瓦斯放散初速度实验室测定影响因素探析

赵志法

(贵州水城矿业(集团)有限责任公司)



瓦斯放散初速度实验室测定影响因素探析

赵志法

(贵州水城矿业(集团)有限责任公司)

瓦斯放散初速度作为煤矿突出危险性鉴定的重要指标之一，其测定的准确程度将直接影响到矿井突出危险性的鉴定结果。为了保证瓦斯放散初速度测定的准确性，对温度、压力、煤样水分含量等对瓦斯放散初速度实验室测定结果的影响进行了分析，并提出了相应的修正措施，减小了瓦斯放散初速度测定的误差，保证了矿井合理的防突投入及安全高效生产。

瓦斯放散初速度压力温度水分含量

煤与瓦斯突出指的是煤矿掘进过程中，在一定条件下煤与瓦斯突然间喷出的一种动力现象[1],严重的会引起瓦斯爆炸，造成群死群伤，损坏矿井井下设备及矿井安全生产。我国目前煤层突出危险性鉴定主要采用单项指标法，即瓦斯压力、煤层破坏类型、瓦斯放散初速度、坚固性系数，其中瓦斯放散初速度实验室测定时会受到多方面因素的影响，主要包括实验温度，压力，煤样的含水率等，该参数测定的准确性将直接影响到煤层突出危险性鉴定的结果。为避免矿井不合理的防突投入以及不安全的生产行为，确保突出危险性鉴定结果的准确性，本文对实验室测定瓦斯放散初速度时的影响因素进行了初步探析，并提出了相应的修正措施。

1　实验原理

3.5g粒度在0.2～0.25mm的煤样，在0.1MPa的压力条件下，60s与10s时的解析量差值，即为瓦斯放散初速度。根据《瓦斯等级鉴定暂行办法》，瓦斯放散初速度临界值为10mmHg，实验装置原理如图1所示。

图1　WT-1型瓦斯放散初速度测定仪原理

2　实验影响因素分析

2.1温度

李晓伟等对不同温度下煤样的瓦斯放散初速度进行了测定[2]，研究发现瓦斯放散初速度和温度差值存在二次项关系，且温度越高瓦斯放散初速度越小。根据AQ1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指标(ΔP)测定方法》，其中未对瓦斯放散初速度实验室测定温度统一规定，且一天之中气温变化在10 ℃左右，如果实验室是开放性的，那么温度的变化就会直接导致实验结果测定的不准确。

温度对瓦斯放散初速度测定的影响主要包括两个方面：在受限空间内气体本身受到温度变化的影响引起的压力变化；煤体本身吸附气体受温度影响，由于煤是多孔介质，煤基质内部具有发达的孔隙结构，是一种天然吸附剂，瓦斯主要吸附在微孔隙内，随着温度的升高，分子热运动能力增加，克服阻力进入到游离态。研究显示，气温每升高一度，甲烷在煤体内的吸附量减少8%。所以，实验室温度的波动会导致实验结果测定的不准确。

为避免温度变化引起的测量误差，建议实验室进行瓦斯放散初速度测定前，关闭门窗，将实验室温度调节至原煤取样地点的温度，待温度恒定以后再进行测定，既可以排除温度波动引起的误差，也可以保证测定温度和现场温度的同一性，使突出危险性鉴定结果更加准确。

2.2煤样水分含量

为了防尘，煤矿开采前一般会预先对煤层进行注水处理[2-3]，同时部分突出煤层在开采前会预先采取水力化消突措施[4-6]，使煤层中含有大量的水，且煤层各处含水量会因距离注水孔的远近而呈现出差异，直接导致实验所取煤样的含水量存在较大差别[7-8]。甲烷在煤体中吸附量的决定性因素是微孔的数量、大小和分布特性，从吸附化学的角度来说，水分子具有明显的极性，比甲烷更容易被煤体吸附[9]。首先水分子在煤体裂隙和大孔径中运移，由扩散作用和毛细作用进入煤体的微孔隙中，以多分子层的形式与煤体表面牢固结合[10]。水分子的存在会影响甲烷的吸附量，因为水分子与煤基质表面具有很强的作用力，水分主要从以下几个方面影响甲烷在煤体中的吸附[11]：①部分游离态水分子由于润湿作用占据了甲烷分子的吸附位，使得甲烷在煤体表面的吸附量降低；②水分子具有一定的蒸汽压，游离于煤炭孔隙中的水分子会与甲烷分析竞争吸附，由于水分子更加容易被煤体吸收，从而导致了煤体中甲烷的含量降低；③水分子阻塞了甲烷分子进入微孔隙的通道，而微孔的表面是甲烷吸附的主要场所。在煤体的微孔隙中水分子产生毛细现象，形成毛细阻力，使煤中甲烷难以被微孔隙内表面吸附，从而降低了甲烷的吸附量。

为了保证瓦斯放散初速测定结果的准确性，排除水分对突出危险性鉴定结果的影响，煤样在实验前均采用干燥箱烘干处理，并将干燥箱温度与井下温度调整一致，煤样在干燥箱中干燥一周后进行测定。既可以使外在的水分完全干燥，又不至于因为干燥温度过高导致煤样的含水率低于原煤自然含水率。

2.3压力

研究表明，甲烷在煤体中的吸附符合朗格缪尔吸附方程，同时，甲烷在煤体内的扩散符合菲克扩散定律，按照理论公式进行推导，便可以得到瓦斯放散初速度：

(1)

式中,D为扩散系数，m2/s；a为极限吸附量，m3/t；b为吸附常数；P为吸附压力，MPa；x为距颗粒中心的距离，m。

由式(1)可以看出,瓦斯放散初速度的测定会受到充气压力的影响。就同一种煤样而言，充气压力越低其测定值越小，充气压力越高测定值也就越大。瓦斯放散初速度测定仪使用时大都是在当地的大气压力条件下充气，而真空泵在一定情况下负压基本上为定值，在保证实验室测定温度不变的前提下，大气压力会直接影响到瓦斯放散初速度的测定值。

目前我国测定瓦斯放散初速度的仪器多数是在当地大气压力下进行充气测定的，然而，大气压力会因海拔高低和气温高低而发生一定的变化，海拔高的区域大气压力会低于海拔低的区域，就算同一地区大气压力，夏季与冬季也会出现差异性，导致同一煤样在不同地区、不同季节测定的差异性。因此，为了保证测定结果的准确性，规定实验室测定瓦斯放散初速度时要通过空盒气压表实时监测室内的压力，并采用稳压装置保证实验在规定压力0.1MPa的大气压下测定。

2.4其他因素

人为因素和其他的一些相关因素也会影响到瓦斯放散初速度测定结果的准确性。比如，制样过程中如果煤样中掺入了煤矸石就会导致测定结果偏小，因为矸石的孔隙发育比煤要小的多，放散能力很差。同时，为了防止煤粉被吸入管道中，一般用脱脂棉塞在煤样上面，塞入量的多少会影响吸附空间的大小，也会导致测定的结果有所差别，这也就是平行实验时得到的2个或者3个结果不同的原因。

为了保证测定结果的准确性，在选煤样时应该排除矸石等其他杂质的影响，棉花团的塞入也要注意尽量保持一致，称量时保证天平调平归零，不要散落煤粉，确保煤样罐中装入实验煤粉量为3.5g。

3　结　论

(1)通过研究分析，瓦斯放散初速度的测定过程中，实验室温度、大气压力、煤样水分含量和人为因素等均会对测定结果产生影响。

(2)为了确保瓦斯放散初速度测定的准确性，实验室测定过程中，应尽量避免人为因素和操作因素的影响，保证实验温度、煤样水分含量与井下条件一致，并采用稳压装置保证充气压力为0.1MPa。

[1]程五一，张序明，吴福昌.煤与瓦斯突出预测理论及技术[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2]李晓伟，蒋承林.温度对瓦斯放散初速度测定的影响研究[J].煤矿安全，2009(1)：1-3.

[3]陈向军，程远平，王林.水分对不同煤阶煤瓦斯放散初速度的影响[J].煤炭科学技术，2012,40(12)：62-65.

[4]王维虎.煤层注水防尘技术的应用现状及展望[J].煤炭科学技术，2011,39(1)：57-60.

[5]高海宾.采煤工作面深孔煤层注水技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2007.

[6]宋维源，王忠峰，唐巨鹏.水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用[J].中国安全科学学报，2011,21(4)：78-82.

[7]富向.井下点式水力压裂增透技术研究[J].煤炭学报，2011,36(8)：1317-1321.

[8]王新新，石必明，穆朝民.水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究[J].煤炭学报，2012,37(3)：467-471.

[9]HanFS,AndreasB,NielsvanWeta.Experimentalstudyofgasandwatertransportprocessesintheinter-cleat(matrix)systemofcoal.AnthracitefromQinshuiBasin[J].InternationalJournalofCoalGeology, 2010, 35(6):928-931.

[10]RalphT.Yang. 吸附剂原理与应用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[11]康建宁.吸附压力对瓦斯放散初速度(ΔP)测定的影响研究[J].煤矿安全，2010(4):4-9.

AnalysisoftheInfluenceFactorsofGasRadiationInitialVelocitybyLaboratoryMeasurement

ZhaoZhifa

(GuizhouShuichengCoalMiningGroupCo.,Ltd.)

Thegasradiationinitialvelocityisastheoneoftheimportantparametersoftheevaluationofcoalminegasoutburst,theevaluationresultsofminegasoutburstisaffecteddirectlybythemeasurementaccuracyofgasradiationinitialvelocity.Inordertoensurethemeasuementofgasradiationinitialvelocitywithhighprecision,theinfluenceoftemperature,pressureandmoisturecontentsofcoalsamplestothemeasurementresultsofgasradiationinitialvelocityinlaboratoryisanalyzed,andthecorrespondingcorrectivemeasuresisputforwardtoreducethemeasurementerrorofgasradiationinitialvelocity,therefore,thereasonablegasoutburstpreventionincoalmineandsafetyandefficientproductionareensured.

Gasradiationinitialvelocity,Pressure,Temperature,Moisturecontents

2016-03-22)

赵志法(1962—)，男，工程师，553000 贵州省六盘水市钟山区开拓路16号。