构造煤瓦斯解吸特征及对煤与瓦斯突出的影响

金 兵

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013）

构造煤是指在构造应力作用下，煤体的原生结构发生复杂的变形或破坏乃至其内部的化学成分和结构发生变化的一类煤[1]。同原生结构煤相比，构造煤具有的低煤体强度，高瓦斯含量以及初期瓦斯快速放散等特性使得它与煤与瓦斯突出紧密的联系在一起。国内外大量的事例分析表明，煤与瓦斯突出受构造煤控制作用明显[2-5]。对于构造煤的瓦斯解吸特性，前人在构造煤的孔隙结构特征[6-8]、瓦斯解吸数学模型与经验公式[9-10]等方面进行了广泛的研究。

通过实验精确测定了不同平衡压力下寺家庄构造煤与原生结构煤的恒温瓦斯解吸量和解吸速度，结合现场数据，从构造煤厚度与钻屑敏感指标的角度，分析了构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用，对于煤与瓦斯突出事故的预防及煤层气资源的开发利用具有重要意义。

1 瓦斯解吸实验

1.1 实验装置

实验装置由充气单元、真空脱气单元、恒温控制单元及瓦斯解吸测定单元组成。针对实验条件及数据采集方面进行了改进，采用数控恒温箱进行实验温度控制，可实现-60～150℃范围的恒温实验条件，实验温差小于1℃；采用气体质量流量传感器进行解吸数据的测定，传感器采集精度为±1%F.S，响应时间10 ms，数据采集周期为1 s，结合计算机可以对数据进行精确采集与实时处理。

1.2 实验样品

山西阳泉寺家庄矿是煤与瓦斯突出危险性矿井，15号煤层是煤与瓦斯突出煤层，发生过多次突出和喷孔等动力现象。实验选用寺家庄矿15号煤层的原生结构煤及构造煤煤样，按标准（GB 474—2008）进行破碎，筛分粒度1～3 mm的煤样，并在105℃下用干燥箱干燥24 h备用，寺家庄15号煤层煤样采样信息见表1。

表1 寺家庄15号煤层煤样信息

1.3 实验步骤

1）煤样预处理。精准称量50 g试样装入煤样罐，压实后在煤样上加盖脱脂棉，密封煤样罐后检查气密性。

2）煤样真空脱气。设定恒温箱温度为（60±1）℃，打开煤样罐对试样真空脱气至4 Pa，稳定2 h后停止脱气。

3）煤样吸附平衡。脱气结束后，调整恒温箱温度至（30±1）℃，打开充气阀门，通过缓冲装置对煤样罐充入99.99%纯度的甲烷气体,充气压力为理想吸附平衡压力的1.2倍，在恒温下吸附48 h至设定的吸附平衡压力，实验设定的吸附平衡压力为0.50、1.00、1.50 MPa。

4）煤样瓦斯解吸数据测定。解吸温度设定为30℃，待传感器读数归零稳定后，放出游离瓦斯，当煤样罐压力指示为0时，迅速连接至传感器进行瓦斯解吸速度及解吸量的数据测定，数据采集记录周期为1 s，瓦斯解吸速度及解吸量测定时间均为120 min。

2 实验结果与分析

2.1 构造煤瓦斯解吸量变化规律

利用瓦斯解吸参数测定装置对寺家庄构造煤及原生结构煤样进行了不同平衡压力下的恒温解吸实验。构造煤与原生煤瓦斯解吸量特征曲线如图1。

图1 构造煤与原生煤瓦斯解吸量特征曲线

从图1可以看出，2种结构煤样的解吸量都随时间单调增加，同一种煤样的解吸量曲线在不同平衡压力下具有相似的变化特征，平衡压力越大，相同时间内的瓦斯解吸量也就越大。与原生结构煤相比，构造煤的解吸量曲线具有明显的分段特征[11]：在煤样瓦斯解吸初期（0～3 min）内，构造煤的解吸量迅速增加，特别是第1 min内瓦斯解吸量增加最快，此阶段为初期解吸段；在3～10 min期间解吸量曲线逐渐趋于平缓，解吸量增长较快，为快速解吸段；10 min后，解吸量曲线斜率衰减缓慢，解吸量平缓稳定增加，为稳定解吸段。

为了更好地研究寺家庄构造煤与原生结构煤试样的初期瓦斯解吸特征，对实验过程中采集的初期解吸阶段（0～3 min）及特殊时间段（0～1 min和 3～5 min)的解吸量数据进行整理，不同结构煤瓦斯初期解吸量见表2。分析可知，在初期解吸阶段，不同平衡压力下构造煤的瓦斯解吸量占120 min总解吸量的比重平均可达45.69%，远高于同条件下原生煤的比重均值21.39%。其中，第1 min内构造煤的瓦斯解吸量占总解吸量的比重均值为34.72%，是同条件下原生煤的2.79倍，而在第3~第5 min内构造煤和原生煤瓦斯解吸量占总解吸量的比重均值分别是6.56%和5.71%，差距明显缩小。通过对比不同时间段内解吸量占比的变化情况可以看出，构造煤与原生煤的初期解吸特征存在显著差异，构造煤的初期瓦斯解吸量对总解吸量贡献更大，平均可达原生煤的2.14倍，这种差距在第1 min内尤为明显，但在1 min后迅速减小,说明构造煤的初期解吸特征主要由第1 min内解吸特性控制。

表2 不同结构煤瓦斯初期解吸量

2.2 构造煤瓦斯解吸速度变化规律

实验采集了120 min内2种煤样在各平衡压力下的瓦斯解吸速度数据，从全程的解吸速度曲线上看（图2），构造煤与原生煤的解吸速度主要在在前3 min有较明显的差距。在初期解吸阶段特别是第1 min内，构造煤与原生煤的解吸速度都随时间迅速衰减，但构造煤的解吸速度明显大于同条件下原生煤的解吸速度。

图2 构造煤与原生煤瓦斯解吸速度变化曲线

构造煤与原生煤瓦斯初期解吸速度变化情况见表3。在实验设定的3种平衡压力下，寺家庄构造煤瓦斯初始解吸速度（煤体暴露后第1 s瓦斯的解吸速度）可达 10.11～15.75 mL/(g·min)，是相同实验条件下原生煤 1.72～2.32 倍；在 0～30 s，30～60 s与 1～2 min内构造煤的平均速度分别为原生煤的1.60～2.09倍，1.47～1.83倍与 1.41～1.60倍，表明这种差距在第1 min内迅速变小，3 min之后构造煤与原生煤的解吸速度基本趋于稳定。

表3 构造煤与原生煤瓦斯初期解吸速度变化情况

3 煤与瓦斯突出危险性分析

实践表明，煤与瓦斯突出事故的发生与构造煤分布情况密切相关。受多期地质构造作用的影响，寺家庄矿15号煤层构造煤分布广泛,且具有条带状分布、成层发育的特点，厚度普遍在0.3 m以上，突出事故以中小型事故为主，多发于煤巷掘进过程中。为预防突出事故，现场采用钻屑瓦斯解吸指标K1作为局部突出危险性预测的敏感指标。K1的物理意义为在煤样暴露于大气1 min内，每克煤样的瓦斯解吸总量，它综合的反映了煤样的初期解吸特性。在15106进、回风巷掘进期间，K1值与构造煤厚度随掘进距离的变化情况（图3）具有较明显的一致性，构造煤厚度增加时，K1值通常也会显著增加。

为更好的研究构造煤对K1的影响特征，根据数据的分布情况，以每200 m长的巷道作为1个研究区间，统计分析各区间内构造煤厚度均值与K1均值，通过数据拟合可以看出各区间的K1均值随构造煤平均厚度的增大而增大，且具有良好的线性相关性（图4），说明在构造煤发育区域，构造煤的存在加大了煤与瓦斯突出的危险性。

图3 K1值与构造煤厚度随掘进距离变化情况

图4 各区间K1均值随构造煤厚度的变化情况

4 结论

1）构造煤与原生煤的瓦斯解吸量都随时间单调递增，且平衡压力越大，相同时间内解吸量越大。构造煤解吸量曲线同原生煤相比有显著的分段特征，可分为初期解吸段、快速解吸段和稳定解吸段。

2）构造煤的初期瓦斯解吸特征与原生煤相比差异显著，第1 min内瓦斯解吸量可达120 min总解吸量的31.55%～38.07%，远高于同条件原生煤的10.94%～14.24%；构造煤的初始解吸速度可达10.11～15.75 mL/（g·min），是相同实验条件下原生煤的初始解析速度的1.72～2.32倍，构造煤的初期解吸特征主要受第1 min内的解吸特性控制。

3）钻屑瓦斯解吸指标K1反映了煤样的初期解吸特征，现场实践表明，K1均值随构造煤平均厚度的增大而增加，并具有较好的线性相关性，在构造煤发育区域，煤与瓦斯突出危险性显著增加。