張逸斌，齊慶杰，張浪，張慧杰，王維華

( 1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000；3. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；4. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

0 引言

煤體結(jié)構(gòu)類型可分為構(gòu)造煤與原生煤。構(gòu)造煤是原生煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的具有新的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征的變形煤[1]，其按破壞程度的不同表現(xiàn)為破裂狀、碎裂狀、顆粒狀和粉末狀等狀態(tài)，并且呈現(xiàn)出層理紊亂、煤質(zhì)松軟、鏡面發(fā)育、孔隙率高，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞或完全消失[2]的特點(diǎn)。前人研究指出：與原生煤相比，構(gòu)造煤瓦斯解吸初速度更大，其瓦斯解吸量是一條遞增的分段性曲線，隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出快速解吸段、緩慢解吸段和平穩(wěn)解吸段，但瓦斯吸附速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的狀態(tài)。在吸附初期，構(gòu)造煤的瓦斯吸附速率最快，因此構(gòu)造煤在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸附平衡，吸附效率更高[3-4]。目前大多數(shù)人認(rèn)為瓦斯在煤體中的流動(dòng)符合菲克定律[5-9]。關(guān)于瓦斯解吸與放散規(guī)律，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了包括文特式、巴雷爾式[10]、烏斯基諾夫式[11]、孫重旭式[12]、王佑安式[13]、艾黎式、博特式等多種瓦斯解吸規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式，但是由于煤體結(jié)構(gòu)不同，所表現(xiàn)出的解吸規(guī)律往往有所差異。本文采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，分別對(duì)原生煤與構(gòu)造煤在恒溫下進(jìn)行不同吸附壓力下的瓦斯吸附/解吸與放散規(guī)律試驗(yàn)，最終擬合得到寺家莊礦15#煤層不同煤體結(jié)構(gòu)的瓦斯放散特征函數(shù)，研究成果對(duì)于指導(dǎo)煤與瓦斯突出災(zāi)害防治以及煤層氣資源的開發(fā)與利用具有至關(guān)重要的意義。

1 現(xiàn)場概況及煤樣采集

1.1 煤與瓦斯突出資料統(tǒng)計(jì)

寺家莊公司為典型高突礦井，15#煤層為煤與瓦斯突出煤層，據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2005年建井至今在尚未投產(chǎn)條件下已累計(jì)發(fā)生大小突出近40次，其中突出和動(dòng)力現(xiàn)象大多數(shù)發(fā)生在南區(qū)，其次為北區(qū)，中央?yún)^(qū)相對(duì)較少，煤層始突埋深408 m(標(biāo)高+536 m)。收集、統(tǒng)計(jì)寺家莊公司有明確記錄的典型煤與瓦斯突出事故資料，在近年來發(fā)生過的突出事故中，存在斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的案例有7次，無不反映了地質(zhì)構(gòu)造與煤與瓦斯突出的產(chǎn)生存在著密切的聯(lián)系。

1.2 煤樣采集

選取15#煤層典型地點(diǎn)采集煤樣5組，煤樣信息見表1。

表1 寺家莊15#煤層煤樣采集資料匯總Table 1 Summary of coal sample collection at No.15 coal seam in Sijiazhuang

2 瓦斯吸附-解吸規(guī)律研究

2.1 等溫吸附解吸試驗(yàn)

采用美國康塔公司iSorbHP2高壓吸附儀，在室溫20℃條件下進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，

選取煤樣粒徑為0.2～0.25 mm，實(shí)驗(yàn)前樣品在真空干燥箱中干燥24 h。

煤對(duì)瓦斯的吸附作用采用單分子層吸附理論描述，吸附過程符合Langmuir方程：

V=VLp/(pL+p)

(1)

式中：VL為蘭氏體積，指煤體中瓦斯的最大吸附量；PL為蘭氏壓力，指瓦斯吸附量達(dá)到蘭氏體積一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的平衡壓力。蘭氏體積代表了煤對(duì)瓦斯的吸附能力，是煤的瓦斯吸附特性的重要指標(biāo)之一[14]。

Langmuir方程也常以下面的形式出現(xiàn)：

V=abp/(1+bp)

(2)

式中：V為瓦斯吸附量；P為吸附平衡壓力；a，b為吸附常數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于公式(1)～(2)，針對(duì)SJZ-1～SJZ-5煤樣進(jìn)行瓦斯吸附解吸試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，得到吸附常數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 寺家莊煤樣吸附解吸試驗(yàn)分析結(jié)果Table 2 Results of analysis on adsorption and desorption of coal samples in Sijiazhuang

吸附常數(shù)是考察吸附解吸能力至關(guān)重要的表征參數(shù)，吸附常數(shù)a值即壓力趨于極限時(shí)的飽和吸附量，b值為吸附量隨壓力變化的速率。由上表可知，構(gòu)造煤吸附量稍大于原生煤，構(gòu)造煤較原生煤a，b值分別提升6.3%，21%。

3 瓦斯放散規(guī)律研究

3.1 恒溫瓦斯放散試驗(yàn)

選取已采集的典型煤樣，按照《煤樣的制備方法》GB474規(guī)定，篩分出粒度為1～3 mm的煤樣。實(shí)驗(yàn)室分別研究0.5，0.75，1.0，1.5 MPa平衡壓力條件下120 min內(nèi)寺家莊礦2組煤樣的瓦斯解吸量與時(shí)間的關(guān)系，按照公式(3)將120 min內(nèi)的解吸量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。

(3)

式中：Qt指瓦斯解吸量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，mL；Q′t指實(shí)測(cè)瓦斯解吸總量，mL；tw為室溫，℃；Patm為大氣壓力，Pa；hw指解吸儀內(nèi)液柱高度，mm；P0指室溫飽和水蒸氣壓力，Pa[15]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)不同吸附壓力下的瓦斯放散特征

分別選取寺家莊15#煤層采取的典型煤樣SJZ-1原生煤與SJZ-4構(gòu)造煤進(jìn)行不同平衡壓力下的恒溫瓦斯放散試驗(yàn)，瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果見圖1～2。

圖1 寺家莊礦原生煤煤樣(SJZ-1)的恒溫瓦斯放散試驗(yàn)結(jié)果Figure.1 Results of thermostatic gas emission test of the primary coal sample(SJZ-1)from Sijiazhuang mine

由寺家莊15#煤層不同煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的瓦斯解吸過程得出：隨著時(shí)間的推移，瓦斯累積解吸量與平衡瓦斯壓力呈正相關(guān)趨勢(shì)；初始時(shí)刻解吸曲線斜率最大且隨時(shí)間呈遞減趨勢(shì)，其大小取決于吸附常數(shù)。這種現(xiàn)象說明：煤對(duì)瓦斯的吸附作用隨壓力增大而增大；瓦斯解吸量、解吸速度與吸附壓力呈正比關(guān)系；瓦斯解吸速度隨著時(shí)間的推移逐漸減??；構(gòu)造煤與原生煤的瓦斯放散曲線有較大差異，尤其體現(xiàn)在瓦斯放散初期，構(gòu)造煤瓦斯放散速度更大，就達(dá)到極限解吸量所需時(shí)間而言，構(gòu)造煤所需時(shí)間更短。

圖2 寺家莊礦構(gòu)造煤煤樣(SJZ-4)的恒溫瓦斯放散試驗(yàn)結(jié)果Figure.2 Result of thermostatic gas emission test of coal sample(SJZ-4)from Sijiazhuang mine

2)瓦斯放散擬合公式研究

為了尋求適用于寺家莊礦15#煤層不同煤體結(jié)構(gòu)的解吸規(guī)律公式，分別采用烏斯基諾夫式、巴雷爾式、孫重旭式、對(duì)數(shù)公式4種方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室不同吸附壓力下的解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，公式匯總結(jié)果見表3。

表3 瓦斯解吸規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式匯總Table 3 Summary of experience formulas for gas desorption

為了比較各公式的擬合效果，實(shí)驗(yàn)選用寺家莊礦15#煤層典型煤樣SJZ-1原生煤和SJZ-4構(gòu)造煤，針對(duì)不同吸附壓力進(jìn)行擬合測(cè)試。擬合過程如圖3～8所示，各擬合公式的擬合度在圖例中標(biāo)出，最終選出適用于寺家莊礦15#煤層不同煤體結(jié)構(gòu)的擬合公式。

圖3 寺家莊礦15號(hào)煤層原生煤(SJZ-1)瓦斯放散擬合公式(0.5MPa)Fig.3 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (0.5MPa)

圖4 寺家莊礦15號(hào)煤層原生煤(SJZ-1)瓦斯放散擬合公式(1.0MPa)Fig.4 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (1.0MPa)

圖5 寺家莊礦15號(hào)煤層原生煤(SJZ-1)瓦斯放散擬合公式(1.5MPa)Fig.5 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (1.5MPa)

圖6 寺家莊礦15號(hào)煤層構(gòu)造煤(SJZ-4)瓦斯放散擬合公式(0.5 MPa)Fig.6 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (0.5 MPa)

圖7 寺家莊礦15號(hào)煤層構(gòu)造煤(SJZ-4)瓦斯放散擬合公式(1.0 MPa)Fig.7 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (1.0 MPa)

圖8 寺家莊礦15號(hào)煤層構(gòu)造煤(SJZ-4)瓦斯放散擬合公式(1.5 MPa)Fig.8 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (1.5 MPa)

觀察圖3～5可知，巴雷爾公式、對(duì)數(shù)公式能夠較準(zhǔn)確的表達(dá)原生煤長時(shí)間(120 min)內(nèi)的解吸特性，但對(duì)于構(gòu)造煤的表達(dá)有較大誤差。相比較，孫重旭式及烏斯基諾夫式對(duì)構(gòu)造煤和原生煤解吸曲線擬合均取得了較高的相似系數(shù)，擬合效果較好。

由圖3～8可以看出：利用烏斯基諾夫式、孫重旭式對(duì)不同煤體結(jié)構(gòu)120 min內(nèi)解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，孫重旭式、烏斯基諾夫式分別對(duì)應(yīng)原生煤與構(gòu)造煤時(shí)所得指數(shù)最接近1，說明寺家莊礦15#煤層原生煤瓦斯放散特性利用孫重旭式能夠準(zhǔn)確擬合，該式可作為其原生煤瓦斯放散特征函數(shù)；構(gòu)造煤瓦斯放散特性利用烏斯基諾夫式擬合程度最高，該式可作為其構(gòu)造煤瓦斯放散特征函數(shù)。

4 結(jié)論

1)等溫吸附解吸試驗(yàn)表明構(gòu)造煤吸附量稍大于原生結(jié)構(gòu)煤，吸附常數(shù)a值較原生煤提高6.3%左右，b值較原生煤提高21%左右。

2)高壓力吸附平衡條件下，煤樣對(duì)瓦斯的吸附作用更強(qiáng)，吸附壓力與瓦斯解吸量、解吸速度成正相關(guān)關(guān)系，構(gòu)造煤與原生煤的瓦斯放散曲線有較大差異，尤其體現(xiàn)于瓦斯放散初期，構(gòu)造煤瓦斯放散速度更大，就達(dá)到極限解吸量所需時(shí)間而言，構(gòu)造煤所需時(shí)間更短。

3)孫重旭式對(duì)該礦原生煤瓦斯放散曲線擬合效果最好，可以作為其原生煤瓦斯放散特征函數(shù)；烏斯基諾夫式對(duì)該礦構(gòu)造煤瓦斯放散曲線擬合程度最高，可以作為其構(gòu)造煤瓦斯放散特征函數(shù)。

[1] 張玉貴. 構(gòu)造煤演化與力化學(xué)作用[D].太原：太原理工大學(xué), 2006.

[2] 李建銘. 煤與瓦斯突出防治技術(shù)手冊(cè)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2006:154-159.

[3] 齊慶杰, 董子文, 孫波, 等. 煤與瓦斯突出綜合預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值的優(yōu)化[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 38(6):15-22.

QI Qingjie, DONG Ziwen, SUN Bo, et al. Optimization of Critical Values of Comprehensive Prediction Indexes for Coal and Gas Outbursts[J]. Journal of Chongqing University, 2015, 38(6):15-22.

[4] 梁潔, 康志勤, 要慧芳. 韓城礦區(qū)構(gòu)造煤瓦斯吸附性能試驗(yàn)研究[J]. 煤礦安全, 2014, 45(12):6-10.

LIANG Jie, KANG Zhiqin, YAO Huifang. Experimental Study on Gas Adsorption Performance of Tectonic Coal in Hancheng Mining Area[J]. Mine Safety, 2014, 45(12):6-10.

[5] 梁冰, 賈立峰, 孫維吉, 等. 粒狀煤和塊狀煤等溫吸附CH4試驗(yàn)研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2017, 13(3):53-57.

LIANG Bing, JIA Lifeng, SUN Weiji, et al. Experimental study on isothermal adsorption of methane by granular coal and lump coal[J]. Journal of Safety Science and Technology , 2017, 13(3):53-57.

[6] 楊其鑾. 關(guān)于煤屑瓦斯放散規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 煤炭安全, 1987(1):9-16.

YANG Qiluan. Experimental Study on the Law of Coal and Gas Dispersion[J]. Coal Safety, 1987(1):9-16.

[7] 何學(xué)秋, 聶百勝. 孔隙氣體在煤層中擴(kuò)散的機(jī)理[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 30(1):1-4.

HE Xueqiu, NIE Baisheng. Mechanism of pore gas diffusion in coal seams[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2001, 30(1):1-4.

[8] 唐巨鵬, 田虎楠, 馬圓. 煤系頁巖瓦斯吸附-解吸特性核磁共振實(shí)驗(yàn)研究[J] .中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2017, 13(6):121-125.

TANG Jupeng, TIAN Hunan, MA Yuan. Experimental Study on Adsorption-desorption Characteristics of Coal-bearing Shale Gas by NMR[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2017, 13(6):121-125.

[9] 聶百勝, 何學(xué)秋, 王恩元. 瓦斯氣體在煤層中的擴(kuò)散機(jī)理及模式[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 10(6):24-28.

NIE Baisheng, HE Xueqiu, WANG Enyuan. Diffusion mechanism and model of gas gas in coal seams[J]. China Safety Science Journal, 2000, 10(6):24-28.

[10] R. M. BARRER. Diffusion in and through Solid[M]. London: Cambridge University Press，1951.

[11] 宋世釗. 煤礦沼氣涌出[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社，1983.

[12] 孫重旭. 煤樣解吸瓦斯泄出的研究及其突出煤層煤樣瓦斯解吸的特點(diǎn)[C]/ /煤與瓦斯突出第三次學(xué)術(shù)論文選集. 重慶: 重慶煤炭研究所，1983.

[13] 王佑安，楊思敬.煤和瓦斯突出煤層的某些特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，1981(1):47-53.

WANG Youan, YANG Sijing. Some features of coal and gas outburst coal seams [J]. Chinese Journal of Coal, 1981(1):47-53.

[14] 張慧杰, 張浪, 汪東, 等. 煤變質(zhì)程度對(duì)瓦斯吸附能力的控制作用[J]. 煤礦安全, 2017, 48(7):5-8.

ZHANG Huijie, ZHANG Lang, WANG Dong, et al. Control effect of coal metamorphism on gas adsorption capacity[J]. Coal Mine Safety, 2017, 48(7):5-8.

[15] 魏遠(yuǎn). 潞安礦區(qū)3#煤層構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯解吸特性研究[D]. 北京: 煤炭科學(xué)研究總院，2016.