摘 要

不同煤階區(qū)域預測瓦斯含量臨界值的實驗研究及應用 　　——以安陽礦區(qū)龍山礦無煙煤和大眾礦貧煤為例摘　要：為了提高對瓦斯突出區(qū)域預測的準確性，確定合理的瓦

不同煤階區(qū)域預測瓦斯含量臨界值的實驗研究及應用

     　　——以安陽礦區(qū)龍山礦無煙煤和大眾礦貧煤為例

摘　要：為了提高對瓦斯突出區(qū)域預測的準確性，確定合理的瓦斯含量臨界值，分析了不同煤階煤的吸附特征，搭建了具有溫控功能的大質(zhì)量煤樣瓦斯吸附解吸實驗系統(tǒng)。實驗分析了瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標的相互關(guān)系，確定出了不同煤階瓦斯含量臨界值。結(jié)果表明：①煤的變質(zhì)程度越高，煤吸附甲烷的能力越強，區(qū)域預測瓦斯含量臨界值就越高；②龍山礦無煙煤吸附常數(shù)(a)值為43.224～45.013m³／t，瓦斯壓力為0.74MPa時對應的瓦斯含量最低為10.9m³／t，Dh₂為200Pa對應的瓦斯含量最低為l0.8m³／t，確定其瓦斯含量臨界值為l0.0m³／t；③大眾礦貧煤a值為30.813～33.85m³／t，瓦斯壓力0.74MPa對應的瓦斯含量最低為9.04m³／t，Dh₂為200 Pa對應的瓦斯含量最低為9.3m³／t，考慮到該礦煤質(zhì)松軟，確定其臨界值為8.0m³／t?，F(xiàn)場跟蹤考察結(jié)果表明，所確定的瓦斯含量臨界值安全可靠，該研究成果可為其他類似礦區(qū)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：瓦斯含量臨界值  區(qū)域預測  煤與瓦斯突出  瓦斯壓力  鉆屑瓦斯解吸指標  構(gòu)造煤

An experimental study of methane gas critical value achieved by regional prediction at mining areas with different coal ranks：Case studies of Longshan anthracite coals and Dazhong lean coal in the Anyang mining area，northern Henan

province，China

Abstract：In order to improve the accuracy of regional prediction and determine the critical value of reasonable methane gas content，the adsorDtion characteristics of different rank coals were studied，and an experimental system for efficient methane gas adsorption-desorption of large-mass coal samples with temperature control function was developed，the relationships between gas content，gas pressure and the index of drill cuttings absorption and release(Dh₂)were studied，and the critical values of methane gas content of different rank coals were thus determined．The foilowing resuhs were achieved．(1)The higher the coal rank，the stronger the coal's adsorption ability，and the higher the gas content critical value will be．(2) The adsorption constants a of Longshan anthracite coals are 43.224-45.013m³／t，and the minimum gas content is l0.9m³／t when Dh₂ is 0.74MPa and l0.8m³／t when Dh₂ is 200MPa，from which the critical value of gas content is determined to be l0.0m³／t．(3)The adsorption constants a of Dazhong lean coals are 30.813-33.85m³／t，and the minimum gas content is 9.04m³／t when Dh₂ is 0.74MPa and 9.3m³／t when Dh₂ is 200MPa，from which the critical value of gas content is determined to be 8.0m³／t with the soft coal seams there taken into account as well．Site tracking inspection results show that the gas content critical values determined in the two case studies are reliable and the study results can provide a reference for other similar coal mines．

Key words：gas content critical value，regional prediction，coal and gas outburst，gas pressure，drill cuttings absorption and release，tectonic coal

煤層瓦斯含量常用作突出區(qū)域預測和區(qū)域防突措施效果檢驗指標，準確確定其臨界值，對于提高突出區(qū)域預測的準確性和區(qū)域防突措施效果檢驗的可靠性具有重要意義?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求各突出礦井應根據(jù)自身的煤層條件對瓦斯含量臨界值進行試驗考察，在考察前可按照參考臨界值8.0m³/t八進行效果檢驗^[1]。目前，我國大部分突出礦井未通過專項考察確定適合自己礦井的瓦斯含量臨界值，把其統(tǒng)一定為8.0m³／t，給防突工作帶來一定的安全隱患^[2]。對于低變質(zhì)程度煤層，如淮南礦區(qū)煤質(zhì)為氣肥煤，變質(zhì)程度較低，煤的吸附能力較差，在瓦斯含量為6.0m³／t時，就發(fā)生了煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象；對于變質(zhì)程度較高的煤層，如焦作礦區(qū)煤質(zhì)為無煙煤，煤的吸附較強，在瓦斯含量低于l0.0m³／t時，從未發(fā)生過煤與瓦斯突出事故。因此確定不同變質(zhì)程度煤層的瓦斯含量臨界值就顯得特別重要，如果臨界值定得過高，會導致低指標突出事故，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大的隱患；如果定得過低，會增加防突工程量和消突周期，加劇采掘接替緊張的局面^[3-4]。

在瓦斯含量臨界值研究方面，前蘇聯(lián)將瓦斯含量小于l0.0m³／t的煤層劃分為無突出危險煤層，瓦斯含量為10.0～15.0m³／t的煤層町能是突出危險煤層，大于l5.0m³／t的煤層為突出危險煤層^[5]澳大利亞將可解吸瓦斯含量作為瓦斯防治效果檢驗的標準，一般定為5.0～6.0m³／t^[6-8]。部分礦區(qū)將瓦斯壓力0.74MPa對應的瓦斯含量作為其臨界值^[9-10]。瓦斯含量臨界值的確定方法還沒有進行過系統(tǒng)的研究。筆者以安陽礦區(qū)龍山礦無煙煤和大眾礦貧煤為例，搭建了實驗平臺，研究了瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標的相互關(guān)系，確定了不同變質(zhì)程度煤層的瓦斯含量臨界值，研究成果可為其他礦區(qū)提供借鑒作用。

1　實驗系統(tǒng)及方法

1．1　瓦斯吸附解吸實驗系統(tǒng)的研制

瓦斯含量和瓦斯壓力具有一定的對廊關(guān)系，鉆屑瓦斯解吸指標Dh₂在煤體結(jié)構(gòu)特征變化不大的情況下，反映了煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的大小^[11-12]。實驗研究瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標的關(guān)系，可以從瓦斯含量角度反映工作面的突出危險性。為了保障實驗精度，在前人吸附解吸實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，做出以下改進：①煤樣的吸附解吸過程處于恒溫條件下，避免溫度的影響；②采用可裝入1000g的大質(zhì)量煤樣罐，減小實驗誤差。

該實驗系統(tǒng)依據(jù)《煤的高壓等溫吸附試驗方法》(GB／Tl9560-2008)在實驗窒自行加工完成。整個實驗系統(tǒng)可以同時進行3個煤樣的瓦斯吸附——解吸實驗，其原理如圖1所示。

 

整套實驗系統(tǒng)由脫氣單元、充氣單元、溫度控制單元和解吸單元4部分組成。脫氣單元用于對整個系統(tǒng)抽真空，由真空表6和真空泵7組成。充氣單元主要用于向整個系統(tǒng)充氣，由高壓甲烷氣瓶3和充氣罐4組成。溫度控制單元用來保證實驗過程的溫度恒定，由恒溫水箱和超級恒溫器組成。瓦斯吸附——解吸單元南煤樣罐和解吸儀組成，用于研究煤樣的吸附解吸規(guī)律。

1．2　實驗方法

1．2．1煤樣制備

煤的吸附常數(shù)a值為單位質(zhì)量煤的極限吸附量，吸附常數(shù)b值是反映煤吸附瓦斯快慢的一個指標，通常用a值和b值表征煤的吸附能力。將采集的煤樣取出一部分測試煤的堅固性系數(shù)(f)值、瓦斯放散初速度DP和煤的吸附常數(shù)a、b值等參數(shù)。將剩余煤樣粉碎，篩選出粒徑為0.18～0.25mm的煤樣裝入磨口瓶中密封加簽備用，每份煤樣質(zhì)量不少于1500g。

1．2．2真空脫氣和充氣

按照《煤的高壓等溫吸附試驗方法》(GB／T19560-2008)的方法檢驗實驗系統(tǒng)的氣密性，并標定自由空間體積。然后對整個系統(tǒng)進行脫氣，脫氣時間不小于12h，直到真空表顯示系統(tǒng)中真空度在20Pa達2h以上停止脫氣。脫氣結(jié)束后，調(diào)整恒溫水浴溫度為30℃，擰開高壓瓦斯鋼瓶閥門向充氣罐充氣，利用充氣罐向煤樣罐充氣，吸附平衡時間在12h以上，待壓力表讀書保持恒定2h，充氣結(jié)束，記錄充氣壓力 (p)。平衡壓力分別設(shè)置為0.35MPa、0.5MPa、0.75MPa、1.0MPa和1.5MPa。

1．2．3吸附解吸實驗

按照圖1將真空氣袋和解吸儀連接好，先打開連接真空氣袋的閥門，使煤樣罐內(nèi)的游離瓦斯先進人真空氣袋，當煤樣罐的壓力指示值為零時，迅速關(guān)閉連接真空氣袋的閥門，打開連接解吸儀的閥門，開始解吸，同時按下秒表開始計時；讀數(shù)間隔時間第一分鐘內(nèi)每5S讀1次數(shù)，以后時間間隔逐漸增大，持續(xù)觀察l20min，直到不再解吸瓦斯為止。解吸完畢后，測試煤樣的殘存瓦斯含量。

2　實驗結(jié)果及分析

2．1　煤樣的采集及煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

龍山礦和大眾礦均為突出礦井，在龍山礦同時具有軟硬煤的地點采集了4組煤樣；大眾礦煤質(zhì)較軟，采集了4組軟煤煤樣，測試煤的堅固性系數(shù)f值和瓦斯放散初速度DP。煤樣采集信息及煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

 

從井下觀測和煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果來看，龍山礦煤質(zhì)總體較硬，局部構(gòu)造帶附近發(fā)育一層軟煤；大眾礦構(gòu)造煤普遍發(fā)育，在相同的瓦斯壓力情況發(fā)生突出的可能性更大。從龍山礦軟硬煤瓦斯放散初速度測試結(jié)果對比分析來看，軟煤具有更快的放散速度。

2．2　不同煤階煤的吸附特征

采用WY-98B型全自動瓦斯吸附常數(shù)測定儀，測定了龍山礦和大眾礦的吸附常數(shù)a、b值和揮發(fā)分等參數(shù)，測試結(jié)果見表2。

 

從表2可以看出，龍山礦無煙煤的揮發(fā)分為6.21％～6.85％，吸附常數(shù)以值為43.224～45.013m³／t，平均為44.07m³／t；大眾礦貧煤的揮發(fā)分為11.25％～l2.79％，吸附常數(shù)“值為30.813～33.85m³／t，平均為32.68m³／t。從吸附常數(shù)a值測試結(jié)果可以看出，無煙煤與貧煤相比，具有更強的吸附能力。b值反映了煤吸附快慢的能力，從b值測試結(jié)果來看，龍山礦吸附常數(shù)b值為l.295～1.640Mpa^-l，大眾礦b值為0.897～1.30Mpa^-1，反映了高煤階煤層具有更快的吸附速度。從龍山礦軟硬煤的吸附常數(shù)以值對比分析來看，軟煤的吸附能力稍高于硬煤。

瓦斯壓力0.74MPa作為區(qū)域防突措施考察的臨界值，取得了較好的應用效果。利用測試的吸附常數(shù)數(shù)據(jù)，按照朗格繆爾方程間接計算了瓦斯壓力0.74MPa的瓦斯含量，見表2。從該表可以看出，龍山礦無煙煤0.74MPa瓦斯壓力對應的瓦斯含量為l2.63～13.89m³／t，平均為l3.54m³／t；大眾礦貧煤對應的瓦斯含量為9.58～11.39m³／t，平均為l0.18m³／t，反

映了在相同的瓦斯壓力條件F，高煤階煤層能夠吸附更多的瓦斯，具有更高的瓦斯含量。

2．3　瓦斯含量和瓦斯壓力關(guān)系實驗分析

煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的關(guān)系總體上滿足朗格繆爾方程，但是由于該方程屬單分子層吸附模型，且煤吸附甲烷受到溫度、水分、灰分等因素的影響，儀靠朗格繆爾方程計算瓦斯含量和瓦斯壓力的相互關(guān)系，存在著較大的誤差，為此采用實驗方法研究其相瓦關(guān)系。利用圖1的實驗系統(tǒng)，在30℃的恒溫條件下，向煤樣注入不同壓力的甲烷氣體，待其吸附平衡后，進行解吸試驗，研究不同平衡壓力煤樣的解吸特征。解吸完畢后，測試煤樣的殘存瓦斯含量。煤樣的瓦斯解吸量和殘存瓦斯含量之和就為該平衡壓力下的瓦斯含量。由此可得同一煤樣在不同平衡壓力條件下的瓦斯含量，并能夠繪制瓦斯含量和瓦斯壓力的擬合曲線。圖2、3為龍山礦和大眾礦煤樣瓦斯含量和瓦斯壓力的關(guān)系曲線。

 

 

從實驗結(jié)果可以看出，瓦斯壓力和瓦斯含量具有指數(shù)關(guān)系，對圖2、3的瓦斯含量和瓦斯壓力數(shù)據(jù)擬合分析，可得出瓦斯壓力0.74MPa對應的瓦斯含量(表3)。從該表可以看出，龍山礦無煙煤瓦斯壓力0.74MPa對應的瓦斯含量為l0.9～12.6m³／t，平均為11.58m³／t；大眾礦貧煤對應的瓦斯含量為9.04～10.7m³／t，平均為9.76m³／t。從實驗結(jié)果可以認為，龍山礦瓦斯含量在10.9m³／t就有可能具有突出危險性；而大眾礦瓦斯含量在9.04m³／t就可能發(fā)生突出。

 

2．4　瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標關(guān)系

圖4為Xll064煤樣不同平衡壓力的解吸曲線，從該圖可以看出，隨著平衡壓力的增加，煤樣的解吸量明顯增大，解吸速度會隨時間逐漸放緩。

 

鉆屑瓦斯解吸指標Ah。表示在卸除平衡壓力后，10g煤樣第3～5 min內(nèi)的瓦斯解吸量。利用下式可以測試鉆屑瓦斯解吸指標Dh₂值：

Dh₂ = 10Q_3～5/0.083               (1)

式中Q_3～5為3～5min時間段內(nèi)的瓦斯解吸量，mL／g。

由煤樣的解吸數(shù)據(jù)可以研究任意時刻Dh₂和瓦斯含量的關(guān)系，方法如下：①由解吸試驗可以獲得t時刻后3～5min時間段內(nèi)的瓦斯解吸量，按照式(1)可以計算出t時刻的Dh₂；②由t時刻后的瓦斯解吸量和殘存瓦斯含量可以獲得不同時刻煤樣的瓦斯含量。表4為龍山礦和大眾礦瓦斯含量和鉆屑解吸指標Dh₂的擬合結(jié)果。

 

從表4可以看出，龍山礦無煙煤Dh₂為200 Pa對應的瓦斯含量為10.8～14.0m³／t，平均為l2.4m³／t；大眾礦貧煤對應的瓦斯含量為9.3～10.4m³／t，平均為9.9m³／t。從實驗結(jié)果來看，龍山礦瓦斯含量在10.8m³／t就有百丁能具有突出危險性；而大眾礦瓦斯含量在9．3m³／t就可能發(fā)生突出。

2．5　瓦斯含量臨界值的確定

在煤的吸附特性研究的基礎(chǔ)上，綜合分析瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標Dh₂的關(guān)系，考慮構(gòu)造煤的發(fā)育情況，增加一定的安全系數(shù)，確定龍山礦無煙煤的瓦斯含量臨界值為l0.0m³／t，大眾礦的瓦斯含量臨界值為8.0m³／t。主要依據(jù)如下：

1)龍山礦煤質(zhì)為無煙煤，揮發(fā)分為6.21％～6.85％，吸附常數(shù)a值為43.224～45.013m³／t，平均為44.07m³／t；大眾礦貧煤的揮發(fā)分為11.25％～12.79％，吸附常數(shù)以值為30.813～33.85m³／t，平均為32.68m³／t。龍山礦無煙煤具有更強的吸附能力。

2)按照朗格繆爾方程間接計算了瓦斯壓力0.74MPa的瓦斯含量，龍山礦無煙煤0.74MPa瓦斯壓力對應的瓦斯含量為l2.63～13.89m³／t，最低為l2.63m³／t；大眾礦貧煤對應的瓦斯含量為9.58～11.39m³／t，最低為9.58m³／t。

3)實驗室研究了瓦斯含量和瓦斯壓力的相互關(guān)系，龍山礦無煙煤瓦斯壓力0.74MPa對應的瓦斯含量為l0.9～12.6m³／t，最低為l0.9m³／t；大眾礦貧煤對應的瓦斯含量為9.04～10.7m³／t，最低為9.04m³／t。

4)實驗室研究了瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標Ah。的關(guān)系，龍山礦無煙煤Dh₂為200Pa對應的瓦斯含量為10.8～14.0m³／t，最低為l0.8m³／t；大眾礦貧煤對應的瓦斯含量為9.3～10.4m³／t，最低為9.3m³／t。

5)從井下觀測和煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果來看，龍山礦煤質(zhì)總體較硬，僅局部構(gòu)造帶附近發(fā)育一層軟煤；大眾礦構(gòu)造煤普遍發(fā)育，在相同的瓦斯壓力情況發(fā)生突出的可能性更大。

3　生產(chǎn)驗證

在龍山礦和大眾礦煤巷掘進過程中，跟蹤測試了瓦斯含量和工作面預測指標，并觀測了施工鉆孔過程中的動力現(xiàn)象，以便對確定的瓦斯含量臨界值進行生產(chǎn)驗證。

龍山礦跟蹤測試了l4組瓦斯含量和工作面預測指標Dh₂、q_max值和S_max值，僅有3組數(shù)據(jù)預測指標超標，對應的瓦斯含量為ll.82m³／t、l8.93m³／t和22.12m³／t，表明當瓦斯含量大于ll.82m³／t時，試驗地點具有突出危險。當瓦斯含量小于10.0m³／t時，預測指標無超標現(xiàn)象，鉆孔施工過程未出現(xiàn)動力現(xiàn)象，表明瓦斯含量臨界值定為10.0m³／t是可靠的。

大眾礦在跟蹤測試瓦斯含量和工作面預測指標Dh₂、q_max值和S_max值的過程中，有3組數(shù)據(jù)發(fā)生了不同程度的噴孔現(xiàn)象，測試的瓦斯含量分別為l0.26m³／t、9.38m³／t和10.51m³／t，表明當瓦斯含量大于9.38m³／t就具有突出危險性。測試的瓦斯含量最低為9.23m³／t時，就發(fā)生了工作面預測指標超標現(xiàn)象。當瓦斯含量小于8.0m³／t時，未發(fā)生動力現(xiàn)象和預測指標超標現(xiàn)象，表明大眾礦瓦斯含量臨界值定為8.0m³／t是可靠的。

4　結(jié)論

1)制訂了瓦斯含量臨界值的確定方法，即在煤吸附特性研究的基礎(chǔ)上，間接計算瓦斯壓力為0.74MPa對應的瓦斯含量，試驗研究瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標Dh₂的關(guān)系，分析瓦斯壓力0.74MPa和Dh₂為200Pa的瓦斯含量，在考慮構(gòu)造煤發(fā)育的基礎(chǔ)上確定瓦斯含量臨界值。

2)龍山礦煤質(zhì)為無煙煤，揮發(fā)分為6.21％～6.85％，吸附常數(shù)a值為43.224～45.0l3m³／t，間接計算0.74MPa瓦斯壓力對應的瓦斯含量為l2.63～13.89m³／t；試驗研究該礦瓦斯含量、瓦斯壓力和Dh₂的關(guān)系，考慮到該礦煤質(zhì)較硬，確定其瓦斯含量臨界值為10.0m³／t。

3)大眾礦貧煤的揮發(fā)分為ll.25％～l2.79％，吸附常數(shù)a值為30.813～33.850m³／t，0.74MPa瓦斯壓力對應的瓦斯含量為9.58～ll.39m³／t，試驗研究該礦瓦斯含量、瓦斯壓力和Dh₂的關(guān)系，考慮到該礦煤質(zhì)松軟，確定其瓦斯含量臨界值為8.0m³／t。

4)影響瓦斯含量臨界值的主要岡素是煤的變質(zhì)程度，煤的變質(zhì)程度越高，煤吸附甲烷的能力越強，區(qū)域預測瓦斯含量臨界值越高。

 

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本文作者：孫麗娟  聶百勝  郝富昌

作者單位：中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室

  中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院

  河南理工大學·河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點

  實驗室培育基地