馬金魁,陳 勇
(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順113122;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順113122;3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037)
煤的解吸特性尤其是解吸特征參數(shù)V1值,在一定程度上反映了煤本身的孔隙特征和破壞程度,而破壞程度和孔隙特征是決定煤是否具有突出危險(xiǎn)性根本因素,煤的瓦斯解吸特性尤其是解吸特征參數(shù)V1值在某種程度上能夠反映煤的突出危險(xiǎn)性;煤中瓦斯解吸速度特征值V1與含量具有很好的線性關(guān)系,可以用來確定煤的瓦斯含量[1-3]。不同學(xué)者從不同的出發(fā)點(diǎn)對(duì)V1值有不同界定[4-7]。在前人研究的基礎(chǔ)上,通過等溫吸附-解吸實(shí)驗(yàn)對(duì)不同變質(zhì)程度非構(gòu)造煤的解吸規(guī)律進(jìn)行研究,從微觀上分析研究各因素對(duì)V1的影響效應(yīng),基于V1值對(duì)影響因素的適用性對(duì)后期煤層瓦斯含量測(cè)定提供基礎(chǔ)。定義煤中瓦斯解吸特征參數(shù)V1值為煤樣脫離煤體后第1 min 的瓦斯解吸速度,cm3/(g·min)[8-10]。
為考察煤變質(zhì)程度對(duì)煤解吸特征參數(shù)V1值的影響效應(yīng),設(shè)計(jì)了不同變質(zhì)程度煤樣在恒定(30±0.5)°C 下等溫吸-附解吸試驗(yàn)。采集焦作九里山礦非構(gòu)造無煙煤(WY)、壽陽新元礦非構(gòu)造貧煤(PM)、義馬礦區(qū)的非構(gòu)造長(zhǎng)焰煤(CY),分別篩選直徑為0.17~0.25 mm、1~3 mm 和自然粒度3 種煤樣,測(cè)試煤樣在瓦斯吸附平衡壓力3、1.7、0.5 MPa 下的解吸 規(guī)律,不同變質(zhì)程度煤樣解吸曲線如圖1。
圖1 不同變質(zhì)程度煤樣解吸曲線
根據(jù)圖1 分析可知:同一煤種的煤樣在溫度、破壞類型和吸附平衡壓力相同的情況下,煤樣粒度越小,最初30 min 的累計(jì)解吸量越大;其他條件都相同,變質(zhì)程度越高,最初30 min 的累計(jì)解吸量越大。
根據(jù)定義:煤中瓦斯解吸特征參數(shù)V1值為煤樣脫離煤體后第1 min 的瓦斯解吸速度,為準(zhǔn)確分析變質(zhì)程度對(duì)瓦斯解吸參數(shù)V1值的影響,以及為了驗(yàn)證根據(jù)V1值推算瓦斯含量的準(zhǔn)確性,進(jìn)行了綜合對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
對(duì)不同時(shí)段內(nèi)(0~3 min、0~5 min、0~8 min、0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~45.5 min)回歸得到的回歸V1值與實(shí)際V1值進(jìn)行比較:0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~44.5 min 4 個(gè)時(shí)段的回歸V1值的相對(duì)誤差平均值在34.28%~70.82%,不能滿足工程應(yīng)用需求;0~3 min、0~5 min 和0~8 min 時(shí)段進(jìn)一步對(duì)比,0~5 min 時(shí)段內(nèi)3 個(gè)變質(zhì)程度煤得到的回歸V1值都與實(shí)際V1很接近,相對(duì)誤差平均值最低,在8.29~13.85 之間,說明在0~5 min 時(shí)段瓦斯解吸更穩(wěn)定,用該時(shí)段的解吸數(shù)據(jù)回歸得到的V1值更接近實(shí)際值,且回歸相關(guān)系數(shù)均在0.90 以上,滿足工程應(yīng)用的需求。選用0~5 min 的解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行變質(zhì)程度對(duì)瓦斯解吸參數(shù)V1值的影響研究。不同吸附壓力下不同變質(zhì)程度非構(gòu)造煤的瓦斯解吸參數(shù)V1值變化曲線如圖2。
圖2 不同吸附壓力下不同變質(zhì)程度非構(gòu)造煤的瓦斯解吸參數(shù)V1 值變化曲線
隨著變質(zhì)程度的升高,煤層瓦斯含量增大,解吸速度跟瓦斯含量成正比關(guān)系,同樣V1值也與瓦斯含量正相關(guān)。在其它條件都相同的情況下,變質(zhì)程度越高解吸速度V1值越大。
瓦斯含量W 與V1值的線性關(guān)系如下:
式中:A、B 為常數(shù)。
利用式(1)擬合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的非構(gòu)造煤無煙煤、貧煤、長(zhǎng)焰煤的不同粒度下解吸數(shù)據(jù),其V1值與瓦斯含量關(guān)系見表1~表3。
表1 非構(gòu)造無煙煤V1 值與瓦斯含量關(guān)系
由表1~表3 可知:在0.17~0.25 mm、1~3 mm 和自然粒度下V1與含量的線性擬的擬合度很高,線性相關(guān)系數(shù)R2在0.915 7~0.999 4 之間。今后選用3個(gè)粒度中任何粒度都可以滿足用V1值快速準(zhǔn)確測(cè)定瓦斯含量的工程要求。但是,考慮到現(xiàn)場(chǎng)取樣方便、易操作性,建議選用自然粒度,即鉆屑。
表2 非構(gòu)造貧煤V1 值與瓦斯含量關(guān)系
基于變質(zhì)程度對(duì)煤樣瓦斯解吸特征參數(shù)V1值影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合瓦斯解吸隨時(shí)間的變化規(guī)律、瓦斯解吸速度公式、瓦斯解吸速度影響因素等得到了九里山煤礦非構(gòu)造煤WY 煤、新元煤礦非構(gòu)造煤PM 煤和耿村礦非構(gòu)造煤CY 煤解吸特征參數(shù)V1值與含量W 的對(duì)應(yīng)關(guān)系;選取焦作礦區(qū)某礦的WY 煤和壽陽礦區(qū)某礦PM 煤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證?,F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果參數(shù)見表4。
根據(jù)推算得到的V1值與含量W 的線性函數(shù)與用傳統(tǒng)的煤層井下瓦斯含量測(cè)定方法測(cè)定的瓦斯含量值存在一定誤差,誤差有的偏大有的偏小,但現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果絕對(duì)誤差在-0.63~1.25 之間,相對(duì)誤差在1.23%到8.81%之間,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果滿足工程要求的相對(duì)誤差不超過10%、準(zhǔn)確率不低于90%的規(guī)定。
表4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果參數(shù)
1)在溫度、破壞類型、吸附平衡壓力和粒度相同情況下的不同變質(zhì)程度的煤樣,初始30 min 的累計(jì)解吸量、初始15 min 的瓦斯解吸速度、回歸的瓦斯解吸特征參數(shù)V1值,隨變質(zhì)程度的增大而增大。
2)隨著變質(zhì)程度的升高,煤層瓦斯含量增大,解吸速度與瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與瓦斯含量正相關(guān);在其它條件相同的情況下,變質(zhì)程度越高解吸速度V1值越大。
3)基于變質(zhì)程度對(duì)瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與含量W 的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)室擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)0.915 7~0.999 4,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果的絕對(duì)誤差-0.63~1.25,相對(duì)誤差1.23%~8.81%,滿足工程現(xiàn)場(chǎng)需求。