突出煤體視密度測定技術研究

田世祥 ，馬瑞帥 ，鄒義懷 ，林華穎 ，許石青 ，曾建華

（1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

煤與瓦斯突出是地應力和瓦斯壓力作用在含瓦斯煤體的一種動力現(xiàn)象[1]。在煤與瓦斯突出事故中，石門揭煤的突出危害最大，80%以上的特大型突出發(fā)生在石門揭開煤層時[2-4]，石門揭煤時煤與瓦斯的延期突出更是讓人防不勝防[5]。因此，可靠的石門揭煤突出危險性預測方法對保障礦井安全生產(chǎn)至關重要。蔣承林教授從能量角度出發(fā)[6]，提出了煤體突然暴露后所釋放的初始釋放瓦斯膨脹能指標來預測石門揭煤的突出危險性，初始釋放瓦斯膨脹能表征了地應力、瓦斯壓力和煤體物理力學特性，預測結果與現(xiàn)場的實際突出危險具有很好的一致性。然而，準確測定初始釋放瓦斯膨脹能的前提是對煤樣視密度測定的準確性。關于煤體視密度的測定方法，1999年，張淑娟等[7]首次提出了運用“倒稱法”對孔隙介質進行視密度測定；1995 年，He Huang 等[8]分別運用H2、He 以及它們的混合氣體對Argonne 煤田優(yōu)質煤樣進行視密度研究；由于“倒稱法”用于測定煤體視密度時誤差較大，采用H2、He 以及它們的混合氣體測定煤體視密度時操作復雜，現(xiàn)階段多采用“GB/T 6949—2010 煤的視相對密度測定方法”[9]對煤體進行視密度測定，該方法要求煤樣采集粒度為10～13 mm。由于突出煤體粒徑往往不能滿足該方法的粒徑要求，且該方法存在蜂蠟浸潤松軟煤粒內部孔隙和裂隙，或者煤粒表層脫落造成煤樣損失[10]等方面的不足?；诖?，通過理論分析煤樣視密度與粒徑之間的關系，以選取于全國各地9 個不同變質程度的煤樣為研究對象，采用自主研制的視密度測定裝置進行實驗研究，以期為突出煤體視密度測定提供一種新方法。

1 模擬煤層法可行性分析

由于煤是復雜的多孔質體，煤中空隙在較寬廣范圍內變化[11]。為使問題簡化同時突出重點，并且可以反應煤體表觀密度最基本規(guī)律，做以下假設：①煤樣顆粒以球形顆粒組成；②煤樣顆粒為均質，各向同性體；③裂隙在煤體上為均勻分布。煤粒簡圖如圖1。

圖1 煤粒簡圖Fig.1 Coal particle diagram

煤的取樣質量為：

式中：M 為煤樣質量，kg；v 為煤樣總體積，m3；ρ1為煤樣中的空隙在煤樣體積中的分布密度，kg/m3；ρ2為煤樣的真密度，kg/m3。

煤樣中1 個顆粒的體積為：

式中：v1為煤樣 1 個顆粒的體積，m3；d 為煤樣顆粒的粒徑，m。

煤樣中所包含的煤粒個數(shù)A 為：

煤樣1 個顆粒的開放性空隙的體積為：

式中：v2為煤樣1 個顆粒的開放性空隙的體積，m3；△x 為煤粒表層的 1 個微小距離，m。

當△x 很小的時候得：

所取煤樣的總的開放性空隙為：

式中：△v1為煤樣總的開放空隙體積，m3。

所以煤樣的視體積為：

式中：V1為所選取煤樣的視體積，m3。

計算出所選取煤樣的視密度為：

式中：ρ 為煤樣的視密度，kg/m3。

由式（8）可知，煤樣視密度ρ 與該煤樣的真密度ρ2、煤樣中的空隙在煤樣體積中的分布密度ρ1、煤樣的粒徑d 和煤粒表層裂隙分布的微小距離△x 有關。由于 ρ2、ρ1是煤樣本身的屬性，可視為常數(shù)；△x 是微觀量，可視為定值。因此，煤樣視密度ρ隨煤樣的粒徑d 變化而變化。設 B=（1-ρ1）ρ2同時 C=3ρ1△x 可得：

式中：B、C 為常數(shù)，由煤體本身屬性決定。

分析式（9）得：隨著煤樣粒徑增大其視密度逐漸減小，當煤樣粒度足夠大時煤樣視密度趨于定值。突出煤體由于受地應力作用煤粒間相互擠壓，可將突出煤體看做粒徑無限大的煤粒，即此時煤體視密度趨于定值。而“GB/T 6949—2010 煤的視相對密度測定方法”往往忽略突出煤體由于撤去地應力和吸附大量瓦斯而的產(chǎn)生的膨脹變形[12]，與井下煤層賦存條件不一致。因此，對能否在實驗室條件下針對突出煤體模擬井下地應力環(huán)境，后充入高壓瓦斯，待煤樣吸附平衡后測定煤樣視密度進行實驗研究。

2 煤樣采集與實驗設備

2.1 煤樣采集

為保證實驗結果的可靠性，從全國主要產(chǎn)煤基地選取9 個變質程度不同的煤樣進行研究。煤樣采集要求是松軟類煤層或者硬煤中的軟分層。

煤樣采集采用壓風引射取樣裝置取得。在打鉆過程中，外接風機與鉆桿內腔連接，鉆進時采取正壓吹風鉆進防止鉆桿內腔堵塞。鉆進到取樣地點后翻轉風流方向，外接風機與鉆桿內腔形成負壓將鉆頭切割出來的煤樣抽出來。取樣鉆進過程中一定要慢，當出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時正壓吹風疏通。將取得的煤樣及時的裝入不透氣的塑料袋中保護起來并確保運輸過程中煤樣不受到破壞。

煤樣統(tǒng)計見表1。由表1 可知，采集的煤種分布從低變質程度的長焰煤到高變質程度的無煙煤，煤樣破壞類型為Ⅳ、Ⅴ類，堅固性系數(shù) 0.12～0.38，滿足實驗要求的松軟突出煤層。將采集煤樣破碎至2 mm 以下，加水攪拌均勻后密封保存。

表1 煤樣統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of coal sample

2.2 實驗設備

為在實驗室條件下模擬煤層在井下賦存狀態(tài)，實驗裝置主要由4 部分組成，分別是壓力機、缸體、壓柱和充氣裝置，視密度測定裝置原理如圖2。

圖2 視密度測定裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of apparent density measuring device

1）壓力機。壓力機選用YF-10000F 長時穩(wěn)壓壓力實驗機，最大壓力為10 000 kN。施加壓力后關閉油閥，該壓力機所施加的壓力可以在48 h 內保持壓力不變。

2）缸體。煤樣缸體設計為圓柱形，缸體直徑為600 mm，缸體壁厚度為80 mm。在最大壓力范圍內，煤樣受力可達到35 MPa，可模擬井下Ⅳ、Ⅴ類破壞類型煤體的受力情況。

3）壓柱。壓柱為圓柱形設計，在實驗中起到直接壓制煤樣的作用。

4）充氣裝置。提供一定數(shù)值的瓦斯壓力，保證實驗時煤樣充分吸附瓦斯。

3 實驗研究

3.1 實驗步驟

1）將實驗設備連接好，同時將堵頭封閉，為后續(xù)的實驗做好準備。

2）用校準好的電子秤，稱取所需要的煤樣質量。為保證煤層充分壓實，將稱取好的煤樣分4 次壓制，之后對缸體施加1 個單軸成型壓力維持30 min 左右。煤樣壓制成型后，將軸向應力調整為圍巖壓力，后充入1 MPa 瓦斯氣體，煤樣吸附平衡后用深度游標卡尺測量出壓柱深度h1。圍巖壓力σ 計算方法如下：

式中：β 為平均地層的密度，t/m3；h 為煤體的賦存深度，m。

3）將缸體中的煤樣清理干凈，施加1 個和圍巖壓力大小一樣的單軸壓力，測出壓柱的深度記為h2。

4）煤樣視密度計算方法如下：

式中：M 為煤樣的質量，kg；h1為無煤樣時測得的壓柱深度，m；d1為圓形缸體凈直徑，m。

3.2 實驗結果

為突出研究重點，煤樣壓制時所采用的成型壓力均為32 MPa，煤層壓制成型后，將成型壓力調整為24 MPa 進而測定煤樣視密度；對所選煤樣運用“GB/T 6949—2010 煤的視相對密度測定方法”進行視密度測定與模擬煤層法所測得的實驗結果進行對比，視密度測定結果見表2。煤樣視密度柱狀圖如圖3。

表2 視密度測定結果Table 2 Measurement results of apparent density

圖3 煤樣視密度柱狀圖Fig.3 Histogram of apparent density of coal sample

由圖3 可得：模擬煤層法測得的煤樣視密度與國標法測得的煤樣視密度十分相近，且分析得視密度差值最大為0.004 g/cm3，證明了模擬煤層法的準確性。

由表2 可得：隨著煤樣變質程度增加，煤樣視密度呈現(xiàn)低-高-低的變化規(guī)律。

1）隨著煤體變質程度增加煤體孔隙度呈現(xiàn)高-低-高的變化規(guī)律[13]，煤體視體積與其呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，煤體視密度呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

2）隨著煤體變質程度增加煤體微孔體積呈現(xiàn)高-低-高的變化規(guī)律[14]。微孔是煤體中氣體的主要儲存場所，影響著煤儲層吸附空間的大小。煤體吸附瓦斯較多時往往會產(chǎn)生更大的膨脹變形，由于膨脹變形的不可逆性，煤體中瓦斯氣體的吸附空間往往影響著煤體膨脹變形大小，間接影響著煤體視密度大小。當其他條件一定時，煤體變質程度不高時煤體中瓦斯氣體吸附空間往往較大，煤體視密度往往較小。隨著煤體變質程度逐漸增大，煤體微孔體積先變小后變大，煤體視密度先變大后變小。

3）變質程度高和變質程度低的煤體對瓦斯氣體的吸附能力往往大于變質程度中等的煤體對瓦斯氣體的吸附能力[15]。當其他條件一定時，變質程度高和變質程度低的煤體由于吸附更多的瓦斯氣體，煤體的表面張力下降較多，從而引起煤體更大的膨脹變形，相應視密度較小。變質程度中等的煤體由于吸附的瓦斯氣體較少，煤體表面張力下降相對較少，引起煤體較小的膨脹變形，相應視密度較大。

實驗結果和煤體變質程度與微孔體積、孔隙度、吸附能力變化規(guī)律相吻合，從側面驗證了實驗結果的準確性。

3.3 誤差分析

在實驗中，存在的誤差由系統(tǒng)誤差和偶然誤差2 部分組成[16]。為分析實驗誤差的大小，對每個煤樣進行2 次實驗測試，每次測定煤樣的水分、成型壓力和圍巖壓力保持一致，2 次測定結果反映實驗誤差的大小。實驗誤差分析見表3。由結果可知：2 次測定結果的綜合誤差均小于0.5%，且綜合誤差在0.06%～0.33%范圍內進行變化，符合煤體視密度測定誤差標準。

4 結 論

1）在很小的范圍內煤樣視密度隨煤樣粒徑減小而增加；當煤樣粒徑足夠大時煤樣視密度將趨于定值。

表3 實驗誤差分析Table 3 Error analysis of experimental

2）由模擬煤層法得，隨著煤樣變質程度增大其視密度呈現(xiàn)先變大后變小的變化規(guī)律，這和煤變質程度與微孔體積、孔隙度、吸附能力變化規(guī)律相吻合，從側面驗證了實驗結果的準確性。

3）模擬煤層法與國標法測得視密度的差值最大為0.004 g/cm3；由模擬煤層法得不同煤樣的視密度誤差均小于0.5%，不同煤樣之間所得的視密度誤差最大為0.33%，符合煤體視密度測定誤差標準，模擬煤層法能夠滿足突出煤體視密度測定需要。