范 磊，劉 操，龐澤明

(1.山西東輝集團(tuán)趙家山煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400;2.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南 焦作 454000;3.河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454000)

·試驗(yàn)研究·

瓦斯解吸量在突出預(yù)測(cè)中的可靠性研究

范 磊1，劉 操2，龐澤明3

(1.山西東輝集團(tuán)趙家山煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400;2.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南 焦作 454000;3.河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454000)

采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法，研究得出了瓦斯解吸量作為突出預(yù)測(cè)指標(biāo)是敏感可靠的。突出煤體的瓦斯解吸量大，瓦斯解吸速率快，瓦斯解吸量和瓦斯壓力之間有著密切的關(guān)系，本文提出通過(guò)研究解吸時(shí)間、瓦斯壓力、瓦斯解吸量等之間的關(guān)系，來(lái)確定瓦斯解吸量的臨界值的方法。

瓦斯解吸量;解吸速率;瓦斯解吸規(guī)律;瓦斯壓力

前幾年，河南省平煤集團(tuán)平禹煤電公司四礦發(fā)生了數(shù)次煤與瓦斯突出事故，事故均發(fā)生在12190機(jī)巷，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。事故發(fā)生前后對(duì)平禹四礦的瓦斯解吸量進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和試驗(yàn)室研究，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比、綜合分析等手段得出了一些初步結(jié)論和規(guī)律。

1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)定和分析

1.1 瓦斯解吸量定義

瓦斯解吸量即一定重量的煤鉆屑自然條件下自煤體脫落暴露于大氣之中一定時(shí)間后的瓦斯解吸總量。利用排水集氣法原理，采用瓦斯解吸儀和能容納300 g左右煤鉆屑的煤樣罐測(cè)量，單位為mL。瓦斯解吸量測(cè)定方法同《地勘時(shí)期瓦斯含量測(cè)定方法》(AQ 1046－2007)第4節(jié)“瓦斯解吸速度的測(cè)定”。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

2008年6月至2008年7月下旬，通過(guò)施工本煤層鉆孔或者穿層鉆孔對(duì)平禹四礦12190機(jī)巷、12190風(fēng)巷、一下采區(qū)專(zhuān)回、11030采面、11030風(fēng)巷等處進(jìn)行了多次瓦斯解吸量測(cè)定，測(cè)定時(shí)間、取樣深度、解吸規(guī)律、測(cè)定結(jié)果等見(jiàn)表1。前5 min的瓦斯解吸速度規(guī)律見(jiàn)圖1。

表1 平禹四礦瓦斯解吸量原始數(shù)據(jù)

圖1 平禹四礦瓦斯解吸速度變化規(guī)律

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)比表1和圖1可以看出:

1)瓦斯解吸量大。

由表1可以看出，發(fā)生突出的12190機(jī)巷測(cè)定的瓦斯解吸總量為720～1 064 mL。在12190機(jī)巷所測(cè)定的5次瓦斯含量中，每次測(cè)定的瓦斯解吸量大大超過(guò)了其它地點(diǎn)的瓦斯解吸量。說(shuō)明12190機(jī)巷在自然條件可解吸的瓦斯量相對(duì)較高，突出危險(xiǎn)程度較高。

2)解吸速率快(瓦斯釋放快)。

2.7 能量的調(diào)整和轉(zhuǎn)換。根據(jù)物體能量的轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律，提出了土壩的裂縫破壞是由于壩體內(nèi)部的變形和能量積累轉(zhuǎn)換造成的。要根除這種隱患，就必須使壩體內(nèi)部分土體所積累的應(yīng)變能充分釋放。劈裂灌漿就是通過(guò)灌漿壓力和土體濕陷變形，使原有的土體裂縫充分開(kāi)裂，使己出現(xiàn)的弱應(yīng)力區(qū)和強(qiáng)應(yīng)力區(qū)之間的應(yīng)力應(yīng)變能相互傳遞轉(zhuǎn)換，打破原壩體內(nèi)部應(yīng)力的不平衡，恢復(fù)正常的應(yīng)力狀態(tài)，使壩體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變相對(duì)穩(wěn)定。

由圖1可以看出，12190機(jī)巷所測(cè)定的瓦斯解吸規(guī)律的斜率界于45.6～77.2，即平均每分鐘都要解吸45～80 mL。突出危險(xiǎn)大的地點(diǎn)瓦斯解吸速率都很大，即在煤體暴露后瓦斯釋放速度非?？?，在極短的時(shí)間內(nèi)為發(fā)生突出提供了充足的瓦斯，瓦斯膨脹提供能量導(dǎo)致煤體突出。

3)瓦斯解吸量與突出動(dòng)力現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

12190 機(jī)巷935～957 m段含量鉆孔施工過(guò)程中不但發(fā)生噴孔和煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象，還發(fā)生了突出事故，瓦斯解吸量很好地印證了該段的突出危險(xiǎn)性。瓦斯解吸量指標(biāo)預(yù)測(cè)到了動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生，具有很高敏感程度。

2 瓦斯解吸量的實(shí)驗(yàn)室研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

瓦斯解吸量的實(shí)驗(yàn)室研究是根據(jù)解吸法測(cè)定煤層瓦斯含量的基本原理進(jìn)行的試驗(yàn)探索，基本原理是:先在井下特定的地點(diǎn)取一定量的鉆屑帶回實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)帶回的煤樣進(jìn)行篩分，再分別將不同粒度的煤樣裝入煤樣罐，然后用真空泵分別對(duì)不同粒度的煤樣進(jìn)行脫氣處理，脫氣后對(duì)煤樣罐充入高純度瓦斯氣體使其達(dá)到一定的壓力，當(dāng)煤樣平衡約24 h后(煤樣罐中的壓力基本不再變化)，將煤樣罐打開(kāi)并進(jìn)行倒罐，然后用解吸法直接測(cè)定煤樣的瓦斯解吸量。其吸附解吸系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 瓦斯解吸量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)制取煤樣。制取1～3 mm煤樣約500 g。將一定量的煤樣裝入煤樣罐，在老虎臺(tái)鉗旋緊裝有壓力表的蓋，并確保不漏氣。

2)對(duì)煤樣抽真空。將煤樣罐固定，打開(kāi)真空泵，并對(duì)煤樣罐煤樣進(jìn)行抽真空，時(shí)間為2 h。

3)對(duì)煤樣加壓充入瓦斯。關(guān)閉真空泵，打開(kāi)瓦斯氣瓶閥門(mén)，然后緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使管路中的瓦斯氣體壓力達(dá)到所需要的壓力值(0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa)。

4)煤樣吸附瓦斯。關(guān)閉瓦斯氣瓶閥門(mén)，卸下帶壓力表的煤樣罐，吸附24 h。

5)煤樣瓦斯解吸量測(cè)定。將煤樣罐與瓦斯解吸儀連接，測(cè)定煤樣的瓦斯解吸量。

2.3 瓦斯解吸量臨界值初探

由平禹四礦12190機(jī)巷采集新鮮原煤，制取成1～3 mm煤樣，裝入煤樣罐中，同時(shí)脫氣2 h，充入高純度瓦斯氣體后使其平衡24 h，將煤樣罐打開(kāi)，暴露2 min后，連接瓦斯解吸儀測(cè)定瓦斯解吸規(guī)律和前3 min的瓦斯解吸量。不同瓦斯壓力下瓦斯解吸規(guī)律測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3，不同瓦斯壓力下前3 min的瓦斯解 吸量變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

由圖3和圖4可以看出:

1)瓦斯解吸量隨瓦斯壓力升高而線性增大，瓦斯解吸速度隨解吸時(shí)間增加呈負(fù)指數(shù)減少。

2)假定暴露2 min后，測(cè)定前3 min的瓦斯解吸量作為一個(gè)固定指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性，那么可以通過(guò)研究瓦斯解吸量和瓦斯壓力的關(guān)系來(lái)推算其臨界值。

3)取平禹四礦始突瓦斯壓力為0.74 MPa，那么可以得出瓦斯解吸量的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)臨界值為131 mL。

3 結(jié)論和建議

通過(guò)平禹煤電公司四礦突出事故前后的瓦斯解吸量指標(biāo)的測(cè)定和煤樣的實(shí)驗(yàn)室研究得出以下結(jié)論:

1)瓦斯解吸量指標(biāo)對(duì)于平禹四礦的煤體較其它突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感。瓦斯解吸速度快，瓦斯解吸量大，可短時(shí)間為煤體突出提供足夠的瓦斯膨脹能，平禹四礦煤與瓦斯突出必定是以瓦斯為主導(dǎo)作用的突出。因此，建議將瓦斯解吸量作為突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)納入到日常工作中，將抽放釋放瓦斯作為防突的重點(diǎn)工作。

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)看出，瓦斯解吸量與瓦斯壓力和解吸時(shí)間關(guān)系密切，只要賦予一個(gè)固定時(shí)間即可通過(guò)研究瓦斯解吸量和瓦斯壓力的關(guān)系來(lái)推算其臨界值。平禹四礦可解吸瓦斯量的臨界值為131 mL，建議采用工業(yè)性試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性。

3)以檢測(cè)瓦斯為手段的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)有△h2、k1等?！鱤2、k1指標(biāo)測(cè)定時(shí)選用煤樣很少，瓦斯解吸量指標(biāo)采用300 g左右的煤樣測(cè)定，其誤差較小，而且可以通過(guò)直觀觀察瓦斯氣泡在水中冒處來(lái)減少人為誤差。因此，建議國(guó)內(nèi)各礦區(qū)加強(qiáng)瓦斯解吸量指標(biāo)的研究來(lái)確保工程適用性。

Reliability Study on Gas Desorption Volume in Outburst Prediction

Fan Lei，Liu Cao，Pang Ze－ming

With the methods of scene testing and laboratory experiment，the research obtains that the gas desorption amount as the outburst prediction indicator is sensitive and reliable.The gas desorption quantity of outburst coal is large，gas desorption rate is fast，the gas desorption quantity and the gas pressure has a close relationship.In this paper puts forward that through studying the relationship between desorption time，gas pressure，gas desorption quantity and etc.，determines the critical value method of gas desorption quantity.

Gas desorption volume;Desorption rates;Rule of gas desorption;Gas pressure

TD713

A

1672－0652(2012)08－0039－03

2012－07－03

范磊(1979—)，男，2010年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤炭開(kāi)采及安全管理方面的工作(E －mail)zhangbingqi666@163.com