瓦斯放散初速率与煤的坚固性系数的相关特性研究

张 帅，李 昂

(1.山西高河能源有限公司 瓦斯研究室，山西 长治 046100； 2.山西焦煤集团有限责任公司 技术中心，山西 太原 030053)

随着矿井采掘深度的延伸，瓦斯灾害治理难题日趋凸显，成为制约煤矿井下正常采掘接替的主要因素。瓦斯放散特性表征了煤体释放瓦斯的能力，对于预测采掘工作面瓦斯涌出具有十分重要的意义[1]. 煤层瓦斯放散初速度Δp值是衡量瓦斯放散特性的主要参数之一，同时也是鉴定煤层煤与瓦斯突出危险性的指标之一。前人研究结果表明，煤体结构特征[2]、孔裂隙发育程度[3]、煤的变质程度[4,5]、煤体吸附性能[6]、煤的工业参数[7-9]等对煤层瓦斯放散初速度Δp具有重要影响作用。同时，上述影响因素还对煤的坚固性系数有同样影响作用[10-12]. 因此，通过分析高河能源3#煤层瓦斯放散初速度分布规律，并探求瓦斯放散初速度与煤的坚固性系数之间的相互关系，为准确预测3#煤层瓦斯放散特性提供科学依据，并为矿井瓦斯涌出快速预测和瓦斯灾害防治提供可靠依据。

1 煤层及瓦斯赋存概况

高河能源位于山西省长治县，主采3#煤层，矿井生产能力为7.5 Mt/a. 根据最新瓦斯等级鉴定结果可知，2018年矿井绝对瓦斯涌出量为256.61 m3/min，相对瓦斯涌出量为18.37 m3/t，鉴定为高瓦斯矿井。高河能源井田呈南北走向分布，开采标高+570～+300 m，整体呈南高北低的分布特征。由于受多期构造作用影响，煤层地质条件赋存复杂，煤体结构存在不同程度的破坏变形，构造煤较为发育，并呈现出南高北低的不稳定、不饱和瓦斯赋存特征。根据最新瓦斯基础参数测定结果可知，煤层瓦斯含量为6.01～12.03 m3/t，煤层瓦斯压力为0.37～0.72 MPa，煤层透气性系数小于0.1 m2/(MPa2·d)，属难抽采煤层。

2 煤层瓦斯放散初速度(Δp)值分布规律

瓦斯放散初速度(Δp)是衡量含瓦斯煤体暴露时放散瓦斯从吸附转化为游离状态快慢的一个指标，是表征煤体放散瓦斯能力的一个物理量，同时也反映了瓦斯渗流和流动的规律，其本质是3.5 g粒度0.2～0.25 mm的煤样，经抽真空后在0.1 MPa压力下对纯瓦斯进行吸附饱和，在一定负压状态下10～60 s的解吸量在特定空间(27 mL)内产生的压力。依据《煤的瓦斯放散初速度指标(Δp)测定方法》AQ1080-2009的规定，瓦斯放散初速度指标测定包括变容变压式和等容变压式两种方法，一般采用等容变压式，其测定仪示意图见图1.

1—真空泵 2、8、9—阀门 3—固定空间 4—压力传感器 5—试样瓶 6—管路 7—甲烷气源图1 放散初速度指标测定仪示意图

为研究和探讨高河能源3#煤层不同区域瓦斯放散初速度区域分布特征，以全矿井均匀设点考察为目标，综合考虑煤样选取地点，共取煤样测定31组，根据测定数据绘得3#煤层瓦斯放散初速度(Δp)值分布特征，见图2.

图2 3#煤层瓦斯放散初速度分布特征图

由图2可知，3#煤层瓦斯放散初速度值均大于10，测定值为13.50～22.10，平均值17.32. 在区域分布特征上，3#煤层瓦斯放散初速度不具有明显的规律特征，但受地质构造影响明显，构造区煤层瓦斯放散初速度普遍大于其他非构造区域，平均测定值为20.95，其他非构造区平均值为16.80.

3 煤层Δp值与f值的相关性分析

煤的坚固性系数f值是表示煤抵抗外力破坏能力大小的一个综合性指标，它是由煤的物理力学性质(主要是强度、硬度、脆性)所决定的。

依据(GB/T 23561.12-2010)《煤的坚固性系数测定方法》，测定方法采用落锤法，其基本原理为：在一定重量落锤的作用下，测算一定重量煤样的破碎程度。测定工具为捣碎筒和计量筒。该次研究所测煤的坚固性系数f值取样地点与煤层瓦斯放散初速度测定Δp值取样地点相同，共取样测定31组，根据测定数据可得3#煤层Δp值与f值对应分布关系，见图3.

图3 3#煤层Δp值与f值的分布关系图

由图3可看出，3#煤层瓦斯放散初速度与煤层坚固性系数呈负相关，即随着坚固性系数的增大，煤层瓦斯放散初速度总体呈下降趋势，这验证了坚固性系数越小，煤体破坏越严重，煤体孔隙越发育，致使瓦斯放散初速度值越大，拟合直线方程见式(1).

Δp=-11.20f+23.03

(1)

从图3也可以看出，当煤层坚固性系数在0.4～0.6时，煤层瓦斯放散初速度呈现不均匀分布状态，分布规律整体趋势不变，但是具有较大波动性。出现这种现象的主要原因是煤层结构的差异性，即同一坚固性系数条件下煤层粒径分布的不同造成了瓦斯放散初速度的不同。此外，3#煤层坚固性系数主要集中在0.4～0.6，整体呈松软煤层。

4 结 论

通过对高河能源3#煤层瓦斯放散初速度Δp值分布特征与煤层坚固性系数f值进行研究分析可得出：

1) 在区域分布特征上，3#煤层瓦斯放散初速度Δp值不具有明显的分区分布特征，但受地质构造影响，构造区煤层瓦斯放散初速度普遍大于其他非构造区域。

2) 3#煤层瓦斯放散初速度Δp值与煤层坚固性系数f值呈负相关，即随着坚固性系数f值的增大，煤层瓦斯放散初速度Δp值总体呈下降趋势，并符合Δp=-11.20f+23.03的线性关系。

3) 当煤层坚固性系数f值在0.4～0.6时，煤层瓦斯放散初速度呈现不均匀分布状态，分布规律整体趋势不变，但是具有较大波动性。