钻屑解吸指标(Δh2)与吸附平衡压力的关系研究

郝聪聪

(晋煤集团 凤凰山煤业有限公司，山西 晋城 048007)

煤与瓦斯突出是一种严重的煤矿灾害，会造成大量的经济损失，随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出越发严重，瓦斯压力是影响煤与瓦斯突出的一个重要因素，而煤的瓦斯压力与钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)有关，钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)值越高，突出危险性越大，钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)值越低，突出危险性越小[1]。

刘志伟[2]采用不同含水率的煤样对钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)进行了研究，结果表明：钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)与含水率满足对数函数关系；卓永晨等[3]对平煤一矿的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)与瓦斯含量的关系进行了定量研究，结果表明钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)随着瓦斯含量的增加而增加，与瓦斯含量满足指数函数关系；杨德方[4]对三软煤层的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)进行了统计，发现三软煤层的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)存在偏高现象，总结出该现象是由煤层本身的性质决定的；李炎涛[5]、陈波仁[6]等建立了钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯含量的关系，通过钻屑瓦斯解吸指标反演瓦斯含量。以上研究对钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)与瓦斯压力之间的关系研究较少，本文采用解吸实验装置对软硬煤的钻屑瓦斯解吸指标进行测试，并定量得出钻屑解吸指标(Δh2)与瓦斯压力的关系，为防治煤与瓦斯突出提供理论指导。

1 煤样的制作及基本参数测试

实验煤样取自晋煤集团凤凰山煤业有限公司，在井下按照GB/T482-2008《煤层煤样采取方法》分别采集了软硬煤，密封保存后送至实验室。根据GB 474-2008《煤样的制备方法》制备粒径为0.17～0.28 mm的软硬煤煤样，制备完成以后将实验煤样放进温度为105℃马弗炉中烘干干燥，每0.5 h称重一次，直至煤样的质量不发生改变，视为干燥完成，最后将干燥煤样放入干燥器中密封保存，以便测试及备用。

试验煤样的基本参数测试按照国家标准(GB212-200，GB/T23561.12-2010，GB/T217-2008) 进行测试，其中包括灰分(Aad)，水分(Mad)、挥发分(Vad)、真密度(TRD)，视密度(ARD)，普氏系数(f)及孔隙率(φ)，测试结果如表1所示。

表1 基本参数测试结果

煤对瓦斯的吸附常数按照MT/T 752-1997《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》进行测试，测试结果如图1所示，采用Langmuir公式对图1进行拟合，即可得出煤对瓦斯的吸附常数，其a=38.205 7 mL/g，b=1.110 79 MPa-1。

图1 煤的吸附常数测试结果

2 软硬煤的瓦斯解吸规律研究

软硬煤的瓦斯解吸规律测试采用解吸实验装置进行测试，试验流程如下：

1) 将一定质量(80 g)粒径为0.17～0.28 mm的煤样装入煤样罐，拧紧煤样罐装入试验系统；

2) 采用氦气进行充气检验气密性，每组试验的检验压力大于其吸附平衡压力1 MPa；

3) 将氦气释放，对煤样罐进行抽真空，真空度达到30 Pa以下；

4) 采用甲烷瓶对煤样罐进行充气，经过数小时后，煤样达到吸附平衡；

5) 打开解吸阀门，释放出游离气体，当煤样罐的压力降为0后，开始记录不同时刻的瓦斯解吸量，并绘制散点曲线，如图2所示。

由图2可知，煤的瓦斯解吸量随着解吸时间的增加而增加；吸附平衡压力越大，解吸量越大；同一吸附平衡压力下，软煤的瓦斯解吸量大于硬煤的瓦斯解吸量；煤的瓦斯解吸量与解吸时间可采用指数函数拟合，拟合公式如式(2)所示，拟合参数如表2所示，拟合度较高。

图2 软硬煤的瓦斯解吸规律

(2)

式中：Q为解吸量，mL/g；c和d为拟合参数。

表2 解吸量与时间拟合参数

3 钻屑解吸指标(Δh2)与吸附平衡压力的关系

钻屑解吸指标(Δh2)的定义是一定质量的煤在一定时间的瓦斯解吸量，钻屑解吸指标(Δh2)采用式(3)计算[7]:

Δh2=(Q5-Q3)×100/s

(3)

式中：Δh2为钻屑瓦斯解吸指标，Pa；Q5和Q3表示第5分钟和第3分钟的解吸量，mL/g；S为解吸仪的横截面积，12.56 cm2；1 cm水柱=100 Pa。

根据图2中第5分钟和第3分钟单位质量煤的瓦斯解吸量及煤样质量，即可计算出软硬煤的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)，如图3所示。由图3可知，钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)随着吸附平衡压力的增加而增加，软煤的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)大于硬煤的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)；

图3 钻屑瓦斯解吸指标曲线

钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)与吸附平衡压力满足指数函数关系，其采用式(3)进行拟合，拟合参数如表3所示。

Δh2=f×ep/g+i

(3)

式中：f，g和i为拟合参数；p为吸附平衡压力，MPa。

表3 解吸量与吸附平衡压力拟合参数

4 结 语

1) 吸附平衡压力越大，解吸量越大；同一吸附平衡压力下，软煤的瓦斯解吸量大于硬煤的瓦斯解吸量。

2) 软煤的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)大于硬煤的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)。

3) 钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)随着吸附平衡压力的增加而增加，钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)与吸附平衡压力满足指数函数关系。