粒徑對(duì)煤中瓦斯放散初速度影響實(shí)驗(yàn)研究

楊萌萌，　袁梅,2,3,4，　徐林，　許石青,2,3,4，　李闖，　王玉麗

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽　550025; 2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽　550025; 3.貴州省優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽　550025;4.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心， 貴州 貴陽　550025)

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粒徑對(duì)煤中瓦斯放散初速度影響實(shí)驗(yàn)研究

楊萌萌1，袁梅1,2,3,4，徐林1，許石青1,2,3,4，李闖1，王玉麗1

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽550025; 2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025; 3.貴州省優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽550025;4.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心， 貴州 貴陽550025)

為了分析粒徑對(duì)煤中瓦斯放散初速度的影響，以某煤礦4號(hào)煤層小于7目、7～10目、10～18目、18～35目的自然風(fēng)干、烘干及水分含量分別為3%、5%、7%的煤樣為研究對(duì)象，借助WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀，測(cè)試了不同含水率煤樣的瓦斯放散初速度與粒徑的關(guān)系，并測(cè)試了自然風(fēng)干和烘干5h，粒徑為小于7目與35～60目、7～10目與35～60目、10～18目與35～60目的煤樣，在配比分別為6∶1，5∶2，4∶3，3∶4，2∶5，1∶6情況下的瓦斯放散初速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粒徑減小，不同含水率的煤中瓦斯放散初速度不斷增大，且粒徑越小，煤中瓦斯放散初速度的增大趨勢(shì)越明顯；煤層中粒徑小的煤顆粒占比越大，煤中瓦斯放散初速度越大。

瓦斯放散初速度； 粒徑； 瓦斯吸附； 瓦斯解吸； 含水率； 粒徑配比

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0　引言

煤中瓦斯放散初速度可以表征煤的瓦斯放散能力，反映煤中瓦斯的滲透和流動(dòng)規(guī)律，是鑒定煤層是否發(fā)生煤與瓦斯突出(簡(jiǎn)稱突出)的4項(xiàng)基本指標(biāo)之一[1]。瓦斯放散初速度越大，煤中的瓦斯能越大，煤體初始釋放瓦斯能力越強(qiáng)，煤層的突出危險(xiǎn)性就越大。煤的溫度、含水率、變質(zhì)程度、粒徑等對(duì)瓦斯放散初速度都有影響，其中煤的粒徑對(duì)瓦斯放散初速度影響最大[2]。劉彥偉等[3-4]認(rèn)為粒徑變化會(huì)改變軟、硬煤粒中瓦斯擴(kuò)散速度和擴(kuò)散系數(shù)的差異特征。吳鑫等[5]認(rèn)為煤的破碎程度越大，即粒徑越小，突出危險(xiǎn)性程度越高，發(fā)生突出的強(qiáng)度越大。許江等[6]認(rèn)為煤的粒徑會(huì)影響型煤的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)突出影響明顯，煤的粒徑越小，型煤表面孔隙結(jié)構(gòu)的分型維數(shù)越大，突出發(fā)生的程度越大。煤顆粒的粒徑反映了煤的結(jié)構(gòu)破碎程度，煤的破碎程度越嚴(yán)重，煤層突出危險(xiǎn)性越大。煤層瓦斯具有的初始釋放瓦斯膨脹能決定了突出危險(xiǎn)性大小，煤中瓦斯放散初速度可反映煤層瓦斯具有的初始釋放瓦斯膨脹能，所以研究粒徑對(duì)煤中瓦斯放散初速度影響，對(duì)防治瓦斯災(zāi)害、預(yù)測(cè)突出等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　實(shí)驗(yàn)儀器及煤樣制備

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀，如圖1所示。該儀器采用全自動(dòng)操作程序，測(cè)定結(jié)果可自動(dòng)存儲(chǔ)，以曲線報(bào)表的形式輸出[7]。

圖1　WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀

1.2煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣選自貴州省西北部畢節(jié)地區(qū)的林華煤礦4號(hào)煤層，為無煙煤，煤化程度最高，具有一定的代表性。實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)GB/T212—2001對(duì)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，測(cè)定的基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析參數(shù)

根據(jù)AQ1080—2009及WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀要求，將所取煤樣粉碎，用不同目數(shù)的篩子篩取不同粒徑范圍的煤樣各500g，粒徑分布為小于7目、7～10目、10～18目、18～35目、35～60目。將每一個(gè)粒徑范圍的煤樣分為2份，一份自然風(fēng)干，另一份放入烘箱烘干5h制成干燥煤樣。取各粒徑的烘干煤樣60g，平均分為3份，用噴霧器向每份烘干煤樣噴少量水霧并攪拌均勻，將制備好的煤樣放入密閉容器內(nèi)浸潤(rùn)10d，使水充分浸潤(rùn)煤樣，制得各粒徑水分含量分別為3%，5%，7%的煤樣。

2　實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)圖1中WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀的煤樣罐從右至左分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)，每種煤樣罐放置3.5g煤樣，其中1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)分別為一組平行實(shí)驗(yàn)。按照實(shí)驗(yàn)要求，每種煤樣需取2個(gè)試樣做平行實(shí)驗(yàn)，設(shè)2個(gè)試樣瓦斯放散初速度ΔP分別為ΔP1和ΔP2，則當(dāng)ΔP1=ΔP2時(shí)，ΔP取ΔP1；當(dāng)|ΔP1-ΔP2|≤1mL/s時(shí)，ΔP取二者最大值；當(dāng)|ΔP1-ΔP2|>1mL/s時(shí)，為不合格，應(yīng)重新裝樣測(cè)試[8]。

為了分析粒徑對(duì)煤中瓦斯放散初速度的影響，分別測(cè)試了在不同含水率[9]、不同粒徑配比情況下煤中瓦斯放散初速度與粒徑的關(guān)系。

2.2不同含水率煤樣瓦斯放散初速度與粒徑的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)方案：取含水率不同的5種煤樣(分別為自然風(fēng)干、烘干5h、3%含水率、5%含水率、7%含水率)，每種煤樣又分為粒徑小于7目、7～10目、10～18目、18～35目這4組，分別裝入WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀的煤樣罐，在外界溫度、壓力等條件相同的情況下，測(cè)定瓦斯放散初速度ΔP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出，隨著粒徑不斷減小，5種不同含水率的煤樣瓦斯放散初速度不斷增大，且粒徑越小，增大的趨勢(shì)越明顯;烘干5h的煤樣各粒徑范圍內(nèi)的瓦斯放散初速度大于其他含水率的煤樣，含水率為7%的煤樣各粒徑范圍內(nèi)的瓦斯放散初速度最小。造成煤樣瓦斯放散初速度隨粒徑減小而不斷增大的原因主要包括：

圖2　不同含水率煤樣瓦斯放散初速度與粒徑關(guān)系

(1) 煤中瓦斯以吸附和游離2種狀態(tài)賦存在煤層中，通常吸附狀態(tài)的瓦斯占煤中總瓦斯量的10%左右，游離狀態(tài)的瓦斯占煤中總瓦斯量的90%左右[10]。粒徑對(duì)煤吸附瓦斯量的影響主要在于粒徑導(dǎo)致煤孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響了孔容，粒徑越小，孔容越大，吸附瓦斯越多，瓦斯放散初速度越大。

(2) 隨著煤樣粒徑不斷減小，煤中瓦斯的擴(kuò)散阻力減小，相同時(shí)間內(nèi)煤中瓦斯的解吸量增加；隨著煤樣粒徑不斷減小，在煤基質(zhì)內(nèi)部和孔隙表面的瓦斯分子分布更加均勻，分子密度更大，相同時(shí)間內(nèi)煤中瓦斯的解吸量增加；隨著煤樣粒徑不斷減小，煤樣的孔隙比表面積、孔隙體積增加，參與解吸的瓦斯分子增多，瓦斯分子的濃度增大，煤中吸附瓦斯的解吸速度增加?？梢姡S著煤粒徑的不斷減小，煤中吸附瓦斯的解吸量和解吸速度增加，使得煤中瓦斯放散初速度不斷增加。

對(duì)圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到不同含水率煤樣粒徑x與煤樣瓦斯放散初速度ΔP的擬合方程，見表2。

表2　不同含水率煤樣粒徑與煤樣瓦斯放散初速度的擬合關(guān)系式

根據(jù)表2可知，在實(shí)驗(yàn)所選粒徑范圍內(nèi)，烘干5h和自然風(fēng)干煤樣瓦斯放散初速度與粒徑的擬合關(guān)系為

(1)

式中：C1，C2為由瓦斯壓力、煤樣的含水率等確定的常數(shù)項(xiàng)。

含一定水分的煤樣瓦斯放散初速度與粒徑的擬合關(guān)系為

(2)

式中C3為常數(shù)，其值隨含水率的增大而減小。

由圖2和表2可看出，不同含水率的煤樣瓦斯放散初速度與粒徑的關(guān)系不同，主要原因是煤樣粒徑變化會(huì)改變煤樣中水分的分布，使得粒徑變化對(duì)含水煤樣中瓦斯的吸附、解吸、擴(kuò)散、滲透和運(yùn)移規(guī)律的影響與干燥煤樣不同，粒徑對(duì)含水煤樣瓦斯放散初速度的影響機(jī)理更為復(fù)雜。

2.3不同粒徑配比煤樣瓦斯放散初速度的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)方案：根據(jù)煤層中不同粒徑煤樣混合分布的實(shí)際情況，針對(duì)自然風(fēng)干和烘干5h這2種煤樣，分別設(shè)置粒徑組合為小于7目與35～60目、7～10目與35～60目、10～18目與35～60目，每一種粒徑組合設(shè)置6種配比，分別為6∶1，5∶2，4∶3，3∶4，2∶5，1∶6。將不同粒徑配比的煤樣分別裝入WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀的煤樣罐，測(cè)定瓦斯放散初速度ΔP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

(a) 自然風(fēng)干煤樣

(b) 烘干5 h煤樣

從圖3可看出，3組不同粒徑配比的煤樣，隨著35～60目煤樣的不斷增多，煤中瓦斯放散初速度不斷增加，說明煤層中粒徑小的煤顆粒占的比重越大，煤中瓦斯放散初速度越大，煤層發(fā)生突出事故的可能性越大；不同粒徑的煤樣混合，混合粒徑都較小時(shí)，瓦斯放散初速度較大，符合前文得出的不同含水率煤樣瓦斯放散初速度隨粒徑減小而不斷增加的結(jié)論。

3　結(jié)論

(1) 隨著粒徑不斷減小，不同含水率的煤樣瓦斯放散初速度不斷增大，且粒徑越小，煤樣瓦斯放散初速度增大趨勢(shì)越明顯。主要原因：粒徑導(dǎo)致煤孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，影響了孔容，粒徑越小，孔容越大，吸附瓦斯越多，瓦斯放散初速度越大；隨著煤粒徑的減小，煤中吸附瓦斯的解吸量和解吸速度增加，使得煤中瓦斯放散初速度增加。

(2) 煤層中粒徑小的煤顆粒占比越大，煤中瓦斯放散初速度越大，煤層發(fā)生突出的可能性越大。

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Experimental research of influence of coal particle size on initial speed of methane diffusion

YANG Mengmeng1,YUAN Mei1,2,3,4,XU Lin1,XU Shiqing1,2,3,4,LI Chuang1,WANG Yuli1

(1.MiningCollege,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 2.GuizhouKeyLaboratoryofComprehensiveUtilizationofNon-metallicMineralResources,Guiyang550025,China;3.GuizhouEngineeringLabofAdvantageMineralResourcesEfficientUtilization,Guiyang550025,China; 4.EngineeringCenterforSafeMiningTechnologyunderComplexGeologicConditions,Guiyang550025,China)

Inordertoanalyzeinfluenceofcoalparticlesizeoninitialspeedofmethanediffusion,therelationshipofparticlesizeandinitialspeedofmethanediffusionofcoalsampleswithdifferentmoisturecontentwastestedbyuseofWT-1typeinitialspeedofmethanediffusiontester.ThecoalsampleswerecollectedinNo.4coalseaminacoalminewithdifferentparticlesizesoflessthan7mesh, 7-10mesh, 10-18mesh, 18-35meshanddifferentmoisturecontentofnaturaldrying,drying, 3%, 5%and7%.Andtheinitialspeedofmethanediffusionofcoalsamplesofnaturaldryinganddryingfor5hweretested,whichwerewithdifferentparticlesizesoflessthan7mesh& 35-60mesh,7-10mesh& 35～60mesh,and10-18mesh& 35-60meshunderdifferentproportionof6∶1,5∶2,4∶3,3∶4,2∶5and1∶6.Theexperimentalresultsshowthatinitialspeedofmethanediffusionofcoalsampleswithdifferentmoisturecontentincreasesastheparticlesizedecreases,andtheparticlesizesmaller,theincreasingtrendismoreobvious;theproportionofcoalparticleswithsmallparticlesizeincoalseamlarger,theinitialspeedofmethanediffusionofcoalsamplesislarger.

initialspeedofmethanediffusion;coalparticlesize;gasadsorption;gasdesorption;moisturecontent;proportionofparticlesize

1671-251X(2016)09-0056-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.013

2016-03-10；

2016-07-21；責(zé)任編輯：李明。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574093)；貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(院研20160101)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(黔科合J字[2015]2049號(hào))；貴州大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(貴大人基合字[2015]30號(hào))；貴州省科技廳、貴州大學(xué)聯(lián)合資金計(jì)劃資助項(xiàng)目(黔科合LH字[2014]7654)；貴州省高校工程技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目(黔教合KY字[2013]112)。

楊萌萌(1990-)，女，山東聊城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V山災(zāi)害防治，E-mail：yangmengmeng7777@163.com。

袁梅(1973-)，女，貴州貴陽人，教授，博士，研究方向?yàn)槊旱V安全，E-mail：gutyuanmei@126.com。

TD712

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 10:16

楊萌萌，袁梅，徐林，等.粒徑對(duì)煤中瓦斯放散初速度影響實(shí)驗(yàn)研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(9)：56-59.