低階、中階和高階煤的瓦斯放散能力及規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

龐晶鐳，孫 赫，劉衛(wèi)偉，任桂林，劉佳欣

（1.陜西澄合百良旭升煤炭有限責(zé)任公司，陜西 渭南 715300；2.中煤科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤粒的瓦斯放散能力是煤的固有性質(zhì)，在促進(jìn)煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展過程中具有決定性的作用。煤的瓦斯放散能力越強(qiáng)，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)生煤與瓦斯突出事故的初期形成運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)且夾雜著煤體的瓦斯流，災(zāi)害程度明顯增大。目前，我國煤與瓦斯突出礦井突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測常用△P 指標(biāo)，突出危險(xiǎn)性局部預(yù)測常用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、△h2、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q 和炮掘面V30指標(biāo)，這些指標(biāo)均是表征不同時(shí)間段煤粒的瓦斯放散能力大小，對于預(yù)測煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性具有顯著意義。不同的煤層由于成煤的原始物質(zhì)和堆積環(huán)境的不同，造成了煤層的巖石組成也不同，各種煤巖組成在煤化過程中物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了變化，形成了不同的煤種，即煤粒的瓦斯放散能力也會(huì)隨著煤變質(zhì)程度的加深而發(fā)生變化，煤粒的瓦斯放散能力也會(huì)發(fā)生變化。能夠反映煤化程度的指標(biāo)很多，例如干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf、碳含量、氫含量、發(fā)熱量、鏡質(zhì)組反射率等，當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者通常使用干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf來代表煤化程度，這是因?yàn)楦稍餆o灰基揮發(fā)分Vdaf與煤化程度具有顯著的關(guān)聯(lián)性，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf能較好的反映煤化程度，國內(nèi)也有完善的標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)測試工作[4]。據(jù)煤的揮發(fā)分大小可初步判斷煤的煤化程度，計(jì)煤的種類，中國和國際煤炭分類方案中都以揮發(fā)分Vdaf作為第一分類指標(biāo)，見表1。

表1 一些國家煤炭分類指標(biāo)Table 1 Coal classification indexes of some countries

本文中根據(jù)煤的揮發(fā)分產(chǎn)率將煤分為8 類，隨著煤化程度的加深分別為褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤及無煙煤，分類方案見表2。

表2 煤種分類Table 2 Coal classification table

目前，根據(jù)國內(nèi)煤與瓦斯突出事故統(tǒng)計(jì)，褐煤從開采至今并未發(fā)生過煤與瓦斯突出事故，其余煤種都發(fā)生了事故，表3 列舉了我國突出嚴(yán)重礦區(qū)的煤種分布，從中可以看出，突出嚴(yán)重的礦區(qū)主要開采的是高階煤，包括貧瘦煤和無煙煤。相對于高階煤，我國分布的低階煤礦區(qū)中突出礦井的分布較小，因此有必要研究隨著煤化程度的加深，瓦斯放散能力的變化規(guī)律。

表3 突出礦區(qū)煤種分布特征Table 3 Distribution characteristics of coal types in outburst mining area

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

此次試驗(yàn)主要是對隨著變質(zhì)程度加深，不同煤種的瓦斯散出能力是否變大進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選用的裝置是WFC-2 型瓦斯放散初速度測定，該儀器能在0.1 MPa 壓力下吸附瓦斯，然后向真空空間釋放瓦斯，并考察煤樣的瓦斯放散能力，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1 所示。

圖1 瓦斯放散初速度指標(biāo)測定儀原理示意Fig.1 Principle of gas emission initial velocity index measuring instrument

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

此次實(shí)驗(yàn)的原理是測定煤樣（粒徑介于0.2～0.25 mm）在0.1 MPa 壓力下吸附瓦斯達(dá)到飽和狀態(tài)，然后向固定真空空間里釋放瓦斯，記錄煤樣在0～60 s 的放散量P60[2]，用P60（mmHg）表示的0～60 s 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，該指標(biāo)描述煤樣自身在0～60 s 的瓦斯放散量。測定流程如圖2所示。

圖2 瓦斯放散量指標(biāo)P60 測定流程Fig.2 Flowchart of gas emission index P60 determination

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3.1 褐 煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表4）可以看出，褐煤的瓦斯放散量最大值為46 mmHg，最小值為26 mmHg，平均值為33 mmHg。

表4 褐煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 4 Gas emission data of lignite

1.3.2 長焰煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表5）可以看出，長焰煤的瓦斯放散量最大值為90 mmHg，最小值為23 mmHg，平均值為57 mmHg，長焰煤的瓦斯放散能力高于褐煤的瓦斯放散能力，在低階煤種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)長焰煤的瓦斯放散能力最大。

表5 長焰煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 5 Gas emission data of long flame coal

1.3.3 氣煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表6）可以看出，氣煤的瓦斯放散量最大值為37 mmHg，最小值為19 mmHg，平均值為28 mmHg。氣煤的瓦斯放散能力小于褐煤和長焰煤。

表6 氣煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 6 Gas emission data of gas coal

1.3.4 肥煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表7）可以看出，肥煤的瓦斯放散量最大值為63 mmHg，最小值為30 mmHg，平均值為48 mmHg，在低階煤中肥煤的瓦斯放散能力低于長焰煤，高于褐煤和氣煤的瓦斯放散能力。

表7 肥煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 7 Gas emission data of fat coal

1.3.5 山西焦煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表8）可以看出，山西礦區(qū)焦煤的瓦斯放散量最大值為26 mmHg，最小值為11 mmHg，平均值為18 mmHg。對數(shù)據(jù)分析可得，山西礦區(qū)焦煤的瓦斯放散能力明顯小于低階煤（褐煤、長焰煤、氣煤和肥煤）的瓦斯放散能力，山西焦煤在各種煤階煤中瓦斯放散能力最差。

表8 山西礦區(qū)焦煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 8 Gas emission data of coking coal in Shanxi mining area

1.3.6 貴州焦煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表9）可以看出，貴州礦區(qū)焦煤的瓦斯放散量最大值為98 mmHg，最小值為26 mmHg，平均值為54 mmHg。貴州礦區(qū)焦煤與山西礦區(qū)的焦煤雖然煤種相同，理論上差別不大，但是實(shí)測發(fā)現(xiàn)瓦斯放散能力明顯增大，貴州焦煤礦區(qū)（包括盤縣和威寧礦區(qū)）的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性事故多發(fā)，也更加印證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表9 貴州礦區(qū)焦煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 9 Gas emission data of coking coal in Guizhou mining area

通過對氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區(qū)焦煤產(chǎn)區(qū)）的瓦斯放散數(shù)據(jù)（表6～表8）進(jìn)行分析，并不是理論上的差別不大，實(shí)測后可以發(fā)現(xiàn)兩者瓦斯放散能力均較差，如果堅(jiān)持參考△P 指標(biāo)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性鑒定，會(huì)導(dǎo)致鑒定結(jié)論誤判現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)橐灿袠O個(gè)別△P數(shù)值小的礦井發(fā)生了煤與瓦斯突出事故（表10 所列）。可以看出氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區(qū)焦煤產(chǎn)區(qū)）的△P 數(shù)值較小，放散能力較差，進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)敏感性較差，建議對這兩個(gè)煤種進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定時(shí)忽略△P 指標(biāo)。

表10 低階煤突出礦井低瓦斯放散初速度數(shù)據(jù)表Table 10 Data table of initial velocity of lowgas emission in lowrank coal outburst mine

1.3.7 貧瘦煤

從上面數(shù)據(jù)（表11）可以看出，貧瘦煤的最大瓦斯放散量為108 mmHg，最小值為11 mmHg，平均值為70 mmHg，最大值和最小值相差9.8 倍。不論是不同礦區(qū)還是同一礦區(qū)的貧瘦煤的瓦斯放散能力差異性都很大；也說明了當(dāng)煤的變質(zhì)程度從低階煤加深到高階煤以后，最大瓦斯放散量明顯增大。從表11 可以看出，貧煤的最大瓦斯放散量明顯高于表4～表10 煤中的最大瓦斯放散量。

表11 貧瘦煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 11 Gas emission data of lean coal

1.3.8 無煙煤

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表12）看出，無煙煤理論上瓦斯含量較大，瓦斯放散能力應(yīng)該更強(qiáng)。實(shí)測后發(fā)現(xiàn)無煙煤的瓦斯放散量最大值為138 mmHg，最小值為9 mmHg，最大值與最小值相差15 倍，平均值為45 mmHg，煤的瓦斯放散能力變化范圍較大。無煙煤與貧瘦煤均屬于高階煤，煤種接近，瓦斯放散能力也相近。

表12 無煙煤的瓦斯放散數(shù)據(jù)Table 12 Gas emission data of anthracite

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過對圖3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在低階煤中長焰煤、肥煤與褐煤、氣煤相比，瓦斯放散量明顯增加，當(dāng)煤化程度加深到焦煤以后，瓦斯放散量又有明顯降低，可以看出瓦斯放散性并不是線性增加，例如貴州焦煤產(chǎn)區(qū)（盤縣和威寧礦區(qū)）煤的變質(zhì)程度不高，但是瓦斯放散能力較強(qiáng)，煤與瓦斯突出事故多發(fā)，災(zāi)害較嚴(yán)重?？偟膩碚f，高階煤瓦斯散射能力明顯比低階煤強(qiáng)，瓦斯散射能力的改變也較大，這是因?yàn)槊嘿|(zhì)差異與不均質(zhì)性因素的影響。

圖3 不同煤種瓦斯放散性散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of gas emission of different coal types

國內(nèi)一些專家、學(xué)者對煤的瓦斯放散性與煤變質(zhì)程度之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，嘗試聯(lián)立公式找到二者的關(guān)系，例如基于煤的揮發(fā)分含量大小聯(lián)立了瓦斯放散能力經(jīng)驗(yàn)公式，本文也對揮發(fā)分與瓦斯放散能力的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分與瓦斯放散能力之間并無單值聯(lián)系，但總體有一個(gè)趨勢，即保證吸附壓力（0.1 MPa）一定的前提下，煤的瓦斯放散量隨煤的變質(zhì)程度提高（揮發(fā)分減少）而增大。

2 結(jié) 論

（1）低階煤中褐煤、氣煤、焦煤、長焰煤和肥煤的放散能力有依次增大的趨勢，長焰煤和肥煤的放散能力明顯高于褐煤、氣煤和焦煤。貴州盤縣和威寧縣焦煤產(chǎn)區(qū)的瓦斯放散能力要明顯高于山西焦煤產(chǎn)區(qū)。

（2）貧瘦煤、無煙煤等高階煤的瓦斯放散能力明顯高于低階煤，高階煤的瓦斯放散量最大值與最小值相差15 倍，瓦斯放散能力差異性大。

（3）通過實(shí)驗(yàn)對揮發(fā)分與瓦斯放散能力的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分與瓦斯放散能力之間并無單值聯(lián)系，但總體有一個(gè)趨勢，即保證吸附壓力一定的前提下，煤的瓦斯放散量隨煤的變質(zhì)程度提高（揮發(fā)分減少）而增大。

（4）通過對氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區(qū)焦煤產(chǎn)區(qū)）的瓦斯放散數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)瓦斯放散能力均較差，如果堅(jiān)持參考△P 指標(biāo)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性鑒定，會(huì)導(dǎo)致鑒定結(jié)論誤判現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)橐灿袠O個(gè)別△P 數(shù)值小的礦井發(fā)生了煤與瓦斯突出事故?？梢钥闯鰵饷汉徒姑海ǔF州盤縣和威寧礦區(qū)焦煤產(chǎn)區(qū)）的△P 數(shù)值較小，放散能力較差，進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)敏感性較差，建議對這兩個(gè)煤種進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定時(shí)忽略△P指標(biāo)。