變質程度對煤樣瓦斯解吸特征參數(shù)V1值的影響實驗研究

馬金魁，陳 勇

（1．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2．煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3．中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤的解吸特性尤其是解吸特征參數(shù)V1值，在一定程度上反映了煤本身的孔隙特征和破壞程度，而破壞程度和孔隙特征是決定煤是否具有突出危險性根本因素，煤的瓦斯解吸特性尤其是解吸特征參數(shù)V1值在某種程度上能夠反映煤的突出危險性；煤中瓦斯解吸速度特征值V1與含量具有很好的線性關系，可以用來確定煤的瓦斯含量[1-3]。不同學者從不同的出發(fā)點對V1值有不同界定[4-7]。在前人研究的基礎上，通過等溫吸附-解吸實驗對不同變質程度非構造煤的解吸規(guī)律進行研究，從微觀上分析研究各因素對V1的影響效應，基于V1值對影響因素的適用性對后期煤層瓦斯含量測定提供基礎。定義煤中瓦斯解吸特征參數(shù)V1值為煤樣脫離煤體后第1 min 的瓦斯解吸速度，cm3/（g·min）[8-10]。

1 不同變質程度煤樣等溫常壓解吸實驗

為考察煤變質程度對煤解吸特征參數(shù)V1值的影響效應，設計了不同變質程度煤樣在恒定（30±0.5）°C 下等溫吸-附解吸試驗。采集焦作九里山礦非構造無煙煤（WY）、壽陽新元礦非構造貧煤（PM）、義馬礦區(qū)的非構造長焰煤（CY），分別篩選直徑為0.17～0.25 mm、1～3 mm 和自然粒度3 種煤樣，測試煤樣在瓦斯吸附平衡壓力3、1.7、0.5 MPa 下的解吸 規(guī)律，不同變質程度煤樣解吸曲線如圖1。

圖1 不同變質程度煤樣解吸曲線

根據(jù)圖1 分析可知：同一煤種的煤樣在溫度、破壞類型和吸附平衡壓力相同的情況下，煤樣粒度越小，最初30 min 的累計解吸量越大；其他條件都相同，變質程度越高，最初30 min 的累計解吸量越大。

2 變質程度對瓦斯解吸參數(shù)V1值的影響

根據(jù)定義：煤中瓦斯解吸特征參數(shù)V1值為煤樣脫離煤體后第1 min 的瓦斯解吸速度，為準確分析變質程度對瓦斯解吸參數(shù)V1值的影響，以及為了驗證根據(jù)V1值推算瓦斯含量的準確性，進行了綜合對比實驗。

對不同時段內（0~3 min、0~5 min、0~8 min、0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~45.5 min）回歸得到的回歸V1值與實際V1值進行比較：0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~44.5 min 4 個時段的回歸V1值的相對誤差平均值在34.28%～70.82%，不能滿足工程應用需求；0~3 min、0~5 min 和0~8 min 時段進一步對比，0~5 min 時段內3 個變質程度煤得到的回歸V1值都與實際V1很接近，相對誤差平均值最低，在8.29～13.85 之間，說明在0~5 min 時段瓦斯解吸更穩(wěn)定，用該時段的解吸數(shù)據(jù)回歸得到的V1值更接近實際值，且回歸相關系數(shù)均在0.90 以上，滿足工程應用的需求。選用0～5 min 的解吸數(shù)據(jù)進行變質程度對瓦斯解吸參數(shù)V1值的影響研究。不同吸附壓力下不同變質程度非構造煤的瓦斯解吸參數(shù)V1值變化曲線如圖2。

圖2 不同吸附壓力下不同變質程度非構造煤的瓦斯解吸參數(shù)V1 值變化曲線

隨著變質程度的升高，煤層瓦斯含量增大，解吸速度跟瓦斯含量成正比關系，同樣V1值也與瓦斯含量正相關。在其它條件都相同的情況下，變質程度越高解吸速度V1值越大。

3 V1值與瓦斯含量的關系

瓦斯含量W 與V1值的線性關系如下：

式中：A、B 為常數(shù)。

利用式（1）擬合實驗室測試的非構造煤無煙煤、貧煤、長焰煤的不同粒度下解吸數(shù)據(jù)，其V1值與瓦斯含量關系見表1~表3。

表1 非構造無煙煤V1 值與瓦斯含量關系

由表1～表3 可知：在0.17~0.25 mm、1~3 mm 和自然粒度下V1與含量的線性擬的擬合度很高，線性相關系數(shù)R2在0.915 7~0.999 4 之間。今后選用3個粒度中任何粒度都可以滿足用V1值快速準確測定瓦斯含量的工程要求。但是，考慮到現(xiàn)場取樣方便、易操作性，建議選用自然粒度，即鉆屑。

表2 非構造貧煤V1 值與瓦斯含量關系

4 現(xiàn)場驗證

基于變質程度對煤樣瓦斯解吸特征參數(shù)V1值影響的實驗結果，結合瓦斯解吸隨時間的變化規(guī)律、瓦斯解吸速度公式、瓦斯解吸速度影響因素等得到了九里山煤礦非構造煤WY 煤、新元煤礦非構造煤PM 煤和耿村礦非構造煤CY 煤解吸特征參數(shù)V1值與含量W 的對應關系；選取焦作礦區(qū)某礦的WY 煤和壽陽礦區(qū)某礦PM 煤進行了現(xiàn)場驗證?，F(xiàn)場驗證結果參數(shù)見表4。

根據(jù)推算得到的V1值與含量W 的線性函數(shù)與用傳統(tǒng)的煤層井下瓦斯含量測定方法測定的瓦斯含量值存在一定誤差，誤差有的偏大有的偏小，但現(xiàn)場驗證結果絕對誤差在-0.63~1.25 之間，相對誤差在1.23%到8.81%之間，現(xiàn)場驗證結果滿足工程要求的相對誤差不超過10%、準確率不低于90%的規(guī)定。

表4 現(xiàn)場驗證結果參數(shù)

5 結 論

1）在溫度、破壞類型、吸附平衡壓力和粒度相同情況下的不同變質程度的煤樣，初始30 min 的累計解吸量、初始15 min 的瓦斯解吸速度、回歸的瓦斯解吸特征參數(shù)V1值，隨變質程度的增大而增大。

2）隨著變質程度的升高，煤層瓦斯含量增大，解吸速度與瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與瓦斯含量正相關；在其它條件相同的情況下，變質程度越高解吸速度V1值越大。

3）基于變質程度對瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與含量W 的對應關系實驗室擬合相關系數(shù)達0.915 7~0.999 4，現(xiàn)場驗證結果的絕對誤差-0.63~1.25，相對誤差1.23%~8.81%，滿足工程現(xiàn)場需求。