含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值研究

孙 锐

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

随着矿井开采深度的不断增加，煤层瓦斯压力、含量增大，煤层松软、透气性低，瓦斯治理难度日渐增大[1]。为了提高瓦斯抽采效率，近些年煤矿试验了各种水力化增透措施来提高煤层透气性系数，主要包括水力压裂、水力冲孔、水力割缝、水力掏槽等[2]，这些措施执行后不同程度地增加了煤层透气性系数，瓦斯抽采效果有所提高。煤是裂隙-孔隙介质，煤层采用水力化增透措施后水占据煤体孔隙，并将煤体湿润，煤层含水率增加。研究表明水分是影响瓦斯吸附和解吸规律的主要指标之一，文献[3-5]在实验室研究了注水煤样瓦斯解吸特征，认为水分对煤样瓦斯解吸速度有抑制作用，在相同吸附压力和解吸时间条件下，煤样含水率增大，煤样瓦斯解吸速度降低，瓦斯解吸量越小。

钻屑瓦斯解吸指标K1值是《防治煤与瓦斯突出规定》推荐的采掘工作面突出危险性预测指标，在突出矿井得到了广泛的应用，其物理意义是[6]煤样自暴露开始1min内，每克煤样的瓦斯解吸量，反映了煤样瓦斯解吸速度衰减的快慢。《防治煤与瓦斯突出规定》要求突出矿井应根据各煤层发生煤与瓦斯突出的特点和条件，试验确定工作面预测的敏感指标和临界值，并作为判定工作面突出危险性的主要依据[7]。在考察确定前钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值为：干煤样0.5mL/(g·min1/2)，湿煤样0.4mL/(g·min1/2)。很显然同一煤层在不同水分的情况下测试的钻屑瓦斯解吸指标有所不同，笼统地采用推荐的临界值不能准确地判断煤层在不同含水率情况下的突出危险性[8]。目前水分对煤样瓦斯解吸规律的研究较多，但少有对含水煤体突出危险性预测指标临界值进行定量研究，因此研究含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值具有重要的意义。

新景矿3号煤层为突出煤层，煤层松软，瓦斯压力大，透气性低，为了增加3号煤层透气性系数，在3号煤层采取了底抽巷穿层钻孔和定向顺层长钻孔水力压裂增透措施。为准确预测水力压裂后煤体采掘工作面的突出危险性，以3号煤层为研究对象，在实验室对不同水分煤样瓦斯解吸规律进行试验，对钻屑瓦斯解吸指标与吸附瓦斯压力和水分的相关关系进行研究，确定含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值。

1 实验室试验

1.1 煤样的制备

试验煤样取自3号煤层保安分区3707工作面，在实验室按照《煤样制备标准》对煤样进行粉碎、筛分，制成粒度为1～3mm的煤样，采用水分测定仪对煤样进行水分测试，得出试验煤样原煤水分为1.50%。

1.2 试验装置

为研究水分对煤样瓦斯解吸规律的影响，在煤的甲烷吸附量测定方法(MT/T752-1997)实验装置的基础上增加了煤样注水单元，形成本次试验装置，原理图如图1所示。试验装置由真空脱气单元、吸附平衡单元、煤样注水单元、瓦斯解吸测定单元组成。

图1 试验装置原理图

1.3 试验方案

1.3.1煤样脱气、吸附平衡及注水

将制备好的煤样分别装入5个不同的煤样罐，密封称重后放置于60℃的恒温水浴中，将煤样罐与真空脱气装置相连，并启动脱气装置，对试验装置进行气密性检查，当煤样罐的复合真空计的压力显示为20Pa时停止脱气。将恒温水浴温度调整到30℃后，将充气罐与纯度为99.9%的高浓度甲烷瓶相连，向充气罐中充入预计吸附平衡压力1.3倍左右的甲烷，再将充气罐与煤样罐相连，向煤样罐缓慢充入气体，使煤样进行充分吸附并达到平衡，记录吸附平衡压力和大气压力。启动平流泵，缓慢向煤样罐煤样注入预定的水分，将煤样罐静置4h确保水分充分湿润煤体。

1.3.2 不同水分煤样瓦斯解吸试验

将煤样瓦斯吸附平衡至0.74MPa(相对压力，下同)，通过平流泵注入不同的水量；先将煤样罐与一个解吸仪连通，使煤样罐中游离瓦斯进入该解吸仪，煤样罐瓦斯压力降为0时通过旋转三通将煤样罐与另一个解吸仪连通并进行解吸，记录每分钟瓦斯解吸量。

1.3.3 不同水分煤样K1-p关系试验

研究表明，钻屑瓦斯解吸指标K1值与煤层瓦斯压力存在一定的关系[9-10]，可以较好地拟合成下式：

K1=ApB

(1)

式中：K1为钻屑瓦斯解吸指标，mL/(g·min1/2)；p为瓦斯压力，MPa；A、B为待定常数，0

通过对不同水分煤样进行吸附平衡至预定的压力，把煤样罐与WTC突出参数测定仪连接，设置到采样状态，打开煤样罐阀门放气，同时启动秒表计时，当秒表计时到2min，将煤样罐与瓦斯突出参数仪相通，由参数仪每隔30s自动测量一个解吸量数据，共测量10个数据，并记录这10个数据；测量完毕输入设备参数，暴露时间2min，确认后仪器自动计算出该平衡压力下的K1指标并记录结果。

2 实验结果与分析

2.1 不同水分煤样瓦斯解吸曲线规律分析

为研究水分对3号煤层瓦斯解吸量的影响，在吸附瓦斯压力0.74MPa的条件下，对不同水分煤样进行了瓦斯解吸试验，图2为0.74MPa下不同水分煤样瓦斯解吸量随时间的变化曲线。

图2 不同水分煤样瓦斯解吸曲线

由图2可以看出，不同水分煤样的瓦斯解吸量随时间的关系曲线形态一样，均为单调递增函数。煤样水分越高，其瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量越小，这说明水能够抑制瓦斯的解吸。

2.2 水分对钻屑瓦斯解吸指标K1值的影响分析

通过试验，测试了不同水分煤样在不同吸附压力下的瓦斯解吸指标K1值，见表1所示。

表1 不同水分、不同瓦斯压力下K1值测定结果 mL/(g·mm1/2)

根据K1-p曲线模型，对表1中不同水分下(p，K1值)数据组按照幂指数函数K1=ApB进行拟合，得出不同水分煤样K1-p拟合曲线，见图3所示；拟合函数见表2所示。

表2 不同水分煤样K1-p曲线函数

由图3和表2可以看出，瓦斯解吸指标K1值随瓦斯压力p值呈幂指数函数增大；在一定瓦斯压力下，煤样水分越高，瓦斯解吸指标K1值越小。分析不同水分煤样的K1-p曲线函数可以看出，随着煤样水分增大，K1-p曲线函数的A值逐渐减小，B值逐渐增大，K1值随p值增大速度趋于缓慢。

对表1中不同瓦斯压力条件下(Mad，K1值)数据组进行不同曲线函数的拟合，优选出(Mad，K1值)数据组拟合曲线和函数，见图4和表3所示。

图4 不同压力煤样K1值与Mad拟合曲线图

表3 不同压力煤样K1值与Mad拟合曲线函数

由图4和表3可以看出，不同瓦斯压力下，煤样瓦斯解吸指标K1值与水分Mad均能够较好地符合负指数函数关系，因此某一具体压力条件下，煤样瓦斯解吸指标K1值与水分Mad的关系式为

K1=αeβ·Mad

(2)

式中α、β为待定常数。

3 含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值修正

新景矿3号煤层保安分区3707工作面煤样原煤水分Mad=1.5%，代入煤样K1-p曲线公式K1=0.4520p0.5743，计算得出3号煤层瓦斯压力临界值(0.74MPa)条件下，K1值为0.38 mL/(g·min1/2)。

由表2得出0.74MPa时，煤样水分Mad与K1值的拟合函数K1=0.4355e-0.084Mad，由该式可以计算出水分为0时K1值达到最大；随着煤样水分的增大，K1值变小。因此3号煤层采用K1值作为采掘工作面突出危险性预测时，应该将临界值至少降低到0.43mL/(g·min1/2)，才能准确反映煤层的突出危险性。将水分Mad=1.5%代入该式计算，得出K1值为0.38mL/(g·min1/2)，这与K1-p曲线计算的结果一致，说明水分Mad与K1值的拟合函数可靠性较好。

3号煤层采用水力压裂增透措施后，经过取煤样进行水分测试，3号煤层水分在3.88%～5.14%之间，将水分(3.88,5.41)代入瓦斯压力临界值(0.74MPa)的拟合函数K1=0.4355e-0.084Mad中，可以得出3707工作面采取水力压裂措施后的钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值区间，为(0.27,0.31)，为防治煤与瓦斯突出事故的发生，该工作面采取水力压裂增透措施后，进行工作面突出危险性预测时，钻屑瓦斯解吸指标K1的临界值应该修正为0.27mL/(g·min1/2)。

4 结论

(1)通过实验室测试分析表明：不同水分煤样的瓦斯解吸量随解吸时间的关系函数均为单调递增函数；煤样水分越高，其瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量越小，水分能够抑制煤样瓦斯的解吸。

(2)K1值随p值呈幂指数函数增大，煤样的水分越高，K1值越小；K1值随水分Mad呈负指数函数减小，增加煤样水分能够显著降低煤层钻屑瓦斯解吸指标值。

(3)研究得出，新景煤矿3707工作面3号煤层瓦斯压力临界值0.74MPa条件下的水分Mad与K1值的函数关系为K1=0.4355e-0.084Mad，通过测试实施水力压裂措施后3707工作面煤样的水分，采用水分与K1值关系函数，得出实施水力压裂增透措施后，钻屑瓦斯解吸指标K1值的临界值应该修正为0.27mL/(g·min1/2)。

参考文献：

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