孫 銳

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著礦井開采深度的不斷增加，煤層瓦斯壓力、含量增大，煤層松軟、透氣性低，瓦斯治理難度日漸增大[1]。為了提高瓦斯抽采效率，近些年煤礦試驗了各種水力化增透措施來提高煤層透氣性系數(shù)，主要包括水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、水力掏槽等[2]，這些措施執(zhí)行后不同程度地增加了煤層透氣性系數(shù)，瓦斯抽采效果有所提高。煤是裂隙-孔隙介質(zhì)，煤層采用水力化增透措施后水占據(jù)煤體孔隙，并將煤體濕潤，煤層含水率增加。研究表明水分是影響瓦斯吸附和解吸規(guī)律的主要指標之一，文獻[3-5]在實驗室研究了注水煤樣瓦斯解吸特征，認為水分對煤樣瓦斯解吸速度有抑制作用，在相同吸附壓力和解吸時間條件下，煤樣含水率增大，煤樣瓦斯解吸速度降低，瓦斯解吸量越小。

鉆屑瓦斯解吸指標K1值是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的采掘工作面突出危險性預測指標，在突出礦井得到了廣泛的應用，其物理意義是[6]煤樣自暴露開始1min內(nèi)，每克煤樣的瓦斯解吸量，反映了煤樣瓦斯解吸速度衰減的快慢?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求突出礦井應根據(jù)各煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的特點和條件，試驗確定工作面預測的敏感指標和臨界值，并作為判定工作面突出危險性的主要依據(jù)[7]。在考察確定前鉆屑瓦斯解吸指標K1值的臨界值為：干煤樣0.5mL/(g·min1/2)，濕煤樣0.4mL/(g·min1/2)。很顯然同一煤層在不同水分的情況下測試的鉆屑瓦斯解吸指標有所不同，籠統(tǒng)地采用推薦的臨界值不能準確地判斷煤層在不同含水率情況下的突出危險性[8]。目前水分對煤樣瓦斯解吸規(guī)律的研究較多，但少有對含水煤體突出危險性預測指標臨界值進行定量研究，因此研究含水煤體鉆屑瓦斯解吸指標K1值的臨界值具有重要的意義。

新景礦3號煤層為突出煤層，煤層松軟，瓦斯壓力大，透氣性低，為了增加3號煤層透氣性系數(shù)，在3號煤層采取了底抽巷穿層鉆孔和定向順層長鉆孔水力壓裂增透措施。為準確預測水力壓裂后煤體采掘工作面的突出危險性，以3號煤層為研究對象，在實驗室對不同水分煤樣瓦斯解吸規(guī)律進行試驗，對鉆屑瓦斯解吸指標與吸附瓦斯壓力和水分的相關關系進行研究，確定含水煤體鉆屑瓦斯解吸指標K1值的臨界值。

1 實驗室試驗

1.1 煤樣的制備

試驗煤樣取自3號煤層保安分區(qū)3707工作面，在實驗室按照《煤樣制備標準》對煤樣進行粉碎、篩分，制成粒度為1～3mm的煤樣，采用水分測定儀對煤樣進行水分測試，得出試驗煤樣原煤水分為1.50%。

1.2 試驗裝置

為研究水分對煤樣瓦斯解吸規(guī)律的影響，在煤的甲烷吸附量測定方法(MT/T752-1997)實驗裝置的基礎上增加了煤樣注水單元，形成本次試驗裝置，原理圖如圖1所示。試驗裝置由真空脫氣單元、吸附平衡單元、煤樣注水單元、瓦斯解吸測定單元組成。

圖1 試驗裝置原理圖

1.3 試驗方案

1.3.1煤樣脫氣、吸附平衡及注水

將制備好的煤樣分別裝入5個不同的煤樣罐，密封稱重后放置于60℃的恒溫水浴中，將煤樣罐與真空脫氣裝置相連，并啟動脫氣裝置，對試驗裝置進行氣密性檢查，當煤樣罐的復合真空計的壓力顯示為20Pa時停止脫氣。將恒溫水浴溫度調(diào)整到30℃后，將充氣罐與純度為99.9%的高濃度甲烷瓶相連，向充氣罐中充入預計吸附平衡壓力1.3倍左右的甲烷，再將充氣罐與煤樣罐相連，向煤樣罐緩慢充入氣體，使煤樣進行充分吸附并達到平衡，記錄吸附平衡壓力和大氣壓力。啟動平流泵，緩慢向煤樣罐煤樣注入預定的水分，將煤樣罐靜置4h確保水分充分濕潤煤體。

1.3.2 不同水分煤樣瓦斯解吸試驗

將煤樣瓦斯吸附平衡至0.74MPa(相對壓力，下同)，通過平流泵注入不同的水量；先將煤樣罐與一個解吸儀連通，使煤樣罐中游離瓦斯進入該解吸儀，煤樣罐瓦斯壓力降為0時通過旋轉(zhuǎn)三通將煤樣罐與另一個解吸儀連通并進行解吸，記錄每分鐘瓦斯解吸量。

1.3.3 不同水分煤樣K1-p關系試驗

研究表明，鉆屑瓦斯解吸指標K1值與煤層瓦斯壓力存在一定的關系[9-10]，可以較好地擬合成下式：

K1=ApB

(1)

式中：K1為鉆屑瓦斯解吸指標，mL/(g·min1/2)；p為瓦斯壓力，MPa；A、B為待定常數(shù)，0

通過對不同水分煤樣進行吸附平衡至預定的壓力，把煤樣罐與WTC突出參數(shù)測定儀連接，設置到采樣狀態(tài)，打開煤樣罐閥門放氣，同時啟動秒表計時，當秒表計時到2min，將煤樣罐與瓦斯突出參數(shù)儀相通，由參數(shù)儀每隔30s自動測量一個解吸量數(shù)據(jù)，共測量10個數(shù)據(jù)，并記錄這10個數(shù)據(jù)；測量完畢輸入設備參數(shù)，暴露時間2min，確認后儀器自動計算出該平衡壓力下的K1指標并記錄結(jié)果。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同水分煤樣瓦斯解吸曲線規(guī)律分析

為研究水分對3號煤層瓦斯解吸量的影響，在吸附瓦斯壓力0.74MPa的條件下，對不同水分煤樣進行了瓦斯解吸試驗，圖2為0.74MPa下不同水分煤樣瓦斯解吸量隨時間的變化曲線。

圖2 不同水分煤樣瓦斯解吸曲線

由圖2可以看出，不同水分煤樣的瓦斯解吸量隨時間的關系曲線形態(tài)一樣，均為單調(diào)遞增函數(shù)。煤樣水分越高，其瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量越小，這說明水能夠抑制瓦斯的解吸。

2.2 水分對鉆屑瓦斯解吸指標K1值的影響分析

通過試驗，測試了不同水分煤樣在不同吸附壓力下的瓦斯解吸指標K1值，見表1所示。

表1 不同水分、不同瓦斯壓力下K1值測定結(jié)果 mL/(g·mm1/2)

根據(jù)K1-p曲線模型，對表1中不同水分下(p，K1值)數(shù)據(jù)組按照冪指數(shù)函數(shù)K1=ApB進行擬合，得出不同水分煤樣K1-p擬合曲線，見圖3所示；擬合函數(shù)見表2所示。

表2 不同水分煤樣K1-p曲線函數(shù)

由圖3和表2可以看出，瓦斯解吸指標K1值隨瓦斯壓力p值呈冪指數(shù)函數(shù)增大；在一定瓦斯壓力下，煤樣水分越高，瓦斯解吸指標K1值越小。分析不同水分煤樣的K1-p曲線函數(shù)可以看出，隨著煤樣水分增大，K1-p曲線函數(shù)的A值逐漸減小，B值逐漸增大，K1值隨p值增大速度趨于緩慢。

對表1中不同瓦斯壓力條件下(Mad，K1值)數(shù)據(jù)組進行不同曲線函數(shù)的擬合，優(yōu)選出(Mad，K1值)數(shù)據(jù)組擬合曲線和函數(shù)，見圖4和表3所示。

圖4 不同壓力煤樣K1值與Mad擬合曲線圖

表3 不同壓力煤樣K1值與Mad擬合曲線函數(shù)

由圖4和表3可以看出，不同瓦斯壓力下，煤樣瓦斯解吸指標K1值與水分Mad均能夠較好地符合負指數(shù)函數(shù)關系，因此某一具體壓力條件下，煤樣瓦斯解吸指標K1值與水分Mad的關系式為

K1=αeβ·Mad

(2)

式中α、β為待定常數(shù)。

3 含水煤體鉆屑瓦斯解吸指標K1值的臨界值修正

新景礦3號煤層保安分區(qū)3707工作面煤樣原煤水分Mad=1.5%，代入煤樣K1-p曲線公式K1=0.4520p0.5743，計算得出3號煤層瓦斯壓力臨界值(0.74MPa)條件下，K1值為0.38 mL/(g·min1/2)。

由表2得出0.74MPa時，煤樣水分Mad與K1值的擬合函數(shù)K1=0.4355e-0.084Mad，由該式可以計算出水分為0時K1值達到最大；隨著煤樣水分的增大，K1值變小。因此3號煤層采用K1值作為采掘工作面突出危險性預測時，應該將臨界值至少降低到0.43mL/(g·min1/2)，才能準確反映煤層的突出危險性。將水分Mad=1.5%代入該式計算，得出K1值為0.38mL/(g·min1/2)，這與K1-p曲線計算的結(jié)果一致，說明水分Mad與K1值的擬合函數(shù)可靠性較好。

3號煤層采用水力壓裂增透措施后，經(jīng)過取煤樣進行水分測試，3號煤層水分在3.88%～5.14%之間，將水分(3.88,5.41)代入瓦斯壓力臨界值(0.74MPa)的擬合函數(shù)K1=0.4355e-0.084Mad中，可以得出3707工作面采取水力壓裂措施后的鉆屑瓦斯解吸指標K1值的臨界值區(qū)間，為(0.27,0.31)，為防治煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，該工作面采取水力壓裂增透措施后，進行工作面突出危險性預測時，鉆屑瓦斯解吸指標K1的臨界值應該修正為0.27mL/(g·min1/2)。

4 結(jié)論

(1)通過實驗室測試分析表明：不同水分煤樣的瓦斯解吸量隨解吸時間的關系函數(shù)均為單調(diào)遞增函數(shù)；煤樣水分越高，其瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量越小，水分能夠抑制煤樣瓦斯的解吸。

(2)K1值隨p值呈冪指數(shù)函數(shù)增大，煤樣的水分越高，K1值越小；K1值隨水分Mad呈負指數(shù)函數(shù)減小，增加煤樣水分能夠顯著降低煤層鉆屑瓦斯解吸指標值。

(3)研究得出，新景煤礦3707工作面3號煤層瓦斯壓力臨界值0.74MPa條件下的水分Mad與K1值的函數(shù)關系為K1=0.4355e-0.084Mad，通過測試實施水力壓裂措施后3707工作面煤樣的水分，采用水分與K1值關系函數(shù)，得出實施水力壓裂增透措施后，鉆屑瓦斯解吸指標K1值的臨界值應該修正為0.27mL/(g·min1/2)。

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