煤體瓦斯放散指標(biāo)修正研究

常未斌，馬丕梁，樊少武，張 浪

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 (煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013)

1 概述

現(xiàn)在使用的瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP的實質(zhì)是含瓦斯煤樣在0.1MPa壓力條件下，向一固定體積的近似真空空間放散時，10～60s時間內(nèi)所放散的瓦斯量(即ΔP10～60)。對煤體瓦斯放散速度隨時間衰減不大的煤樣來說，這種測定方法是適用的，但是對煤體瓦斯放散速度異常大且隨時間衰減異?？斓拿簶觼碚f，這種測定方法所測的結(jié)果就會出現(xiàn)異常，即瓦斯放散初速度極大的煤測出的ΔP值反而較小，出現(xiàn)ΔP值對預(yù)測突出危險性不敏感的情況，這是由于煤中部分瓦斯已在0～10s內(nèi)釋放［1］。

在實驗室測定瓦斯放散初速度 (圖1為實驗原理圖［2］)過程中，釋放到固定空間的瓦斯來源于試樣瓶，其中試樣瓶中的瓦斯由兩部分組成:一部分是煤粒中的孔隙系統(tǒng)的吸附瓦斯和煤粒裂隙系統(tǒng)中的游離瓦斯;另一部分是煤樣瓶中除煤樣外空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯。為了更好模擬井下實際環(huán)境，對突出起作用的是煤粒中的吸附瓦斯和游離瓦斯，而煤樣瓶中空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯是實驗過程必然產(chǎn)生的，但是賦存在地層中的煤層并不包括這部分瓦斯，所以在實驗過程中需要剔除這部分瓦斯。

圖1 瓦斯放散初速度指標(biāo)測定儀原理

實驗過程中試樣瓶的空間體積是固定的，但是不同礦區(qū)不同煤種的煤體密度存在差異［3］。由于煤體視密度的差異，導(dǎo)致煤樣破碎成規(guī)定粒度的試驗煤樣的堆積密度也會有很大的差異。所以不同的煤樣在試樣瓶中形成的空隙體積也不同，空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯量也不同。

本文研究的是煤體自身的瓦斯放散性，即在突出的最初一段時間內(nèi)煤中所含瓦斯放散出的越多，在突出過程中就越容易形成攜帶煤體流動的瓦斯流，而不是空隙體積 (指煤樣瓶中除純煤體積外包括煤樣顆粒間空隙、煤樣瓶殘余空間和通徑體積的總和)內(nèi)賦存的游離瓦斯的放散性。所以在測定瓦斯放散初速度的過程中需要剔除空隙體積內(nèi)游離瓦斯對瓦斯放散性的影響。

煤的瓦斯放散能力是一個煤質(zhì)指標(biāo)，現(xiàn)在主要通過煤的瓦斯放散初速度指標(biāo) (ΔP)來衡量，雖然該指標(biāo)被定義成“初速度”，但本質(zhì)上它是煤樣在10～60s內(nèi)煤樣釋放的瓦斯量，用在固定空間形成的壓差ΔP表示，筆者認(rèn)為現(xiàn)行的瓦斯放散初速度指標(biāo) (ΔP)的物理意義不明確，為什么要從第10s開始測定煤樣的瓦斯放散量，這缺乏理論依據(jù)，是一個經(jīng)驗時間，對于瓦斯放散能力大且隨時間衰減快的煤來說，煤體內(nèi)有一部分游離瓦斯和吸附瓦斯也會被除去，并沒有真正反映出煤的放散能力，可能會出現(xiàn) ΔP0～60很大而 ΔP10～60很小的情況。對于瓦斯放散速度隨時間衰減不十分大的煤來說，可能出現(xiàn)第10s是空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯還沒有完全釋放到固定空間內(nèi)，導(dǎo)致ΔP10～60偏大，降低了預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確率。如果采用ΔP0～60指標(biāo)，該指標(biāo)表示的是煤樣瓶中空隙體積內(nèi)的游離瓦斯形成的壓力和煤體釋放瓦斯形成的壓力之和，會出現(xiàn)沒有考慮煤體密度差異導(dǎo)致的空隙體積賦存瓦斯量對煤體瓦斯放散性的影響，且空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯在固定空間產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于煤體自身釋放的瓦斯形成的壓力，所以ΔP0～60指標(biāo)相當(dāng)于在煤體瓦斯放散量的基礎(chǔ)上增加了一個很大的基數(shù)，使該指標(biāo)在預(yù)測突出危險性的時候出現(xiàn)不敏感的情況，該指標(biāo)并不是真正意義上的煤的瓦斯放散量。

為了更好地反映煤體瓦斯放散性，筆者提出了一個新的指標(biāo) Q1，即 3.5g規(guī)定粒徑的煤樣在0.1MPa壓力下吸附瓦斯后向固定空間釋放時，用壓差Q1(Pa)表示的0～60s內(nèi)試樣瓶中釋放的總瓦斯量減去試樣瓶中空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯量。

2 理論計算煤體1min的瓦斯放散量Q1

2.1 計算試樣瓶的空隙體積

式中，V空為試樣瓶中空隙空間的體積，m3;V1為試樣瓶內(nèi)部空間體積，m3;m定為測定煤樣的質(zhì)量(煤的瓦斯放散初速度測定方法中規(guī)定取3.5×10－3kg粒徑為 0.20 ～0.25mm 的煤樣)，kg;r視為測定煤樣的視密度，kg/m3。

2.2 試樣瓶中空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯的氣體狀態(tài)方程

式中，P0為測定瓦斯放散初速度過程中的實驗室大氣壓力，Pa;R為甲烷氣體常數(shù)，J/kg·K;T實為測定瓦斯放散初速度過程中的實驗室溫度，K。

2.3 試樣瓶中空隙體積內(nèi)賦存的游離瓦斯氣體進(jìn)入固定空間后的氣體狀態(tài)方程

式中，P游為空隙體積內(nèi)的游離瓦斯進(jìn)入固定空間后形成的壓力，Pa;V2為在瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP測定中，容納釋放瓦斯的封閉空間體積，m3。

2.4 P游的計算

由查爾—波義耳 (Charles－Boyle)聯(lián)合定律可得:

即:P游=

2.5 Q1指標(biāo)的計算

式中，Q1為煤體自身瓦斯釋放量，Pa;P0為等容變壓裝置第0s時固定空間的壓力，Pa;P60為等容變壓裝置第60s時的固定空間壓力，Pa。

3 實驗設(shè)備的改進(jìn)

3.1 ΔP指標(biāo)的測定流程

目前我國具有突出鑒定資質(zhì)的單位和院校主要采用撫順煤科院的WT－1型瓦斯放散初速度測定儀、重慶煤科院的WTC－1型瓦斯放散初速度測定儀和老式的變?nèi)葑儔菏綁翰钣嬐咚狗派⒊跛俣葴y定儀，其測定流程見圖2。

圖2 ΔP指標(biāo)測定流過程

3.2 Q1指標(biāo)的測定流程

由于測定Q1指標(biāo)的時候需要輸入煤樣的參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù)，所以測定Q1指標(biāo)的流程與ΔP指標(biāo)的測定過程也不同，具體流程如圖3所示。

圖3 Q1指標(biāo)測定流程

4 實驗驗證

4.1 判定ΔP指標(biāo)合理性的判據(jù)

對于10～60s的瓦斯解吸量是否為煤樣真實的瓦斯放散初速度，可以進(jìn)行實驗驗證，通過記錄第0s時的固定空間壓力P0，第10s時固定空間的壓力P10和空隙體積中所含的游離瓦斯進(jìn)入固定空間后形成的壓力P游，即可得到如下3個判據(jù):

(1) 當(dāng)P游+P0＞P10時，說明0～10s內(nèi)煤樣瓶中的空隙體積賦存瓦斯量還沒有完全進(jìn)入固定空間，瓦斯放散初速度指標(biāo)中包含了空隙體積的游離瓦斯，相應(yīng)的ΔP值偏大，這種情況對應(yīng)瓦斯放散速度隨時間衰減不十分大的煤。

(2)當(dāng)P游+P0=P10時，說明在第10s時空隙體積的游離瓦斯恰好完全釋放到固定空間，即10s以后增加的固定空間壓力為真實的瓦斯放散初速度值。

(3) 當(dāng)P游+P0＜P10時，說明第10s以前已經(jīng)有煤體中的游離和吸附瓦斯進(jìn)入固定空間，測定的ΔP較真實的瓦斯放散初速度值偏小，這種情況對應(yīng)瓦斯放散速度異常大且隨時間衰減異?？斓拿?。

4.2 ΔP指標(biāo)在反映高瓦斯放散能力煤體中存在的問題

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，一些ΔP值差不多的煤樣，Q1指標(biāo)卻有很大的差異，列舉部分實測數(shù)據(jù)，如表1，表2所示。

從上述2個表分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然表1和表2中的這些煤樣的瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP相差無幾，但是對比表中的Q1發(fā)現(xiàn)表1和表2的瓦斯放散能力有很大的區(qū)別，因而可以確定，ΔP指標(biāo)并沒有很好地反映煤體真實的瓦斯放散能力?？梢园l(fā)現(xiàn)對于一些放散瓦斯能力特別強的煤體，Q1指標(biāo)能很好地反映出煤體真實的放散能力。

通過表2可以看出，龍宮煤礦1號井9號煤層煤體瓦斯放散能力是較強的，在突出鑒定的過程中對其周邊礦井——新化鄉(xiāng)騰龍煤礦、貴源煤礦2號井、林華礦業(yè)有限公司、貴源5號煤礦、新化鄉(xiāng)中心3號煤礦的9號煤層的突出情況進(jìn)行了統(tǒng)計［4］，發(fā)現(xiàn)其突出危險性和Q1指標(biāo)有很好的相關(guān)性。但是如果使用ΔP指標(biāo)就無法體現(xiàn)其突出危險性。

表1 高瓦斯放散煤樣實測數(shù)據(jù) Pa

表2 中等瓦斯放散煤樣實測數(shù)據(jù) Pa

5 結(jié)論

(1)理論計算確定瓦斯放散初速度指標(biāo)不能真正反映煤體的瓦斯放散能力。

(2)提出了物理意義更加明確地描述煤體瓦斯放散能力的指標(biāo)Q1。

(3)通過實驗驗證瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP不能很好地反映高瓦斯放散能力煤樣的真實放散能力。

［1］楊福蓉，王佑安.現(xiàn)用ΔP值測定方法的局限性及其改進(jìn) ［J］.煤礦安全，1992(8):27－30.

［2］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(ΔP)測定方法 (AQ1080－2009) ［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.

［3］韓德馨.煤巖學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局網(wǎng)站事故查詢系統(tǒng).http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp