平顶山矿区己组不同破坏程度煤的瓦斯放散动力试验研究

王峰 等

摘要：本文针对平顶山矿区己组煤层不同破坏程度煤进行了瓦斯放散动力试验，试验结果表明，在相同吸附平衡压力条件下，煤的破坏程度越高，初始阶段相同时间内瓦斯解吸总量越大；在不同吸附平衡压力条件下，吸附平衡压力越高，初始阶段相同时间内瓦斯解吸总量越大；煤的破坏程度越高，瓦斯放散速度越快，相应曲线斜率越大。并研究确定了己组煤层钻屑瓦斯解吸指标K1与吸附平衡压力P的关系：K1=0.5342P0.584，现场试验表明，确定的K1指标的临界值0.42ml/（g.min0.5）能够满足安全生产需要。

关键词：瓦斯放散动力 破坏程度 吸附平衡压力 临界值

平顶山矿区是我国煤与瓦斯突出灾害比较严重的矿区之一。历史上有记载的煤与瓦斯突出共发生156次，其中己组煤层突出74次，占突出总数的47.4%，平均突出煤量144.3t/次，平均涌出瓦斯量10710m3/次[1]。研究表明，煤与瓦斯突出灾害的发生与煤的破坏程度有很大关系。因此，研究不同破坏类型煤的解吸规律对防治煤与瓦斯突出具有重要的价值。

1 己组煤层赋存特征

平顶山矿区己组煤主采己15煤层和己16-17煤层[2]。其中，己15煤层上距戊9-10煤层140～200m，平均180m，煤厚一般1.5～3.5m，煤厚总体趋势东部厚，西部薄（十矿以西），煤层倾角7～38°，煤层夹矸1～2层，夹矸厚度0～0.3m，为较稳定煤层。己16-17煤层上距己15煤层0～31m，平均10m，与己15煤层间距总体趋势为煤田中部大，两翼小。己16和己17煤层大部分合层，总体趋势西部（四矿以西）以合层为主，东部时合时分。煤厚0～10.2m，一般1.5～6.2m，煤厚总体趋势为李口向斜南翼西厚东薄，李口向斜北翼西薄东厚，煤层倾角7～38°，煤层夹矸1～4层，夹矸厚度0～0.8m，为稳定煤层。

2 试验原理

煤层瓦斯放散动力试验[3]主要通过对不同破坏类型煤的不同吸附压力条件下达到瓦斯吸附平衡后，在一定温度下进行常压瓦斯解吸，从而分析不同破坏类型煤在不同吸附平衡压力条件下的解吸规律。通过对瓦斯解吸规律的研究，进一步探讨己组煤层瓦斯突出预测指标K1值与瓦斯压力之间的关系。

3 试验方法

己组煤层瓦斯放散动力试验过程主要包括煤样制备、煤样真空脱气、煤样吸附平衡、煤样的解吸测定等环节。

3.1 煤样制备[4]。研究表明，煤的坚固性系数在一定程度上能够反映煤的破坏程度，因此，试验样品的破坏程度由煤的坚固性系数来表示。试验样品取自十二矿己15-17200进风巷新鲜暴露煤壁，其测定结果见表1。

将1-3mm的煤样置于干燥箱中，在105°C的温度环境中干燥两小时再取出置于干燥器中自然冷却。煤样温度与室温持平后将其存放于密封的容器内。

3.2 煤样真空脱气。量取烘干煤样置于密封的煤样罐内。装罐时应装满压实，尽量将罐内空气挤出。在抽真空环节，为避免煤样被吸入管路，可将脱脂棉覆盖在罐体上部。

开启恒温水浴、真空泵、复合真空计，水浴温度设定为60±1°C，开启联动阀门抽真空，复合真空计指示压力为20Pa后停止抽真空。

3.3 煤样瓦斯吸附平衡[5]。恒温水浴温度调至与井下实际温度相当的30±1°C，将高纯（浓度99.9%）高压瓦斯钢瓶联动阀门启动，高压瓦斯气便会进入充气罐和连通管，待充气罐内瓦斯压力比预设压力稍高后关停阀门，使瓦斯进入煤样罐内。当罐内瓦斯压力达到预定压力值时（本试验设定值为0.5MPa、0.74MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa）将阀门关闭。之后密切关注煤样罐瓦斯压力，监测频率为2～3小时/次，当两次监测所获取的压力表数值相同、煤样吸附瓦斯时间超过全天，即可判定煤样达到吸附平衡。观测煤样罐平衡瓦斯压力P为煤样吸附平衡压力。

3.4 煤样瓦斯解吸测定。①保持恒温水浴温度30±1°C，将相关阀门关闭，使连通管内的高压瓦斯气体排出。②提前备好瓦斯解吸测定仪及计时秒表，对大气压Patm及瓦斯解吸测定仪水槽中的水温tw施测。③开启煤样罐阀门，使煤样罐内游离瓦斯进入指定带刻度的量筒内，当煤样罐压力指示值为零时，迅速调节三通，使解吸的瓦斯进入另一指定带刻度的量筒内，同时启动秒表开始计时。④每隔30s读取并记录量筒内的解吸瓦斯量，解吸10min后终止测试。⑤为了对比分析不同试样，不同瓦斯吸附平衡压力下的瓦斯放散特征，必须将实测的瓦斯解吸量换算成标准状态下体积，换算公式如下：

Q=P-9.81h-P·Qt′（1）

式中：Q、Qt′分别表示标准状态和实验环境下瓦斯解吸總量（mL）；t、P、h分别表示量筒内水温（℃）、大气压力（Pa）和读取数据时量筒内水柱高度（mm）；P表示 t下饱和水蒸汽压力（Pa）。

3.5 改变试样的吸附平衡压力，重复步骤3.3、3.4，从而得到煤样在不同瓦斯吸附平衡压力下的瓦斯放散试验数据。

3.6 当完成某一煤样在各预定平衡压力（0.5MPa、0.74MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa）下的瓦斯放散试验

后，换取其它煤样并按照步骤3.1-3.5进行试验，并最终得到不同破坏程度的煤样在不同瓦斯吸附平衡压力下的4 试验结果分析

4.1 煤的破坏程度对瓦斯放散规律的影响分析。为深入探究煤的破坏程度对瓦斯放散规律的影响，笔者基于相同瓦斯吸附平衡压力条件绘制了不同坚固性系数f的煤样的瓦斯放散规律曲线。此处取最典型的图例进行深入研究（参见图1、图2）。图1为瓦斯吸附平衡压力P=0.74MPa时煤样瓦斯解吸总量随时间变化曲线。图2为瓦斯吸附平衡压力P=2.05MPa时煤样瓦斯解吸总量随时间变化曲线。由图1和图2可以看出：不同破坏类型煤的瓦斯放散规律有明显的区别，在相同吸附平衡压力条件下，煤的破坏程度越高，初始阶段相同时间内瓦斯解吸总量越大；在不同吸附平衡压力条件下，吸附平衡压力越高，初始阶段相同时间内瓦斯解吸总量越大；煤的破坏程度越高，瓦斯放散速度越快，相应曲线斜率越大。

煤体在初始暴露时间段解吸速度越快、解吸量越大，在工作面前方煤体中形成的瓦斯压力梯度越大，同时，在解吸瓦斯流和地应力的共同作用下，煤体不断剥离，工作面前方煤体的应力梯度不断变大，由于煤体松软，在强大瓦斯流和较高地应力的作用下，就会发生瓦斯突出。

4.2 钻屑瓦斯解吸指标K1与吸附平衡压力的关系。为了分析己组煤在不同瓦斯压力和破坏程度条件下的突出预测指标理论临界值，根据实验室相似模拟实验研究，绘制了不同破坏程度煤样的钻屑瓦斯解吸指标K1与瓦斯吸附平衡压力P的关系图，如图3。

研究发现，钻屑解吸指标k1值与吸附平衡压力P之间存在如下关系：

k1=APB（2）

式中：P——瓦斯吸附平衡压力，MPa；

k1——钻屑瓦斯解吸指标，ml/（g.min0.5）；

在所采集的煤样中，f值在0.18至0.63之间变化，选取测点煤的坚固性系数最小的4#煤样进行K1-P关系模拟，其模拟曲线图如图4，拟合曲线关系式为式3。

K1=0.5342P0.584 （3）

将煤与瓦斯突出临界瓦斯压力0.74MPa代入式3，计算得出十二矿己组煤层钻屑瓦斯解吸指标K1的试验临界值为0.42ml/（g.min0.5）。为了考察确定的钻屑解吸指标k1值的临界值，在己15-17220底抽巷石门揭煤处进行了试验，试验表明确定的临界值能够准确反映揭煤区域的突出危险性，能够满足安全生产需要。

5 结论

5.1 不同破坏类型煤的瓦斯放散规律有明显的区别。在相同吸附平衡压力条件下，煤的破坏程度越高，初始阶段相同时间内瓦斯解吸总量越大；在不同吸附平衡压力条件下，吸附平衡压力越高，初始阶段相同时间内瓦斯解吸总量越大；煤的破坏程度越高，瓦斯放散速度越快，相应曲线斜率越大。

5.2 煤体在初始暴露时间段解吸速度越快、解吸量越大是导致煤与瓦斯突出的直接原因。

5.3 研究确定了己组煤层钻屑瓦斯解吸指标K1与吸附平衡压力P的关系：K1=0.5342P0.584，确定的K1指标的临界值0.42ml/（g.min0.5）能够满足安全生产需要。

参考文献：

[1]张建国.中国平煤神马集团煤矿瓦斯防治“十二五”规划[M].徐州：中国矿业大学出版社，2012.

[2]河南省煤田地质局四队河南省平顶山天安煤业股份有限公司

十二矿生产矿井地质报告[R].2007-11-10.

[3]曹垚林.高压吸附下的瓦斯放散初速度研究[J].煤矿安全，2004（09）.

[4]GB474-83.国家标准局.煤样的制备方法[Z].1983-06-15.

[5]陈建忠.潘三矿C13-1煤层掘进工作面敏感指标及临界值研究[D].河南理工大学，2010.

作者简介：王峰（1979-），男，河南平顶山人，本科，助理工程师，研究方向：矿井瓦斯基础参数测试与管理工作等。