煤的瓦斯放散特性多因素影响试验

魏宗勇，薛梦华，胡宇航，范富槐，周雨璇，杨 婷，龚宴兵

（1．西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054；2．教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安710054）

煤与瓦斯突出严重威胁煤矿的安全生产，其中煤体瓦斯放散性能是影响煤与瓦斯突出的重要因素，瓦斯放散初速度既是衡量煤体瓦斯放散性能的主要指标，又是表征煤层突出危险性的指标之一[1]。近年来，众多学者对煤的瓦斯放散特性进行了深入研究，得到了许多丰富成果[2-6]。这些研究大多数为单因素对瓦斯放散特性的影响，多因素影响研究相对较少。因此，主要通过WT-1 型瓦斯放散初速度测定仪，基于单因素试验方法与正交试验方法，测定煤体变质程度、粒径大小、含水量等因素影响下的瓦斯放散初速度，利用方差分析法，分析各因素单独影响以及影响显著性，进而研究煤体放散特性。

1 试验原理及仪器

试验采用前苏联学者提出的煤在1 个大气压下吸附45 ～60 s 的瓦斯放散量与0 ～10 s 内放散量的差值作为煤的瓦斯放散初速度[7]。试验选用的设备为中煤科工集团沈阳研究院的WT-1 瓦斯放散初速度测定仪[8]。该测定仪整机电路由单片微机系统、传感器、数据采集电路、显示电路、键盘、打印机及电源等部分组成。整个测试只需根据计算机界面提示按动按键即可完成，消除人为因素对试验结果带来的误差，测试后的结果自动存储，并以曲线报表的形式打印输出。WT-1 型瓦斯放散初速度测定仪如图1。

图1 WT-1 型瓦斯放散初速度测定仪

2 试验设计

2.1 单因素试验

试验研究主要考虑煤的不同变质程度（以镜质组反射率R0表征），不同粒径以及不同含水量对煤的放散瓦斯速率影响。

煤变质程度对瓦斯放散速率影响的试验，选用5 种煤样：屯堡（R0=0.45%）、碱沟（R0=0.53%）、硫磺沟（R0=0.66%）、艾维尔沟（R0=0.99%）、小甘沟（R0=1.13%）。

含水量对瓦斯放散速率影响的试验，选用艾维尔沟及小甘沟2 组，制取4～5 g 粒径为60～80 目（180～250 μm）的标准煤样分别浸泡0、2.0、4.0、6.0、8.0 h，浸泡结束后，称取自然状态下，以及分别浸泡2.0、4.0、6.0、8.0 h 的煤样各3.5 g 进行试验。

煤样粒径对瓦斯放散初速度影响的试验，选用小甘沟及艾维尔沟2 组煤样，分别筛取20～30 目（0.6～0.9 mm），30～40 目（0.45～0.6 mm），40～50 目（0.355～0.45 mm），50～60 目（0.28～0.355 mm），60～80 目（0.2～0.28 mm）的煤样进行试验。

2.2 正交试验

正交试验方法是一种可满足均衡性和正交性条件的多因素试验方法，它是从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行，代表点具有整齐和均匀的特点。试验选取煤样变质程度A、含水率B、粒径C 3个因素分析，每个因素设置3 个水平，正交试验设计参数以及水平见表1，试验采用“三因素三水平”L9（33）正交试验设计方法[9]，瓦斯放散初速度正交设计方案见表2。

表1 正交试验设计参数以及水平

表2 瓦斯放散初速度正交设计方案

在试验过程中，煤样变质程度选择3 种：碱沟（R0=0.53%），硫磺沟（R0=0.66%），小甘沟（R0=1.13%）；含水率选择3 种：0%、15%、30%；粒径选择3 种：20～30 目、40～50 目、60～80 目。

2.3 煤样制备

仿照筛分模数测定法[10]，采用落锤法对每样进行粉碎。即对试验中选用的3 种煤样进行粉碎，按照粒径为20～30 目、40～50 目、60～80 目，分别称取20 g，按照试验方案进行编号，每组试验进行2 组，按照试验方案称取对应质量的煤样，在煤样中加入相应质量的水（即试验1、试验4、试验7 均为3.5 g煤样；试验2、试验5、试验8 均为2.975 g 煤样和0.525 g 水；试验3、试验6、试验9 均为2.45 g 煤样和1.05 g 水），搅拌，放置30 min 使煤与水充分混合进行测试。

3 试验结果分析

3.1 单因素试验结果分析

在WT-1 型瓦斯放散初速度测定仪上按照单因素试验进行试验，煤变质程度与瓦斯放散初速度关系如图2（1 mmHg=133.322 4 Pa）。

图2 煤变质程度与瓦斯放散初速度关系图

从图2 可知，随着镜质组反射率R0的增大，瓦斯放散初速度不断增大。为了精确试验结果，建立多项式拟合模型、对数函数以及幂函数拟合模型，对试验散点图像及拟合度进行分析。通过线性回归得出瓦斯放散初速度△p 与镜质组反射率R0呈对数曲线关系，拟合方程为：

由以上拟合模型表达式结合幂函数的图像和性质可知，煤变质程度对瓦斯放散初速度的影响基本符合对数函数在第一象限内，瓦斯放散初速度△p为增函数，即得到试验结果：煤体镜质组反射率R0越大，瓦斯放散初速度△p 越大。艾维尔沟、小甘沟浸泡时间对△p 的影响关系分别如图3。

图3 浸泡时间对△p 的影响关系图

从图3 可知，在煤体含水量对瓦斯放散初速度的影响试验中，含水量越高，瓦斯放散初速度越慢。通过线性回归得出浸水时间t 对瓦斯放散初速度△p 的影响呈二次曲线关系，拟合方程为：

艾维尔沟：

小甘沟：

煤样浸水时间在一定程度上可以决定煤样的含水量，但不可控因素过多，试验误差较大，但仍可以从测量数据得出含水量越高，则瓦斯放散初速度越小的结论。但这种影响并不是无限制的。当煤样含水量达到饱和时，其瓦斯放散初速度将不再随浸水时间的变化而变化，这就可以解释为什么小甘沟组煤样在浸水2 h 后瓦斯放散初速度无明显变化。

粒径对△p 影响关系如图4。从图4 试验研究可以初步得到，煤体粒径越大，瓦斯放散初速度越小。

图4 粒径对△p 影响关系图

通过线性回归得出粒径φ 对瓦斯放散初速度△p 的影响呈幂函数关系，拟合方程为：

粒径对煤样瓦斯放散初速度的影响效果很明显，但当粒径小于一定值后影响效果会逐渐减弱。同时，当煤样粒径增大时，瓦斯的流动阻力不断增大，使得瓦斯放散初速度减小。随着粒径减小，瓦斯放散初速度不断增大，粒径越小，煤体破碎度越高，瓦斯放散初速度越大，煤层的突出危险性就越大[11-14]。

3.2 正交试验结果分析

试验使用WT-1 型瓦斯扩散速度测定仪测定结果，正交试验结果见表3。从表3 中数据可以看出，第1 组瓦斯放散初速度最大，2 次试验平均值为18.05，试验组合为碱沟（R0=0.53%）、0%含水量、20～30 目第6 组瓦斯放散初速度最小，2 次试验平均值为13.35，试验组合为硫磺沟（R0=0.66%）、30%含水量、20～30 目。

表3 正交试验结果

式中：SSi为离差平方和；Iij为i 因素j 水平条件下的△p 值；r 为正交试验水平数，试验取r＝3；Ik为试验编号为k 的试验的△p 平均值，k＝1，2，3，…，9；n为总试验次数，n＝9；m 为各因素水平数，试验取m＝3。

正交试验在不同变质程度A、水份B、粒径C因素影响下，煤样瓦斯放散速率F 值分别为：FA＝20．794，FB＝5．343，FC＝1．740。取显著性水平α＝0．1 进行方差分析，试验结果方差分析见表4。由结果可知，变质程度的F 值为20．794，大于F 的临界值F0．1（2，2）＝9．00，说明变质程度对煤样瓦斯放散速率的影响较显著。而含水量和粒径F 值均小于临界值，说明其对煤样瓦斯放散初速度的影响不显著。由此可以得出，3 个因素对煤样瓦斯放散初速度的影响程度由大到小依次是变质程度、含水量和粒径。

表4 试验结果方差分析

4 结 论

1）镜质组反射率是衡量煤变质程度的指标，随着煤变质程度的增加，镜质组反射率高，瓦斯放散初速度越大；煤变质程度越低，瓦斯放散初速度越小。

2）在一定限度内，煤的粒径越小，其比表面积越大，对瓦斯的吸附能力越强，则瓦斯放散初速度越大；同时，当煤样粒径增大时，瓦斯的流动阻力不断增大。使得瓦斯放散初速度减小。

3）煤的浸水时间越长，其含水量越高；煤的含水量越高，瓦斯放散初速度越小。

4）在试验范围内，各因素对煤的瓦斯放散初速度敏感性由大到小依次为煤样变质程度、含水量、粒径。