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        K1值與瓦斯壓力的響應(yīng)特性研究

        2020-06-02 04:42:16
        2020年5期
        關(guān)鍵詞:實驗

        韋 博

        (晉煤集團(tuán)晉圣公司 億欣煤業(yè),山西 晉城 048006)

        煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的煤巖動力現(xiàn)象,其會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。煤層瓦斯是煤與瓦斯突出的一個重要因素[1-3],而鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1值)是工作面突出危險性預(yù)測的一個重要參數(shù),許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究,《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》對預(yù)測指標(biāo)的臨界值進(jìn)行了規(guī)定。李躍華等[4]對干燥煤樣和濕潤煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:干燥煤樣的K1值大于濕潤煤樣的K1值;孫銳[5]對不同含水率煤樣的K1值進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)K1值隨著含水率的增大逐漸減小,且含水率與K1值滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)的關(guān)系;王栓林等[6]對布孔間距和抽采時間對K1值的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明抽采時間對K1值的影響程度小于布孔間距。

        隨著開采深度的增加,煤層瓦斯壓力逐漸增加,煤與瓦斯突出的危險性愈發(fā)嚴(yán)重,因此探析K1值與瓦斯壓力的響應(yīng)特性對預(yù)測煤與瓦斯突出至關(guān)重要。基于此,本文對不同瓦斯壓力下的顆粒煤瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行測試,研究K1值與瓦斯壓力的響應(yīng)特性,為預(yù)測煤與瓦斯突出提供理論依據(jù)。

        1 實驗煤樣的制備

        實驗煤樣取自山西某礦,按照GB/T482-2008《煤層煤樣采取方法》采集了實驗煤樣,實驗煤樣采用保鮮膜進(jìn)行密封,防止水分進(jìn)入煤體,然后送至實驗室。根據(jù)GB 474-2008《煤樣的制備方法》制備粒徑為1~3 mm及60~80 目的實驗煤樣,其中粒徑為1~3 mm實驗煤樣用于K1值的測試,60~80 目實驗煤樣用于吸附常數(shù)及工業(yè)分析。實驗煤樣制作完成以后,對實驗煤樣進(jìn)行干燥,排除水分對瓦斯解吸規(guī)律的影響。

        實驗煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)測試參照國家標(biāo)準(zhǔn)(MT/T752-1997,GB212-200,GB/T23561.12-2010,GB/T217-2008),基礎(chǔ)參數(shù)包括吸附常數(shù)(a/b值)、水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vad)、視密度(ARD)、真密度(TRD)、堅固性系數(shù)(f)及孔隙率(φ),測試結(jié)果如表1所示。

        表1 煤樣基本參數(shù)測試結(jié)果

        2 實驗步驟及K1值的計算原理

        2.1 實驗步驟

        1) 將一定質(zhì)量(m)干燥后的實驗煤樣裝入實驗裝置的煤樣罐中,裝入完畢后,連接好煤樣罐管路。

        2) 向煤樣罐中充入一定壓力的氦氣,對煤樣罐的氣密性進(jìn)行檢驗,保證試驗不漏氣。采用氦氣進(jìn)行檢漏的原因是,氦氣為非吸附性氣體,煤樣對氦氣不產(chǎn)生吸附作用。

        3) 采用高負(fù)壓真空泵對煤樣罐進(jìn)行抽真空,當(dāng)真空計示數(shù)小于20 Pa時,視為抽真空結(jié)束。

        4) 將濃度為99.99%的甲烷充入煤樣罐中,不斷進(jìn)行補氣,當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定的吸附平衡壓力且穩(wěn)定4 h,視為吸附平衡。

        5) 吸附平衡后,使煤樣罐在常壓下解吸,并記錄解吸時間和解吸量。

        6) 解吸完成后,重復(fù)步驟(3)~(5)進(jìn)行其它吸附平衡壓力點的測試。

        2.2 K1值的計算原理

        K1值是基于巴雷爾式進(jìn)行計算,巴雷爾式[7]如式(1)所示,K1值的意義是瓦斯解吸曲線的斜率。因此,采用式(1)對解吸量與時間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,即可獲得K1值。

        (1)

        式中:Q為累計瓦斯解吸量,mL/g;K1為1 min內(nèi)的瓦斯解吸量,mL/(g·min0.5);t為解吸時間,min。

        3 K1值與瓦斯壓力的響應(yīng)特性研究

        按照上述實驗步驟,測試顆粒煤在瓦斯壓力為0.35 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa及1.5 MPa時的瓦斯解吸量,測試結(jié)果如圖1所示。

        圖1 不同吸附平衡壓力下瓦斯解吸量隨時間的變化規(guī)律

        由圖1可知,同一吸附平衡壓力下,解吸量隨著時間的增加而增加,但增加的梯度逐漸減小;吸附平衡壓力越大,解吸量越大。采用式(1)對解吸量與時間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖1所示,K1值如表2所示。K1值與吸附平衡壓力的關(guān)系曲線如圖2所示。

        表2 不同吸附平衡壓力下的K1值

        圖2 K1值與吸附平衡壓力的關(guān)系曲線

        由圖2可知,K1值隨著吸附平衡壓力的增加而增加,但增加的梯度逐漸減小,K1值與吸附平衡壓力滿足負(fù)指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。由此說明,瓦斯壓力越大,鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1值)越大,突出危險性越大。

        4 結(jié) 語

        1) K1值可通過巴雷爾式對瓦斯解吸量和解吸時間的數(shù)據(jù)獲得。

        2) 同一吸附平衡壓力下,解吸量隨著時間的增加而增加,但增加的梯度逐漸減??;吸附平衡壓力越大,解吸量越大。

        3) K1值隨著吸附平衡壓力的增加而增加,但增加的梯度逐漸減小,K1值與吸附平衡壓力滿足負(fù)指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。

        4) 瓦斯壓力越大,鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1值)越大,突出危險性越大。

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