软硬煤瓦斯解吸规律及影响因素的实验研究*

郝富昌，抄隆霄，孙丽娟，刘彦伟

(1.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；2. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

我国煤与瓦斯突出灾害非常严重，煤层瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标Δh2、K1值是进行突出灾害预测及效果检验的主要参数，其准确与否直接影响突出灾害的防治效果。煤与瓦斯突出实例表明，我国发生了多次预测及效果检验指标均未超标的突出事故，分析其原因认为，突出事故发生于松软煤层，软硬煤层的瓦斯解吸规律大不相同，采用硬煤的解吸规律来测试软煤层的瓦斯含量及钻屑瓦斯解吸指标，会导致测试结果存在着较大的误差。因此，研究软硬煤层瓦斯解吸规律，并找出其影响因素，对于准确测试瓦斯含量及钻屑解吸指标，防治煤与瓦斯突出灾害具有重要意义。国内外学者对煤的解吸规律进行了较为深入的研究，研究成果主要集中于温度[1-3]、水分[4-7]、粒度[8-10]、构造煤[11-12]、应力[13]等因素对瓦斯解吸特征的影响，至于软硬煤瓦斯解吸规律的差异性及其影响因素，研究相对较少。本文拟搭建大质量瓦斯解吸实验系统，进行软硬煤瓦斯解吸实验，查明软硬煤的瓦斯解吸规律及其影响因素，为瓦斯灾害防治提供理论依据。

1　软硬煤瓦斯解吸实验及规律

1.1　瓦斯解吸系统

根据国家及行业的相关标准[14-15]，搭建了大质量煤样瓦斯解吸实验系统，如图1所示。该实验系统煤样重量达到了1 000 g，可以降低实验误差；煤样罐处于恒温水浴中，可研究不同温度条件下的瓦斯解吸规律；该实验系统，可以同时进行3组煤样的解吸实验，提高了实验效率。

图1　大质量煤样瓦斯解吸系统Fig.1　Gas desorption system of high quality coal sample

1.2　实验方法

1)煤样采集

在具有软分层的新掘煤巷，采掘软煤和硬煤煤样各1份，并记录煤样的破坏类型，每份重量不小于20 kg，密封后送回实验室。

2)煤样制备

在每份煤样中，取出一部分测试煤的坚固性系数f值、瓦斯放散初速度△P和煤的吸附常数a，b值等参数；另一部分采用压汞法测试煤的孔隙结构参数；最后一部分进行粉碎，筛选出粒径为1～3 mm的煤样进行解吸实验，其重量不少于1 500 g。

3)软硬煤解吸实验

解吸实验按照如下步骤进行：① 在每次解吸实验前，对实验系统的气密性进行检查，在确保气密性可靠后，然后对充气罐、煤样罐及管路的体积进行标定；② 采用脱气仪对瓦斯解吸实验系统进行脱气，直到真空度降低为20 Pa以下，持续2 h以上停止；③ 脱气结束后，设置充气压力以及恒温水浴温度，通过大煤样罐向小煤样罐充气，待压力恒定2 h以上时停止充气；④ 充气结束后，采用真空袋接收游离瓦斯，待煤样罐压力表指数降低为0后，连接解吸仪进行解吸实验，第一个60 s每10 s记录一次解吸数据，以后每30 s记录一次数据，观测时间为2 h。

1.3　实验结果

1.3.1煤样采集及参数测试

在安阳龙山矿和平煤一矿具有软分层的新掘煤巷，采集软煤及硬煤煤样各1份，密封后送回实验室，部分煤样测试了煤的坚固性系数f值、瓦斯放散初速度△P和煤的吸附常数a，b值等参数，测试结果如表1所示。其中龙山矿煤质为无烟煤，平煤一矿煤质为气肥煤。

表1　煤体结构参数及吸附常数

从表1可以看出，龙山矿软煤挥发分为6.21%，小于硬煤的6.81%；平煤一矿软煤的挥发分为30.67%，同样小于硬煤的33.03%，说明在同等条件下，软煤的变质程度相对于硬煤更高一些；龙山矿软煤的吸附常数a值为43.988 m3/t，而硬煤为43.244 m3/t；平煤一矿软煤的吸附常数a值为22.466 m3/t，而硬煤为19.378 m3/t，无论是龙山矿还是平煤一矿，软煤的吸附常数a值均大于硬煤，说明软煤吸附甲烷的能力稍强于硬煤；软煤的瓦斯放散初速度△P远大于硬煤，说明软煤煤样具有更快的解吸速度。

1.3.2软硬煤瓦斯解吸规律

采用图1搭建的实验系统，进行了龙山矿和平煤一矿不同平衡压力同一地点软硬煤瓦斯解吸实验，受篇幅所限，仅列出了平衡压力为0.74 MPa软硬煤的瓦斯解吸曲线，如图2和图3所示。

图2　龙山矿软硬煤瓦斯解吸曲线(0.74 MPa)Fig.2　Soft and hard coal gas desorption curves of Longshan Mine(0.74 MPa)

图3　平煤一矿软硬煤瓦斯解吸曲线(0.74 MPa)Fig.3　Soft and hard coal gas desorption curves of Pingmei No.1 mine(0.74 MPa)

从图2可以看出，在120 min内，龙山矿软煤总解吸量为7.95 mL/g，而硬煤为4.96 mL/g，软煤是硬煤的1.6倍，说明软煤具有更强的解吸能力；从解吸速度来看，第1个60 s软煤解吸量为1.54 mL/g，硬煤为0.81 mL/g，软煤是硬煤的1.9倍，说明软煤具有更快的解吸速度。

从图3可以看出，在120 min内，平煤一矿软煤总解吸量为1.58 mL/g，硬煤为0.25 mL/g，软煤是硬煤的6.3倍，平煤一矿软煤的总解吸能力远大于硬煤；从解吸速度来看，平煤一矿软煤第1个60 s解吸量为0.43 mL/g，硬煤解吸量为0.08 mL/g，软煤的解吸速度远快于硬煤。

从图2和图3对比分析来看，同样是软煤，龙山矿无烟煤在平衡压力为0.74 MPa下，总解吸量为7.95 mL/g，远大于平煤一矿气肥煤的1.58 mL/g；龙山矿软煤第一分钟解吸量为1.54 mL/g，也远快于平煤一矿的0.43 mL/g。龙山矿和平煤一矿硬煤的解吸规律也具有上述特征。从图2和图3可以得出，影响煤解吸量及解吸速率的主要因素为煤的破坏类型及变质程度，煤的破坏类型越高，变质程度越高，煤的解吸量越大，解吸速度也越快。

对图2和图3中解吸量和解吸时间进行拟合分析，结果如表2所示。

表2　瓦斯解吸量与时间拟合公式

从表2可以看出，软硬煤的解吸量与解吸时间符合幂函数关系，拟合指数均在0.98以上，用幂函数公式可以较好的描述软硬煤的解吸规律。

2　软硬煤瓦斯解吸特征的影响因素

2.1　软硬煤孔隙结构特征对比分析

为了研究软硬煤瓦斯解吸特征的影响因素，采用AUTOPORE9505型全自动压汞仪对对表1的4组煤样进行了压汞实验，实验结果如表3、图4和图5所示。

表3　煤的孔隙结构参数

图4　龙山矿煤样孔径分布特征Fig.4　Pore size of Longshan mine

图5　平煤一矿煤样孔径分布特征Fig.5　Pore size of Pingmei No.1 mine

从表3和图4可以看出，龙山矿软煤的总孔容为0.074 2 cm3/g，硬煤为0.034 6 cm3/g，软煤总孔容是硬煤的2.14倍；龙山矿软煤的孔隙率为9.19%，硬煤为4.59%，软煤孔隙率是硬煤的2.0倍。从总孔容和孔隙率来看，软煤具有更开放的孔隙结构。从孔径分布来看，龙山矿软硬煤的微孔孔容相差不大，但是软煤过渡孔、中孔及大孔的孔容分别增大了4.75倍，1.45倍和1.14倍，这为瓦斯解吸提供了更好的通道。

从表3和图5可以看出，平煤一矿软煤的总孔容是硬煤的1.18倍，孔隙率软煤是硬煤的1.2倍，说明软煤具有更发达的孔隙结构。从孔径分布来，软硬煤微孔及过渡孔的孔容相差不大，但是软煤的中孔及大孔孔容大幅度的增加，分别是硬煤的3.08倍和1.22倍。

2.2　软硬煤解吸规律差异性的影响因素

软煤相对于硬煤具有更多的总解吸量及更快的初始解吸速度，分析其原因，主要受以下2个因素影响：

1)煤的孔隙结构影响瓦斯解吸规律差异性的主要因素。综合以上分析可知，实验煤样软煤总孔容是硬煤的1.18～2.14倍，孔隙率是硬煤的1.2～2.0倍，说明具有更发达的孔隙结构。从孔径分布角度来看，实验煤样软硬煤微孔孔容相差不大，但是中孔及大孔孔容明显增加，分别增大了1.45～3.08倍及1.14～1.22倍，这为软煤瓦斯解吸提供了更优异的通道，这也是软煤瓦斯解吸量更多及初始解吸速度更快的根本原因。

2)动力变质作用是影响瓦斯解吸规律差异性的次要因素。软煤在形成过程中，受到动力变质作用，总体上来看，相对于同一地点的硬煤，软煤具有更高的变质程度，如龙山矿软煤挥发分为6.21%，小于硬煤的6.81%；平煤一矿软煤的挥发分为30.67%，同样小于硬煤的33.03%，说明软煤在同等条件下具有更高的变质程度。煤的变质程度越高，在相同平衡压力条件下吸附甲烷的能力越强，更有利于形成较高的瓦斯浓度梯度，从而导致软煤瓦斯解吸速度较快和解吸量较多。

3　结论

1)在相同平衡压力条件下，软煤瓦斯解吸量1.58～7.95 mL/g，而硬煤解吸量为0.25～4.96 mL/g，软煤总解吸量是硬煤的1.6～6.3倍；第一个60 s解吸量软煤为0.43～1.54 mL/g，硬煤为0.08～0.81 mL/g，软煤解吸速度是硬煤解吸量的1.9～5.4倍，软煤总解吸量及解吸速度均远大于硬煤。

2)软硬煤的解吸量与解吸时间符合幂函数关系，拟合指数均在0.98以上。

3)软煤相对于硬煤具有更多的解吸量及更快的解吸速度，主要受到软硬煤孔隙结构的影响。软煤总孔容是硬煤的1.18～2.14倍，孔隙率是硬煤的1.2～2.0倍，软煤具有更发达的孔隙结构。软硬煤微孔孔容相差不大，但是中孔及大孔孔容分别增大了1.45～3.08倍及1.14～1.22倍，这为软煤瓦斯解吸提供了更优质的通道。

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