郝富昌，抄隆霄，孫麗娟，劉彥偉

(1.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；2. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

我國(guó)煤與瓦斯突出災(zāi)害非常嚴(yán)重，煤層瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2、K1值是進(jìn)行突出災(zāi)害預(yù)測(cè)及效果檢驗(yàn)的主要參數(shù)，其準(zhǔn)確與否直接影響突出災(zāi)害的防治效果。煤與瓦斯突出實(shí)例表明，我國(guó)發(fā)生了多次預(yù)測(cè)及效果檢驗(yàn)指標(biāo)均未超標(biāo)的突出事故，分析其原因認(rèn)為，突出事故發(fā)生于松軟煤層，軟硬煤層的瓦斯解吸規(guī)律大不相同，采用硬煤的解吸規(guī)律來(lái)測(cè)試軟煤層的瓦斯含量及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在著較大的誤差。因此，研究軟硬煤層瓦斯解吸規(guī)律，并找出其影響因素，對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)試瓦斯含量及鉆屑解吸指標(biāo)，防治煤與瓦斯突出災(zāi)害具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤的解吸規(guī)律進(jìn)行了較為深入的研究，研究成果主要集中于溫度[1-3]、水分[4-7]、粒度[8-10]、構(gòu)造煤[11-12]、應(yīng)力[13]等因素對(duì)瓦斯解吸特征的影響，至于軟硬煤瓦斯解吸規(guī)律的差異性及其影響因素，研究相對(duì)較少。本文擬搭建大質(zhì)量瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行軟硬煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，查明軟硬煤的瓦斯解吸規(guī)律及其影響因素，為瓦斯災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

1　軟硬煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)及規(guī)律

1.1　瓦斯解吸系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)家及行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14-15]，搭建了大質(zhì)量煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)煤樣重量達(dá)到了1 000 g，可以降低實(shí)驗(yàn)誤差；煤樣罐處于恒溫水浴中，可研究不同溫度條件下的瓦斯解吸規(guī)律；該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以同時(shí)進(jìn)行3組煤樣的解吸實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

圖1　大質(zhì)量煤樣瓦斯解吸系統(tǒng)Fig.1　Gas desorption system of high quality coal sample

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1)煤樣采集

在具有軟分層的新掘煤巷，采掘軟煤和硬煤煤樣各1份，并記錄煤樣的破壞類型，每份重量不小于20 kg，密封后送回實(shí)驗(yàn)室。

2)煤樣制備

在每份煤樣中，取出一部分測(cè)試煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值、瓦斯放散初速度△P和煤的吸附常數(shù)a，b值等參數(shù)；另一部分采用壓汞法測(cè)試煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后一部分進(jìn)行粉碎，篩選出粒徑為1～3 mm的煤樣進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，其重量不少于1 500 g。

3)軟硬煤解吸實(shí)驗(yàn)

解吸實(shí)驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行：① 在每次解吸實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行檢查，在確保氣密性可靠后，然后對(duì)充氣罐、煤樣罐及管路的體積進(jìn)行標(biāo)定；② 采用脫氣儀對(duì)瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行脫氣，直到真空度降低為20 Pa以下，持續(xù)2 h以上停止；③ 脫氣結(jié)束后，設(shè)置充氣壓力以及恒溫水浴溫度，通過(guò)大煤樣罐向小煤樣罐充氣，待壓力恒定2 h以上時(shí)停止充氣；④ 充氣結(jié)束后，采用真空袋接收游離瓦斯，待煤樣罐壓力表指數(shù)降低為0后，連接解吸儀進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)60 s每10 s記錄一次解吸數(shù)據(jù)，以后每30 s記錄一次數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)間為2 h。

1.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3.1煤樣采集及參數(shù)測(cè)試

在安陽(yáng)龍山礦和平煤一礦具有軟分層的新掘煤巷，采集軟煤及硬煤煤樣各1份，密封后送回實(shí)驗(yàn)室，部分煤樣測(cè)試了煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值、瓦斯放散初速度△P和煤的吸附常數(shù)a，b值等參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中龍山礦煤質(zhì)為無(wú)煙煤，平煤一礦煤質(zhì)為氣肥煤。

表1　煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)及吸附常數(shù)

從表1可以看出，龍山礦軟煤揮發(fā)分為6.21%，小于硬煤的6.81%；平煤一礦軟煤的揮發(fā)分為30.67%，同樣小于硬煤的33.03%，說(shuō)明在同等條件下，軟煤的變質(zhì)程度相對(duì)于硬煤更高一些；龍山礦軟煤的吸附常數(shù)a值為43.988 m3/t，而硬煤為43.244 m3/t；平煤一礦軟煤的吸附常數(shù)a值為22.466 m3/t，而硬煤為19.378 m3/t，無(wú)論是龍山礦還是平煤一礦，軟煤的吸附常數(shù)a值均大于硬煤，說(shuō)明軟煤吸附甲烷的能力稍強(qiáng)于硬煤；軟煤的瓦斯放散初速度△P遠(yuǎn)大于硬煤，說(shuō)明軟煤煤樣具有更快的解吸速度。

1.3.2軟硬煤瓦斯解吸規(guī)律

采用圖1搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了龍山礦和平煤一礦不同平衡壓力同一地點(diǎn)軟硬煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，受篇幅所限，僅列出了平衡壓力為0.74 MPa軟硬煤的瓦斯解吸曲線，如圖2和圖3所示。

圖2　龍山礦軟硬煤瓦斯解吸曲線(0.74 MPa)Fig.2　Soft and hard coal gas desorption curves of Longshan Mine(0.74 MPa)

圖3　平煤一礦軟硬煤瓦斯解吸曲線(0.74 MPa)Fig.3　Soft and hard coal gas desorption curves of Pingmei No.1 mine(0.74 MPa)

從圖2可以看出，在120 min內(nèi)，龍山礦軟煤總解吸量為7.95 mL/g，而硬煤為4.96 mL/g，軟煤是硬煤的1.6倍，說(shuō)明軟煤具有更強(qiáng)的解吸能力；從解吸速度來(lái)看，第1個(gè)60 s軟煤解吸量為1.54 mL/g，硬煤為0.81 mL/g，軟煤是硬煤的1.9倍，說(shuō)明軟煤具有更快的解吸速度。

從圖3可以看出，在120 min內(nèi)，平煤一礦軟煤總解吸量為1.58 mL/g，硬煤為0.25 mL/g，軟煤是硬煤的6.3倍，平煤一礦軟煤的總解吸能力遠(yuǎn)大于硬煤；從解吸速度來(lái)看，平煤一礦軟煤第1個(gè)60 s解吸量為0.43 mL/g，硬煤解吸量為0.08 mL/g，軟煤的解吸速度遠(yuǎn)快于硬煤。

從圖2和圖3對(duì)比分析來(lái)看，同樣是軟煤，龍山礦無(wú)煙煤在平衡壓力為0.74 MPa下，總解吸量為7.95 mL/g，遠(yuǎn)大于平煤一礦氣肥煤的1.58 mL/g；龍山礦軟煤第一分鐘解吸量為1.54 mL/g，也遠(yuǎn)快于平煤一礦的0.43 mL/g。龍山礦和平煤一礦硬煤的解吸規(guī)律也具有上述特征。從圖2和圖3可以得出，影響煤解吸量及解吸速率的主要因素為煤的破壞類型及變質(zhì)程度，煤的破壞類型越高，變質(zhì)程度越高，煤的解吸量越大，解吸速度也越快。

對(duì)圖2和圖3中解吸量和解吸時(shí)間進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如表2所示。

表2　瓦斯解吸量與時(shí)間擬合公式

從表2可以看出，軟硬煤的解吸量與解吸時(shí)間符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合指數(shù)均在0.98以上，用冪函數(shù)公式可以較好的描述軟硬煤的解吸規(guī)律。

2　軟硬煤瓦斯解吸特征的影響因素

2.1　軟硬煤孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)比分析

為了研究軟硬煤瓦斯解吸特征的影響因素，采用AUTOPORE9505型全自動(dòng)壓汞儀對(duì)對(duì)表1的4組煤樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖4和圖5所示。

表3　煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4　龍山礦煤樣孔徑分布特征Fig.4　Pore size of Longshan mine

圖5　平煤一礦煤樣孔徑分布特征Fig.5　Pore size of Pingmei No.1 mine

從表3和圖4可以看出，龍山礦軟煤的總孔容為0.074 2 cm3/g，硬煤為0.034 6 cm3/g，軟煤總孔容是硬煤的2.14倍；龍山礦軟煤的孔隙率為9.19%，硬煤為4.59%，軟煤孔隙率是硬煤的2.0倍。從總孔容和孔隙率來(lái)看，軟煤具有更開放的孔隙結(jié)構(gòu)。從孔徑分布來(lái)看，龍山礦軟硬煤的微孔孔容相差不大，但是軟煤過(guò)渡孔、中孔及大孔的孔容分別增大了4.75倍，1.45倍和1.14倍，這為瓦斯解吸提供了更好的通道。

從表3和圖5可以看出，平煤一礦軟煤的總孔容是硬煤的1.18倍，孔隙率軟煤是硬煤的1.2倍，說(shuō)明軟煤具有更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。從孔徑分布來(lái)，軟硬煤微孔及過(guò)渡孔的孔容相差不大，但是軟煤的中孔及大孔孔容大幅度的增加，分別是硬煤的3.08倍和1.22倍。

2.2　軟硬煤解吸規(guī)律差異性的影響因素

軟煤相對(duì)于硬煤具有更多的總解吸量及更快的初始解吸速度，分析其原因，主要受以下2個(gè)因素影響：

1)煤的孔隙結(jié)構(gòu)影響瓦斯解吸規(guī)律差異性的主要因素。綜合以上分析可知，實(shí)驗(yàn)煤樣軟煤總孔容是硬煤的1.18～2.14倍，孔隙率是硬煤的1.2～2.0倍，說(shuō)明具有更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。從孔徑分布角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)煤樣軟硬煤微孔孔容相差不大，但是中孔及大孔孔容明顯增加，分別增大了1.45～3.08倍及1.14～1.22倍，這為軟煤瓦斯解吸提供了更優(yōu)異的通道，這也是軟煤瓦斯解吸量更多及初始解吸速度更快的根本原因。

2)動(dòng)力變質(zhì)作用是影響瓦斯解吸規(guī)律差異性的次要因素。軟煤在形成過(guò)程中，受到動(dòng)力變質(zhì)作用，總體上來(lái)看，相對(duì)于同一地點(diǎn)的硬煤，軟煤具有更高的變質(zhì)程度，如龍山礦軟煤揮發(fā)分為6.21%，小于硬煤的6.81%；平煤一礦軟煤的揮發(fā)分為30.67%，同樣小于硬煤的33.03%，說(shuō)明軟煤在同等條件下具有更高的變質(zhì)程度。煤的變質(zhì)程度越高，在相同平衡壓力條件下吸附甲烷的能力越強(qiáng)，更有利于形成較高的瓦斯?jié)舛忍荻?，從而?dǎo)致軟煤瓦斯解吸速度較快和解吸量較多。

3　結(jié)論

1)在相同平衡壓力條件下，軟煤瓦斯解吸量1.58～7.95 mL/g，而硬煤解吸量為0.25～4.96 mL/g，軟煤總解吸量是硬煤的1.6～6.3倍；第一個(gè)60 s解吸量軟煤為0.43～1.54 mL/g，硬煤為0.08～0.81 mL/g，軟煤解吸速度是硬煤解吸量的1.9～5.4倍，軟煤總解吸量及解吸速度均遠(yuǎn)大于硬煤。

2)軟硬煤的解吸量與解吸時(shí)間符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合指數(shù)均在0.98以上。

3)軟煤相對(duì)于硬煤具有更多的解吸量及更快的解吸速度，主要受到軟硬煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響。軟煤總孔容是硬煤的1.18～2.14倍，孔隙率是硬煤的1.2～2.0倍，軟煤具有更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。軟硬煤微孔孔容相差不大，但是中孔及大孔孔容分別增大了1.45～3.08倍及1.14～1.22倍，這為軟煤瓦斯解吸提供了更優(yōu)質(zhì)的通道。

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