注气增产对煤层突出危险性的方差分析

李国柱

(云南国能煤电有限公司，云南省红河市，652301)

随着煤矿开采深度的增加，CO2注入深煤层提高CH4气体产量的效果更加显著。同时，由于煤体对CO2具有较强的吸附作用，也是地质储存CO2的理想选择。2003年，加拿大阿尔伯塔·埃德蒙顿研究理事会联合其他相关机构在我国山西开展深部煤层开采注入CO2或CO2/N2混合气体(ECBM)，此项技术不仅提高了煤层瓦斯产量和生产效率，而且减少了温室气体对大气层的排放量，更可以长久地封存CO2。近些年来，众多学者对纯CO2、CH4及其混合气体的吸附能力做了大量的试验研究。CO2较强的竞争吸附性验证了山西沁水盆地高阶变质煤层注气增产的理论可行性，而对于低挥发性的煤层，CO2驱替呈现出复杂变化的过程。

煤的瓦斯放散初速度ΔP作为判断煤与瓦斯突出危险程度的单项指标之一，反应了含瓦斯煤体放散瓦斯快慢的程度。在煤与瓦斯突出的发展过程中，瓦斯的运动和破坏力在很大程度上取决于含瓦斯煤体在破坏时瓦斯的解吸与放散能力。注气增产技术以注CO2气体增产效果最为明显，但注入CO2气体对煤的突出危险性尚不明朗。以煤的瓦斯放散初速度ΔP为指标，并结合单因素方差分析的方法，开展注气(CO2)增产技术对煤层突出危险性的影响研究。

1 常压吸附下CO2和CH4的放散试验

1.1 试验煤样

此次常压下煤的放散初速度测定使用的煤样来自云南白龙山煤矿无烟煤，样品煤中水分1.34%，灰分12.42%，挥发分18.17%，固定碳68.07%。煤样的采集点都在井下长臂采煤的顶端处，按煤层破坏类型，分层取样并用塑料保鲜袋真空包裹送至实验室。煤样粉碎后，筛选粒度为0.18～0.25 mm的煤样并均匀混合，再使用真空干燥箱(70℃干燥2 h)除掉煤样的外在水分。

1.2 试验配气

试验采用自制配气装置配比不同浓度的CO2和CH4混合气体。整个配气装置由3个气囊室、3个气路开关、60 ml医用注射器和一段气路三通组成。在常压状态下配置一定体积CO2与CH4的混合气体。抽取一部分混合气体，经由气相色谱仪测量其精确的气体浓度。最终五组配气结果见表1。

表1 试验配气浓度表 %

1.3 试验过程

旋下仪器的煤样瓶下部的紧固螺栓，将煤样装入。为防止脱气和充气时的煤尘飞入仪器内部，必须在煤样上盖好一层脱脂棉。装上煤样瓶后先用手扶正，再旋紧紧固螺栓。将试验用气连接到装好煤样的WT-1型瓦斯放散初速度测定仪上，打开真空泵、系统以及主机电源，以不同试验煤样名称命名系统创建的“fs”为扩展名的数据文件。试验结束后，煤样的放散速度曲线及计算结果将被保存。试验原理如图1所示。

图1 瓦斯放散初速度测定仪原理图

2 试验结果分析

在不同浓度CO2/CH4的混合气体下，不同煤种样品的放散试验结果如图2。以白龙山煤样为例，仅展示一组试验结果，如表2所示。不含CO2的瓦斯放散量在最初10 s的放散时间内，其含量变化较缓，由0 ml升高到0.42 ml。随着混合气体中CO2占比的增高，0～10 s内的放散量逐渐增加。当放散气体为纯CO2时，10 s的放散量上升到1.46 ml。可见不同的放散气体影响煤样测定放散初速度ΔP的准确性。ΔP作为规定质量和粒度煤样10～60 s时间内释放出瓦斯量的指标，随着CO2浓度的增加，10～60 s时间内释放出瓦斯量的差值逐渐增大。这表明在含CO2的放散环境中，易造成放散初速度ΔP测量值偏大。

表2 白龙山煤样放散初速度测定表 mmHg

在煤与瓦斯突出的发展过程中，瓦斯的运动和破坏力在很大程度上取决于含瓦斯煤体在破坏时瓦斯的解吸与放散能力。从表2的试验结果可以看出，随着CO2/CH4混合气体中CO2浓度不断的升高，白龙山煤样的瓦斯放散初速度逐渐增加。第二次试验结果表明，白龙山煤矿煤样瓦斯放散初速度ΔP为39.5 mmHg，是纯CH4气体下ΔP(18.6 mmHg)的两倍多。2次试验的结果呈现出相似的变化趋势，在CO2浓度低于50%之前，放散初速度ΔP增长趋势较缓。当混合气体中CO2占比超过50%后，放散初速度ΔP增长趋势十分显著。

图2 白龙山煤样在不同含CO2/CH4混合气体下放散初速度测定结果

方差分析是研究一个(或多个)自变量对一个(或多个)因变量影响的方法，是一种非常实用有效的统计检验方法，可以检验相关因素对试验结果影响的显著性。只有1个自变量和 1个因变量，则称为单因素方差分析。在本次试验中对样品放散速度影响的因素有很多，诸如水分、温度、粒径、灰分等因素。作为方差分析中应用广泛的单因素方差分析，在保证以上可控因素保持相对一致的情况下，单因素方差分析可量化含不同CO2浓度的混合气体对煤瓦斯放散初速度ΔP的影响。以白龙山煤矿煤样实测值计算为例，其计算式结果见表3。

从F分布表中查得F0.05(5,6)=4.39，F0.01(5,6)=8.75，因F0.05(5,6)

此次研究着重分析两次试验中不同浓度的混合气体对瓦斯放散初速度的影响。试验结果表明，随着CO2/CH4混合气体中CO2浓度不断的升高，白龙山煤的瓦斯放散初速度逐渐增加，且增加效果十分显著。这说明两次试验结果的单项指标(CO2气体)对瓦斯放散初速度ΔP的影响作用较为显著，进而提高了注气增产技术在实际应用中的危险性。不同煤种对CO2和CH4的竞争吸附存在本质区别，所以掌握这种对优先吸附行为的控制因素是未来注气增产技术项目设计必不可少的先决条件。

表3 白龙山煤样放散初速度ΔP方差分析表

注：SS——离差平方和；df——自由度；MS——平均平方；F——统计量；m——单因素水平；n——试验次数；Q1——组间离差平方和；Q2——组内离差平方和

3 结论

(1)针对现阶段注气增产技术可能产生的潜在隐患，分析了不同CO2浓度的混合CH4气体对瓦斯放散初速度ΔP的作用，研究了注气增产技术对煤层突出危险性的影响，降低对实际情况煤层突出危险性的误判。

(2)试验证明在压力不变的情况下，随着CO2浓度的升高，煤体的瓦斯放散初速度ΔP逐渐增大。单因素方差分析结果表明，纯CO2在情况下煤层突出危险性最大，在实际注气增产实施中，应设定在安全合理的浓度范围内。