K1值与瓦斯压力的响应特性研究

韦 博

(晋煤集团晋圣公司 亿欣煤业，山西 晋城 048006)

煤与瓦斯突出是一种复杂的煤岩动力现象，其会造成重大的经济损失。煤层瓦斯是煤与瓦斯突出的一个重要因素[1-3]，而钻屑瓦斯解吸指标(K1值)是工作面突出危险性预测的一个重要参数，许多学者对其进行了研究，《防治煤与瓦斯突出规定》对预测指标的临界值进行了规定。李跃华等[4]对干燥煤样和湿润煤样的钻屑瓦斯解吸指标(K1)进行了研究，结果表明：干燥煤样的K1值大于湿润煤样的K1值；孙锐[5]对不同含水率煤样的K1值进行了研究，发现K1值随着含水率的增大逐渐减小，且含水率与K1值满足负指数函数的关系；王栓林等[6]对布孔间距和抽采时间对K1值的影响进行了研究，结果表明抽采时间对K1值的影响程度小于布孔间距。

随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力逐渐增加，煤与瓦斯突出的危险性愈发严重，因此探析K1值与瓦斯压力的响应特性对预测煤与瓦斯突出至关重要。基于此，本文对不同瓦斯压力下的颗粒煤瓦斯解吸规律进行测试，研究K1值与瓦斯压力的响应特性，为预测煤与瓦斯突出提供理论依据。

1 实验煤样的制备

实验煤样取自山西某矿，按照GB/T482-2008《煤层煤样采取方法》采集了实验煤样，实验煤样采用保鲜膜进行密封，防止水分进入煤体，然后送至实验室。根据GB 474-2008《煤样的制备方法》制备粒径为1～3 mm及60～80 目的实验煤样，其中粒径为1～3 mm实验煤样用于K1值的测试，60～80 目实验煤样用于吸附常数及工业分析。实验煤样制作完成以后，对实验煤样进行干燥，排除水分对瓦斯解吸规律的影响。

实验煤样的基础参数测试参照国家标准(MT/T752-1997，GB212-200，GB/T23561.12-2010，GB/T217-2008)，基础参数包括吸附常数(a/b值)、水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vad)、视密度(ARD)、真密度(TRD)、坚固性系数(f)及孔隙率(φ)，测试结果如表1所示。

表1 煤样基本参数测试结果

2 实验步骤及K1值的计算原理

2.1 实验步骤

1) 将一定质量(m)干燥后的实验煤样装入实验装置的煤样罐中，装入完毕后，连接好煤样罐管路。

2) 向煤样罐中充入一定压力的氦气，对煤样罐的气密性进行检验，保证试验不漏气。采用氦气进行检漏的原因是，氦气为非吸附性气体，煤样对氦气不产生吸附作用。

3) 采用高负压真空泵对煤样罐进行抽真空，当真空计示数小于20 Pa时，视为抽真空结束。

4) 将浓度为99.99%的甲烷充入煤样罐中，不断进行补气，当压力达到预定的吸附平衡压力且稳定4 h，视为吸附平衡。

5) 吸附平衡后，使煤样罐在常压下解吸，并记录解吸时间和解吸量。

6) 解吸完成后，重复步骤(3)～(5)进行其它吸附平衡压力点的测试。

2.2 K1值的计算原理

K1值是基于巴雷尔式进行计算，巴雷尔式[7]如式(1)所示，K1值的意义是瓦斯解吸曲线的斜率。因此，采用式(1)对解吸量与时间的关系曲线进行拟合，即可获得K1值。

(1)

式中：Q为累计瓦斯解吸量，mL/g；K1为1 min内的瓦斯解吸量，mL/(g·min0.5)；t为解吸时间，min。

3 K1值与瓦斯压力的响应特性研究

按照上述实验步骤，测试颗粒煤在瓦斯压力为0.35 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa及1.5 MPa时的瓦斯解吸量，测试结果如图1所示。

图1 不同吸附平衡压力下瓦斯解吸量随时间的变化规律

由图1可知，同一吸附平衡压力下，解吸量随着时间的增加而增加，但增加的梯度逐渐减小；吸附平衡压力越大，解吸量越大。采用式(1)对解吸量与时间的关系曲线进行拟合，拟合曲线如图1所示，K1值如表2所示。K1值与吸附平衡压力的关系曲线如图2所示。

表2 不同吸附平衡压力下的K1值

图2 K1值与吸附平衡压力的关系曲线

由图2可知，K1值随着吸附平衡压力的增加而增加，但增加的梯度逐渐减小，K1值与吸附平衡压力满足负指数的函数关系。由此说明，瓦斯压力越大，钻屑瓦斯解吸指标(K1值)越大，突出危险性越大。

4 结 语

1) K1值可通过巴雷尔式对瓦斯解吸量和解吸时间的数据获得。

2) 同一吸附平衡压力下，解吸量随着时间的增加而增加，但增加的梯度逐渐减小；吸附平衡压力越大，解吸量越大。

3) K1值随着吸附平衡压力的增加而增加，但增加的梯度逐渐减小，K1值与吸附平衡压力满足负指数的函数关系。

4) 瓦斯压力越大，钻屑瓦斯解吸指标(K1值)越大，突出危险性越大。