煤體結(jié)構(gòu)對瓦斯解吸放散特征影響試驗研究*

張逸斌，齊慶杰，張浪，張慧杰，王維華

( 1.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000；3. 煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；4. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

0 引言

煤體結(jié)構(gòu)類型可分為構(gòu)造煤與原生煤。構(gòu)造煤是原生煤在構(gòu)造應力作用下形成的具有新的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征的變形煤[1]，其按破壞程度的不同表現(xiàn)為破裂狀、碎裂狀、顆粒狀和粉末狀等狀態(tài)，并且呈現(xiàn)出層理紊亂、煤質(zhì)松軟、鏡面發(fā)育、孔隙率高，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞或完全消失[2]的特點。前人研究指出：與原生煤相比，構(gòu)造煤瓦斯解吸初速度更大，其瓦斯解吸量是一條遞增的分段性曲線，隨著時間的推移呈現(xiàn)出快速解吸段、緩慢解吸段和平穩(wěn)解吸段，但瓦斯吸附速率隨時間變化呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的狀態(tài)。在吸附初期，構(gòu)造煤的瓦斯吸附速率最快，因此構(gòu)造煤在更短時間內(nèi)達到吸附平衡，吸附效率更高[3-4]。目前大多數(shù)人認為瓦斯在煤體中的流動符合菲克定律[5-9]。關于瓦斯解吸與放散規(guī)律，國內(nèi)外專家學者提出了包括文特式、巴雷爾式[10]、烏斯基諾夫式[11]、孫重旭式[12]、王佑安式[13]、艾黎式、博特式等多種瓦斯解吸規(guī)律經(jīng)驗公式，但是由于煤體結(jié)構(gòu)不同，所表現(xiàn)出的解吸規(guī)律往往有所差異。本文采用實驗室試驗的方法，分別對原生煤與構(gòu)造煤在恒溫下進行不同吸附壓力下的瓦斯吸附/解吸與放散規(guī)律試驗，最終擬合得到寺家莊礦15#煤層不同煤體結(jié)構(gòu)的瓦斯放散特征函數(shù)，研究成果對于指導煤與瓦斯突出災害防治以及煤層氣資源的開發(fā)與利用具有至關重要的意義。

1 現(xiàn)場概況及煤樣采集

1.1 煤與瓦斯突出資料統(tǒng)計

寺家莊公司為典型高突礦井，15#煤層為煤與瓦斯突出煤層，據(jù)統(tǒng)計，自2005年建井至今在尚未投產(chǎn)條件下已累計發(fā)生大小突出近40次，其中突出和動力現(xiàn)象大多數(shù)發(fā)生在南區(qū)，其次為北區(qū)，中央?yún)^(qū)相對較少，煤層始突埋深408 m(標高+536 m)。收集、統(tǒng)計寺家莊公司有明確記錄的典型煤與瓦斯突出事故資料，在近年來發(fā)生過的突出事故中，存在斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的案例有7次，無不反映了地質(zhì)構(gòu)造與煤與瓦斯突出的產(chǎn)生存在著密切的聯(lián)系。

1.2 煤樣采集

選取15#煤層典型地點采集煤樣5組，煤樣信息見表1。

表1 寺家莊15#煤層煤樣采集資料匯總Table 1 Summary of coal sample collection at No.15 coal seam in Sijiazhuang

2 瓦斯吸附-解吸規(guī)律研究

2.1 等溫吸附解吸試驗

采用美國康塔公司iSorbHP2高壓吸附儀，在室溫20℃條件下進行等溫吸附實驗，

選取煤樣粒徑為0.2～0.25 mm，實驗前樣品在真空干燥箱中干燥24 h。

煤對瓦斯的吸附作用采用單分子層吸附理論描述，吸附過程符合Langmuir方程：

V=VLp/(pL+p)

(1)

式中：VL為蘭氏體積，指煤體中瓦斯的最大吸附量；PL為蘭氏壓力，指瓦斯吸附量達到蘭氏體積一半時所對應的平衡壓力。蘭氏體積代表了煤對瓦斯的吸附能力，是煤的瓦斯吸附特性的重要指標之一[14]。

Langmuir方程也常以下面的形式出現(xiàn)：

V=abp/(1+bp)

(2)

式中：V為瓦斯吸附量；P為吸附平衡壓力；a，b為吸附常數(shù)。

2.2 試驗結(jié)果分析

基于公式(1)～(2)，針對SJZ-1～SJZ-5煤樣進行瓦斯吸附解吸試驗，對試驗結(jié)果進行非線性擬合，得到吸附常數(shù)，試驗結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表2 寺家莊煤樣吸附解吸試驗分析結(jié)果Table 2 Results of analysis on adsorption and desorption of coal samples in Sijiazhuang

吸附常數(shù)是考察吸附解吸能力至關重要的表征參數(shù)，吸附常數(shù)a值即壓力趨于極限時的飽和吸附量，b值為吸附量隨壓力變化的速率。由上表可知，構(gòu)造煤吸附量稍大于原生煤，構(gòu)造煤較原生煤a，b值分別提升6.3%，21%。

3 瓦斯放散規(guī)律研究

3.1 恒溫瓦斯放散試驗

選取已采集的典型煤樣，按照《煤樣的制備方法》GB474規(guī)定，篩分出粒度為1～3 mm的煤樣。實驗室分別研究0.5，0.75，1.0，1.5 MPa平衡壓力條件下120 min內(nèi)寺家莊礦2組煤樣的瓦斯解吸量與時間的關系，按照公式(3)將120 min內(nèi)的解吸量換算成標準狀況下的體積。

(3)

式中：Qt指瓦斯解吸量換算成標準狀態(tài)下的體積，mL；Q′t指實測瓦斯解吸總量，mL；tw為室溫，℃；Patm為大氣壓力，Pa；hw指解吸儀內(nèi)液柱高度，mm；P0指室溫飽和水蒸氣壓力，Pa[15]。

3.2 試驗結(jié)果分析

1)不同吸附壓力下的瓦斯放散特征

分別選取寺家莊15#煤層采取的典型煤樣SJZ-1原生煤與SJZ-4構(gòu)造煤進行不同平衡壓力下的恒溫瓦斯放散試驗，瓦斯解吸量與時間關系試驗結(jié)果見圖1～2。

圖1 寺家莊礦原生煤煤樣(SJZ-1)的恒溫瓦斯放散試驗結(jié)果Figure.1 Results of thermostatic gas emission test of the primary coal sample(SJZ-1)from Sijiazhuang mine

由寺家莊15#煤層不同煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的瓦斯解吸過程得出：隨著時間的推移，瓦斯累積解吸量與平衡瓦斯壓力呈正相關趨勢；初始時刻解吸曲線斜率最大且隨時間呈遞減趨勢，其大小取決于吸附常數(shù)。這種現(xiàn)象說明：煤對瓦斯的吸附作用隨壓力增大而增大；瓦斯解吸量、解吸速度與吸附壓力呈正比關系；瓦斯解吸速度隨著時間的推移逐漸減??；構(gòu)造煤與原生煤的瓦斯放散曲線有較大差異，尤其體現(xiàn)在瓦斯放散初期，構(gòu)造煤瓦斯放散速度更大，就達到極限解吸量所需時間而言，構(gòu)造煤所需時間更短。

圖2 寺家莊礦構(gòu)造煤煤樣(SJZ-4)的恒溫瓦斯放散試驗結(jié)果Figure.2 Result of thermostatic gas emission test of coal sample(SJZ-4)from Sijiazhuang mine

2)瓦斯放散擬合公式研究

為了尋求適用于寺家莊礦15#煤層不同煤體結(jié)構(gòu)的解吸規(guī)律公式，分別采用烏斯基諾夫式、巴雷爾式、孫重旭式、對數(shù)公式4種方法對實驗室不同吸附壓力下的解吸數(shù)據(jù)進行擬合分析，公式匯總結(jié)果見表3。

表3 瓦斯解吸規(guī)律經(jīng)驗公式匯總Table 3 Summary of experience formulas for gas desorption

為了比較各公式的擬合效果，實驗選用寺家莊礦15#煤層典型煤樣SJZ-1原生煤和SJZ-4構(gòu)造煤，針對不同吸附壓力進行擬合測試。擬合過程如圖3～8所示，各擬合公式的擬合度在圖例中標出，最終選出適用于寺家莊礦15#煤層不同煤體結(jié)構(gòu)的擬合公式。

圖3 寺家莊礦15號煤層原生煤(SJZ-1)瓦斯放散擬合公式(0.5MPa)Fig.3 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (0.5MPa)

圖4 寺家莊礦15號煤層原生煤(SJZ-1)瓦斯放散擬合公式(1.0MPa)Fig.4 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (1.0MPa)

圖5 寺家莊礦15號煤層原生煤(SJZ-1)瓦斯放散擬合公式(1.5MPa)Fig.5 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (1.5MPa)

圖6 寺家莊礦15號煤層構(gòu)造煤(SJZ-4)瓦斯放散擬合公式(0.5 MPa)Fig.6 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (0.5 MPa)

圖7 寺家莊礦15號煤層構(gòu)造煤(SJZ-4)瓦斯放散擬合公式(1.0 MPa)Fig.7 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (1.0 MPa)

圖8 寺家莊礦15號煤層構(gòu)造煤(SJZ-4)瓦斯放散擬合公式(1.5 MPa)Fig.8 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (1.5 MPa)

觀察圖3～5可知，巴雷爾公式、對數(shù)公式能夠較準確的表達原生煤長時間(120 min)內(nèi)的解吸特性，但對于構(gòu)造煤的表達有較大誤差。相比較，孫重旭式及烏斯基諾夫式對構(gòu)造煤和原生煤解吸曲線擬合均取得了較高的相似系數(shù)，擬合效果較好。

由圖3～8可以看出：利用烏斯基諾夫式、孫重旭式對不同煤體結(jié)構(gòu)120 min內(nèi)解吸數(shù)據(jù)進行擬合，孫重旭式、烏斯基諾夫式分別對應原生煤與構(gòu)造煤時所得指數(shù)最接近1，說明寺家莊礦15#煤層原生煤瓦斯放散特性利用孫重旭式能夠準確擬合，該式可作為其原生煤瓦斯放散特征函數(shù)；構(gòu)造煤瓦斯放散特性利用烏斯基諾夫式擬合程度最高，該式可作為其構(gòu)造煤瓦斯放散特征函數(shù)。

4 結(jié)論

1)等溫吸附解吸試驗表明構(gòu)造煤吸附量稍大于原生結(jié)構(gòu)煤，吸附常數(shù)a值較原生煤提高6.3%左右，b值較原生煤提高21%左右。

2)高壓力吸附平衡條件下，煤樣對瓦斯的吸附作用更強，吸附壓力與瓦斯解吸量、解吸速度成正相關關系，構(gòu)造煤與原生煤的瓦斯放散曲線有較大差異，尤其體現(xiàn)于瓦斯放散初期，構(gòu)造煤瓦斯放散速度更大，就達到極限解吸量所需時間而言，構(gòu)造煤所需時間更短。

3)孫重旭式對該礦原生煤瓦斯放散曲線擬合效果最好，可以作為其原生煤瓦斯放散特征函數(shù)；烏斯基諾夫式對該礦構(gòu)造煤瓦斯放散曲線擬合程度最高，可以作為其構(gòu)造煤瓦斯放散特征函數(shù)。

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