岩浆岩圈闭区煤层钻屑瓦斯解吸指标敏感性研究

张 锐，王 亮，3，高 杰，王小蕾，陈大鹏，高 尚

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.宁夏理工学院 建筑与环境学院，宁夏 石嘴山，753000；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

在漫长的地质年代里，中国东部含煤地层大多经历了不同时期、不同程度、不同形式的岩浆侵入[1]。在岩浆的烘烤作用下，煤体结构和物理化学性质发生了巨大的改变：煤的变质程度增高、微孔结构发育、瓦斯吸附能力增强、解吸速度加快，同时煤体坚固性系数降低、煤体变软，煤与瓦斯突出事故频发。因此，对岩浆热演化区域突出预测敏感指标及其临界值的研究，对于岩浆侵入区域煤层的安全生产具有极大的现实意义。王亮、陈二涛、程龙彪等以淮北煤田为研究背景研究了巨厚岩浆岩对煤层瓦斯赋存及突出的控制作用[2-5]；蒋静宇以卧龙湖煤矿为研究背景研究了岩浆热演化对煤体孔径结构及吸附特性的影响[6-8]；陈明义等以海孜煤矿为研究背景研究了岩浆岩入侵对煤层瓦斯赋存以及煤孔隙、瓦斯解吸和扩散的影响[9]；Gurba以澳大利亚冈尼达盆地为研究背景研究了岩浆侵入对煤的变质程度和瓦斯赋存规律的影响[10]；Li Xutuo，Chen Yun，Wang C Y等则分别都对岩浆岩进行了深入的研究[11-13]。而刘军、翟清伟、孔胜利等则分别对指定矿井的钻屑瓦斯解吸指标敏感性进行了实验和现场的研究[14-16]；孟絮屹、桂祥友、李国红等研究了钻屑瓦斯解吸指标在预测煤与瓦斯突出危险性应用中的影响因素[17-19]；李新建、Shen，Sun等结合实测煤样的相关参数，研究了钻屑瓦斯解吸指标随瓦斯含量的变化特征，总结了钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯含量的相关性[20-23]；贾东旭在实验室进行了多组煤样的相关实验，结合数据分析了钻屑瓦斯解吸指标与煤的坚固性系数的相关性[24]。但是，对于岩浆热演化区域煤层的钻屑瓦斯解吸指标的敏感性，国内外还鲜有研究。文中以杨柳煤矿岩浆岩圈闭区的10煤层为研究背景，分别从实验和现场的角度对岩浆岩热演化区域煤层钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2的敏感性进行了研究，为10煤层的安全生产提供了技术保证，同时对相似地质条件下煤层钻屑瓦斯解吸指标的敏感性研究具有借鉴意义。

1 岩浆岩分布特征及煤样的选取与制备

杨柳煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，井田主要含煤地层为二叠系的下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，共含9个煤组。主采煤层为3，5，7，8，10煤层，其中10煤层是首采煤层。在燕山期，深部的岩浆沿宿北断裂上侵，由北向南侵入杨柳井田，由于杨柳煤矿的断层构造纵横交错，岩浆运移通道较多，导致岩浆在井田内活动较为剧烈，侵蚀范围广，几乎井田内的所有煤层都遭受到岩浆侵入的影响，其中7煤、8煤、10煤所受侵入影响最大。10煤层的原始层积发育良好，但由于后期岩浆的侵入，破坏了煤层的稳定性和连续性，形成了部分不可采区，该区主要为岩浆侵蚀区。

从地勘钻孔、三维地震和生产揭露所掌握的岩浆岩分布情况来看，杨柳煤矿10煤层104，106采区在平面上被沿顺层侵入的岩浆岩所包围，且5，7，8煤层顶板还分布着不同厚度的岩浆岩(图1)，该区域的煤层被平面四周和上方的岩浆岩所圈闭，形成了独特的岩浆岩圈闭环境。在岩浆岩的热力烘烤和圈闭作用影响下，104，106采区实测煤层瓦斯压力在2 MPa左右，实测最大煤层瓦斯含量12.0 m3/t，均大于《防治煤与瓦斯突出规定》所要求的临界值，煤与瓦斯突出危险性大。

本次研究所选煤样位于受岩浆岩影响严重的10煤层104采区的10416工作面的机巷和风巷，所取煤样具体位置如图1(a)所示。取回煤样之后，在实验室将煤样粉碎，随后用1和3 mm的煤样筛，筛选出1～3 mm的煤样。

图1 104，106采区岩浆岩空间展布示意图Fig.1 Space distribution schematic diagram of the magmatic rock in the No.104，106 mining area

2 钻屑瓦斯解吸指标测定方法及物理意义

2.1 钻屑瓦斯解吸指标的测定方法

本次钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2的实验室测定分别使用煤炭科学研究总院重庆分院的WTC瓦斯突出参数测定仪和抚顺分院的MD-2型瓦斯解吸仪，针对每组煤样，称取预先制备好的粒径1～3 mm煤样5份，每份50 g，分别装入5个不同的煤样罐中，在60 ℃恒温水浴中抽真空脱气10～12 h，之后向煤样罐中充入高纯度甲烷气体至不同平衡压力。实验时，在将煤样罐阀门迅速打开的同时，启动秒表开始计时，尽快打开煤样罐，将煤样装入WTC瓦斯突出参数测定仪和MD-2瓦斯解吸仪，依据标准AQ/T1065-2008进行钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2的测定。钻屑瓦斯解吸指标测定所使用的实验仪器如图2所示。

图2 钻屑瓦斯解吸指标测定仪实物图Fig.2 Physical picture of the drilling cuttings gas desorption index determinator

2.2 钻屑瓦斯解吸指标K1与煤样瓦斯解吸量之间的关系

钻屑瓦斯解吸指标K1是煤炭科学研究总院重庆分院在原西德破坏程度指标Kt的基础上提出的，它是反映煤的破坏程度和煤层瓦斯含量的综合指标。气体累计吸附量和累计解吸量与时间的变化具有下式所示的变化关系

(1)

公式(1)可简化变形为

(2)

当t=1时，则有

K1=Q1

(3)

因此，从理论上讲，在巴雷尔式成立的情况下，钻屑瓦斯解吸指标K1数值上应等于第1 min的瓦斯解吸量。

2.3 钻屑瓦斯解吸指标Δh2与煤样瓦斯解吸量之间的关系

Δh2的物理意义为10 g煤钻屑自煤体脱落暴露于大气之中，第4 min和第5 min内的瓦斯解吸总量。测定某一煤样的Δh2，是在规定的时间内，将1～3 mm的煤钻屑装入煤样罐内，在总暴露时间为3 min时开始测试，2 min后的水柱计压差即为所测得的Δh2值。

由MD-2型瓦斯解吸仪的设计结构可知，单位质量的煤样与Δh2相对应的第4和第5 min实际瓦斯解吸量Q的关系如公式(4)所示。

Q=0.008 3Δh2/10

(4)

式中10代表煤样重量为10 g；0.008 3代表MD-2型瓦斯解吸仪的结构常数。

2.4 钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2之间的区别与联系

由钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2值的物理意义来看，K1和Δh2同属于一类指标，都是用来测定煤样解吸初始时刻一定时间内的累计解吸量。根据公式(2)可以推导得到

(5)

由公式(4)和公式(5)联立可以得到

K1=0.001 6Δh2

(6)

由以上的分析和公式的演算，可以看出，钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2都是反映煤样瓦斯解吸特性的，在煤样的瓦斯解吸规律符合巴雷尔公式的假设下它们呈线性关系。

但是，两者之间也有区别，这种区别主要在于

1)K1值反映的是煤样第1 min内的解吸量，而Δh2反映的是第3～5 min内的解吸量；

2)Δh2是仪器测量后直接读到的数据，而K1值是将解吸数据根据巴雷尔式拟合后得到的，是一个推算出来的数值。

3 煤样解吸特性的实验室测定

把制成的1～3 mm的煤样分别进行不同吸附平衡压力下的高压定容吸附解吸实验，解吸时间120 min.2组煤样解吸过程中第1 min，3～5 min，前10 min的瓦斯解吸量以及120 min内的瓦斯解吸量见表1.

表1 岩浆岩圈闭区煤层初始解吸量与累计量的关系Tab.1 Relationship between initial desorption amount and cumulative desorption volume ofthe coal seam in the igneous rock trap area

从表1中的数据可以看出，2组煤样初始时刻解吸速度很快，前10 min的瓦斯解吸量很大，占120 min内瓦斯解吸量的49.43%～55.56%，平均51.57%；第1 min的瓦斯解吸量占到了120 min内瓦斯解吸量的20%左右，第3～5 min的瓦斯解吸量也占到了120 min内瓦斯解吸量的7%左右，第1 min内的瓦斯解吸量要大于第3～5 min的瓦斯解吸量。

由于第1 min和第3～5 min的解吸量与钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2有着密切的联系，且国内外很多学者已经验证K1和Δh2与瓦斯压力间存在着幂函数的关系，因此在这里将第1 min和第3～5 min的解吸量与压力的关系做了幂函数曲线拟合的分析研究，拟合结果如图3所示。

从图3可以看出

1)2组煤样第1 min的瓦斯解吸量和第3～5 min的瓦斯解吸量与瓦斯压力呈很好的幂函数关系，拟合度很高；

2)随着瓦斯压力的增大，第1 min的瓦斯解吸量和第3～5 min的瓦斯解吸量都明显增大，说明瓦斯压力对第1 min的瓦斯解吸量和第3～5 min的瓦斯解吸量均有明显的控制作用。

图3 瓦斯解吸量随吸附平衡压力的变化关系Fig.3 Relationship between gas desorption volume and adsorption equilibrium pressure

4 钻屑瓦斯解吸指标的实验室测定

4.1 钻屑瓦斯解吸指标与吸附平衡压力之间的关系

根据第2章所述的钻屑瓦斯解吸指标的测试方法，作者在不同的吸附平衡压力(0.9，2.0，3.0，4.0，5.0 MPa)下对所取煤样进行钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2的实验室测定。用幂函数对钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2的测定结果进行拟合，拟合的结果如图4和图5所示。

图4 1#煤样钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2随吸附平衡压力的变化关系Fig.4 Relationship between drilling cuttings gas desorption indexes K1 and Δh2 of the 1# coal sample and the adsorption equilibrium pressure

图5 2#煤样钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2随吸附平衡压力的变化关系Fig.5 Relationship between drilling cuttings gas desorption indexes K1 and Δh2 of the 2#coal sample and the adsorption equilibrium pressure

从图4和图5可以看出，1#煤样和2#煤样的钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2随吸附平衡压力的增大而增大，这是由于钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2反映的都是煤样的瓦斯解吸特性，吸附平衡压力越大，瓦斯的吸附量越大，相同时间段内的瓦斯解吸量也越大。从数据拟合的结果看，1#煤样和2#煤样的钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2与吸附平衡压力具有很好的幂函数关系，拟合相关度很好，均在97%之上。

4.2 钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2之间的关系

由上面的研究结果得到钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2随着吸附平衡压力的增大而增大，同时前人的研究成果显示钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2具有线性关系，因此文中把钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2进行线性拟合。拟合结果如图6所示。

图6 钻屑瓦斯解吸指标K1随Δh2的变化关系Fig.6 Relationship between the drilling cuttings gas desorption indexes K1 and Δh2

拟合结果显示两者呈现出比较好的线性相关性，这与前人的研究成果相一致。

5 岩浆岩圈闭区煤层钻屑瓦斯解吸指标的敏感性分析

5.1 敏感指标可靠性分析

在实验室条件下，测定了不同压力下的钻屑瓦斯解吸指标值，并对煤样在第1 min和第3～5 min内的瓦斯解吸量进行了统计。根据钻屑瓦斯解吸指标的物理意义：K1值的表征的是煤样第1 min内的瓦斯解吸量；Δh2表征的是煤样在第3～5 min内的瓦斯解吸量。因此，将测得的钻屑瓦斯解吸指标分别按照公式(2)和公式(4)转换为第1 min和第3～5 min内的瓦斯解吸量与实测的第1 min和第3～5 min内的瓦斯解吸量进行对比，可以对钻屑瓦斯解吸指标的可靠性进行分析。分析结果见表2.

从表2可以得到，通过钻屑瓦斯解吸指标K1值计算所得的煤样第1 min的瓦斯解吸量远小于实测第1 min的瓦斯解吸量，两者差别较大，误差45.04%～67.67%之间，平均误差56.22%；通过钻屑瓦斯解吸指标Δh2计算所得的第3～5 min内的瓦斯解吸量与实测的第3～5 min内的瓦斯解吸量之间虽然也存在一些误差，但总体误差控制在20%左右，基本能反应第3～5 min内的瓦斯解吸量。WTC型瓦斯突出预测仪所测得的K1值并不能很好的反映钻屑自暴露第1 min的解吸量，测得钻屑瓦斯解吸指标K1值的可靠性较差；而由MD-2型瓦斯解吸仪所测得的Δh2值可靠性较好。究其原因，笔者认为原因有以下几点

1)WTC型瓦斯突出预测仪对K1值的测定是通过巴雷尔式和最小二乘法推导计算得到的，产生误差在所难免；

2)杨柳煤矿岩浆岩圈闭下的10煤层瓦斯初始解吸速度快，解吸速度衰减迅速，所以推算第1 min瓦斯解吸量时，就会出现计算解吸量严重小于实际解吸量的现象；而Δh2的测定是直接通过MD-2型瓦斯解吸仪读出的第3～5 min解吸瓦斯所造成的水柱压差，该法所测得的煤样第3～5 min解吸量误差较小，能够较好的反映煤样的瓦斯解吸特性。仅从实验室测得数据来看，可以得出以下结论：在采用钻屑瓦斯解吸指标对杨柳岩浆岩圈闭10#煤层进行突出危险性预测时，K1指标预测效果较差，误差较大，K1指标不敏感；而与K1指标相比，指标Δh2预测效果稳定性较好，能较准确反映煤样初始时刻瓦斯解吸特性的特点。

表2 岩浆岩圈闭区煤层钻屑瓦斯解吸指标可靠性分析表Tab.2 Reliability analysis of the drilling cuttings gas desorption index of the coal seam in igneous rock trap area

5.2 现场考察

杨柳煤矿岩浆岩圈闭煤层钻屑瓦斯解吸指标现场考察选取10416工作面机巷、风巷以及工作面回采过程中测得的78组指标值进行分析论证。由于在工作面掘进及回采之前已经采取了很多瓦斯治理措施对煤层瓦斯进行治理，各指标超标的现象很少，无法使用三率法对各指标的敏感性和准确性进行衡量。因此，文中采用方差极差法对杨柳煤矿的钻屑瓦斯解吸指标进行敏感性分析。

首先，钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2的单位不同，为了消除单位对钻屑瓦斯解吸指标的影响，文中先对K1和Δh22种钻屑瓦斯解吸指标进行无量纲处理，引进迫近度的定义。文中将突出预测指标实测大小值与其在《防突规定》中的临界值(K1指标0.5 mL/(g·min0.5)，Δh2取200 Pa)的比值称为该指标相对临界值的迫近度，则各指标的测值大小经过这样的处理后所得数据均是一个无量纲的量，所得比值实际上是该指标与突出危险性的相对近似程度。当对指标及值进行无量纲化处理后，两者的迫近度即具有以下2个共同的特征。

1)迫近度是一个无量纲的量，且该值恒为介于0和1之间的正数；

2)迫近度能够反映煤层突出危险状态，当迫近度越接近于1时，表示工作面潜在突出危险性越大。将搜集到的78组指标现场测定数据求其临界值的迫近度，计算结果如图7所示。

图7 10416工作面突出预测指标临界值迫近度分布图Fig.7 Distribution of the projection index critical value proximity of the No.10416 working face

从图7可以看出，2个指标中，钻屑瓦斯解吸指标Δh2的迫近度整体上更加接近于1，也即采用这2个指标对同一区域进行突出危险性预测时，指标Δh2所呈现的突出危险性更大。要比较K1和Δh2对预测工作面突出危险性状态变化的敏感程度，只需采用数理统计的方法比较两者转化为临界值的迫近度后的三组数据样本的离散度即可。在统计学中，要比较样本间的离散程度，一般常用有以下2个指标：①极差，也称全距，其含义是样本总体中，最大值与最小值的差；②方差和标准差：方差是样本中各数据与总体平均值之差的平方的平均数，对方差求算术平方根即为标准差。相比较极差，方差和标准差更能反映数据样本整体的离散程度，即样本的方差和标准差越大，说明该数据对应的指标更敏感。对10416工作面的钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量指标的临界值迫近度进行离散程度分析见表3.

表3 钻屑瓦斯解吸指标临界值迫近度离散程度分析表Tab.3 Analysis of the drilling cuttings gas desorption index critical value proximity dispersion degree

从表3可以看出，钻屑瓦斯解吸指标Δh2临界值迫近度的方差和标准差较大。这说明，随着采煤工作面的推进，地应力及突出危险程度处于不断变化中，而指标Δh2对这种变化的发生反映能力更强，也即该指标更加敏感。综上可知：在采用钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2值对杨柳10煤采煤工作面进行突出危险性预测(效检)的过程中，指标Δh2的敏感性较好，指标K1较差。

6 结 论

1)杨柳煤矿岩浆岩圈闭区煤层前10 min瓦斯解吸量占120 min解吸总量的49.43%～55.56%，平均51.57%，瓦斯初始解吸量大，初始解吸速度快；

2)杨柳煤矿岩浆岩圈闭煤层第1 min及第3～5 min瓦斯解吸量随瓦斯压力的变化符合幂指数关系，受瓦斯压力的控制作用都比较明显；

3)杨柳煤矿岩浆岩圈闭煤层Δh2指标的可靠性强，利用Δh2指标计算所得的第3～5 min瓦斯解吸量与实测的3～5 min瓦斯解吸量相差比较小，平均误差20%左右，而利用K1值指标计算的第1 min瓦斯解吸量与实测的第1 min瓦斯解吸量相差很大，平均误差56.22%；

4)杨柳煤矿岩浆岩圈闭煤层10416工作面实测的78钻屑瓦斯解吸指标中，Δh2指标迫近度方差和标准差较大，更加敏感，可以作为主要敏感指标，而K1指标迫近度方差和标准差小，不敏感，作为辅助指标。

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