礦井占湖南省煤礦總數(shù)的2/5，約為400多處，絕大多數(shù)處于高瓦斯富集區(qū)域的湘中漣邵煤田和湘東南郴耒煤田，主要分布于郴州、衡陽(yáng)、婁底和邵陽(yáng)[1]。礦井瓦斯對(duì)湖南省煤礦的安全生產(chǎn)具有很大影響，是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

瓦斯放散初速度是煤質(zhì)指標(biāo)之一，表征了煤的微觀結(jié)構(gòu)。它反映了煤放散瓦斯的能力和瓦斯?jié)B透、流動(dòng)的規(guī)律,在預(yù)測(cè)防范瓦斯突出中起著非常重要的作用[2]。但國(guó)內(nèi)針對(duì)煤體瓦斯放散初速度規(guī)律研究較少，為此有針對(duì)性開展了湖南典型煤體瓦斯放散初速度的影響研究。

1 研究區(qū)域

1.1 郴耒煤田地質(zhì)背景

郴耒煤田作為華夏臺(tái)隆北西的一部分，地處南華準(zhǔn)地臺(tái)贛湘桂上古臺(tái)坳南東[3]。煤田面積約為19 500 km2，主要由郴州和耒陽(yáng)的煤礦組成，郴耒煤田是湖南省重要的煤炭基地，其煤炭?jī)?chǔ)量占全省已探明煤炭?jī)?chǔ)量的1/3，約為11.79億t[4]。該煤田包含三個(gè)主要含煤地層，分別為：石炭系下統(tǒng)的測(cè)水煤組地層、二疊系上統(tǒng)龍沄組地層、上三疊統(tǒng)—下侏羅系地層[5]。二疊系龍沄組地層中含煤最多，且煤質(zhì)較好，具有較好的開采價(jià)值。

1.2 漣邵煤田背景

漣邵煤田位于湘中地區(qū)，主要由邵陽(yáng)和婁底的煤礦組成，區(qū)內(nèi)多為丘陵、低山地貌[6]。煤田面積約為4 602.14 km2，以白馬山—龍山為界，將漣邵煤田劃分為北部漣源與南部邵陽(yáng)兩個(gè)含煤區(qū)[7]。漣邵煤田的地層主要由寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、古近系、新近系和第四系組成。該區(qū)大多數(shù)煤層主要位于早石炭世測(cè)水煤系地層中，開采價(jià)值大[8]。

2 實(shí)驗(yàn)研究

煤樣取自湖南的郴耒煤田與漣邵煤田，首先經(jīng)過1.5 h真空干燥，保證煤樣的水分相同。然后再按《煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(Δp)測(cè)定方法》規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中保持溫度不變，調(diào)整吸附的瓦斯壓力測(cè)定瓦斯放散初速度Δp[9]。

2.1 采樣

采樣與制樣：首先在郴耒煤田和漣邵煤田分別選取具有代表性的煤層，采取塊度為10 cm左右的煤樣兩塊。煤樣采取后及時(shí)用塑料帶包嚴(yán)并浸蠟封固以免風(fēng)化[10]；然后在煤樣上貼好標(biāo)簽，分別為：煤樣1(郴耒煤礦)采自二疊系，煤樣2(漣邵煤樣)采自石炭系，見表1，表2。

表1 郴耒煤樣

表2 漣邵煤樣

2.2 煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(Δp)測(cè)定

利用0.2 mm～0.25 mm煤樣粒度的煤樣在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Δp(mmHg)表示的10 s～60 s時(shí)間內(nèi)釋放出瓦斯量指標(biāo)[11]，此次實(shí)驗(yàn)采用的是等容變壓式，結(jié)構(gòu)見圖1。

等容變壓式儀器測(cè)定步驟：

1)關(guān)閉閥門8和閥門9，打開閥門2，利用真空泵將固定空間氣體抽出，見圖1；2)關(guān)閉真空泵，關(guān)閉閥門2，打開閥門8，使試固定空間與樣瓶連通，并啟動(dòng)放散速度測(cè)定儀，利用其計(jì)時(shí)器與壓力傳感器記錄數(shù)據(jù)[9]。10 s時(shí)關(guān)閉閥門8，讀取固定空間壓力H1(mmHg)，45 s時(shí)再次打開閥門8，60 s時(shí)關(guān)閉閥8，再記錄固定空間壓力H2(mmHg)。最后根據(jù)測(cè)定的H1，H2，式(1)換算成以mmHg為單位的Δp值：

(1)

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

瓦斯放散初速度指標(biāo)(Δp)測(cè)定表見表3，瓦斯放散量曲線見圖2。

表3 瓦斯放散初速度指標(biāo)(Δp)測(cè)定表

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)通過以上兩組實(shí)驗(yàn)分別得出了郴耒煤樣1和漣邵煤樣2的瓦斯放散量變化曲線，以及兩組煤樣的放散初速度Δp1=8.469 mL/s，Δp2=14.146 mL/s。根據(jù)瓦斯放散初速度實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)放散初速度大于10 mL/s時(shí)，該煤礦瓦斯有突出的危險(xiǎn)，所以郴耒煤礦開采處于比較安全的狀態(tài)，沒有瓦斯突出的危險(xiǎn)；漣邵煤礦的瓦斯放散初速度明顯大于10 mL/s，有瓦斯突出的危險(xiǎn)，需要及時(shí)做防治相關(guān)的措施。

2)通過以上曲線可以看出，在前10 s放散量明顯變化較大，在10 s～45 s放散量曲線趨于平緩，變化不明顯；但在45 s時(shí)刻有明顯的向上突變現(xiàn)象，瓦斯放散量急劇增加，隨后放散量增加較小，曲線上升比較緩慢。

3 結(jié)語

根據(jù)瓦斯放散初速度實(shí)驗(yàn)得出郴耒煤礦發(fā)生瓦斯突出的可能性較小，而漣邵煤礦發(fā)生瓦斯突出的可能性較大，而在瓦斯放散的過程中，瓦斯放散量與時(shí)間并不成正比，而是存在一定的突變現(xiàn)象，掌握好瓦斯放散的時(shí)間點(diǎn)對(duì)我們有效預(yù)防瓦斯突出有重要的意義。

需要說明的是，由于突出機(jī)理的理論研究還不夠深入，在瓦斯放散初速度機(jī)理上預(yù)測(cè)煤礦煤與瓦斯突出待在今后的科研工作中需要進(jìn)行深入研究和論證，以便間接找出瓦斯放散初速度反映突出規(guī)律的線索。

[1] 宋元明,黃盛初,李榮欣.湖南省煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀、問題與對(duì)策[J].中國(guó)煤炭，2009，11(35):167-173.

[2] 趙 軍.湖南省煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀與整治對(duì)策[J].江西煤炭科技，2009(3):17-19.

[3] 陶小華,顏淼奇,劉 軍.湖南郴耒煤田白沙礦區(qū)構(gòu)造特征及找煤意義[J].低碳世界,2013(5):78-80.

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[8] 陳建明.湖南漣邵煤田北段西部斷裂帶構(gòu)造特征[Z].2006.

[9] AQ 1080—2009，煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(Δp)測(cè)定方法[S].

[10] GB/T 482—2008，煤層煤樣采取方法[S].

[11] 尹光志,李小雙,趙洪寶.瓦斯壓力對(duì)突出煤瓦斯?jié)B流影響試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(4)：72-73.

Study on the law of initial speed of methane diffusion based on typical coal in Hunan★

Dai Shixin1,2Yu Wenlong2Liu Wenqiang2Wu Yunjie2Wei Fang2Liao Jianping2

(1.HunanProvinceKeyLaboratoryofCoalResourcesClean-UtilizationandMineEnvironmentProtection，HunanScienceandTechnologyUniversity，Xiangtan411201,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HunanScienceandTechnologyUniversity，Xiangtan411201,China)

The research focus on the effect of absorbent pressure of coal samples in Chenlei coal field and Lianshao coal field on the initial speed of mash gas diffusion. In order to measure the initial speed of mash gas diffusion, the temperature remains stable, and absorbent mash gas pressure should be adjusted. The result shows that the initial speed of mash gas diffusion is one of the key index to judge whether the mash gas is dangerous or not. During the mash gas diffusion process, the amount of mash gas diffusion is not in proportion to time, but a certain abrupt change. It is of great importance for us to grasp the accurate time of mash gas diffusion.

mash gas, coal field, coal sample, initial speed of mash gas

1009-6825(2016)11-0057-03

2016-02-01

戴世鑫(1983- )，男，講師

TD712

A

★：湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201410534003)；湖南教育廳科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：13C312)；湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(項(xiàng)目編號(hào)：E21421)；湖南科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金(項(xiàng)目編號(hào)：E51390)