劉志偉

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，表征一定量的鉆屑在一定時(shí)間內(nèi)釋放瓦斯的能力。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法是我國(guó)突出礦井廣泛應(yīng)用的區(qū)域驗(yàn)證或工作面預(yù)測(cè)方法，能夠有效預(yù)測(cè)工作面前方突出危險(xiǎn)性，對(duì)我國(guó)煤礦煤與瓦斯突出防治起到了重要作用。隨著我國(guó)煤礦采掘深度的不斷增加，瓦斯防治的難度日趨增大，在我國(guó)煤礦低透氣性煤層瓦斯防治中，水力化措施作為一種高效的煤層增透措施已被煤礦廣泛應(yīng)用，如水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等，但在煤層中殘留了大量的水，相對(duì)于原始煤體來(lái)說(shuō)，煤層含水率大大增加。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》(2009)(以下簡(jiǎn)稱《防突規(guī)定》)中對(duì)干、濕煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2臨界值分別規(guī)定為200 Pa、160 Pa。研究表明，外加水分對(duì)煤的瓦斯解吸有抑制作用，水分會(huì)占據(jù)煤樣的一部分孔隙體積，阻塞瓦斯擴(kuò)散和滲透的通道，減小瓦斯解吸速度和解吸量，不同含水率條件下測(cè)試鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)值也不同。

因此，在采用水力化措施增透后的煤層進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證或工作面預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)其臨界值進(jìn)行考察確定，才能真實(shí)反映不同含水率條件下工作面突出危險(xiǎn)性。文中以鐵法礦區(qū)大隆煤礦13#煤層為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場(chǎng)考察應(yīng)用，確定13#煤層濕煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的臨界值，對(duì)煤層的突出危險(xiǎn)性準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有重要意義。

1 水分對(duì)煤體瓦斯解吸的影響

從吸附化學(xué)的角度來(lái)講，水分子具有明顯的極性，比甲烷分子更容易被煤體吸附，水分子首先是在煤體裂隙和大孔徑中運(yùn)移，然后由于毛細(xì)作用和擴(kuò)散作用可以進(jìn)入直徑小于5 nm的孔隙中，以多分子層的形式吸附在煤體中，并與煤的內(nèi)表面牢固聯(lián)系。因此從微觀上來(lái)看，水分的存在主要通過(guò)3方面影響煤體的解吸，一是部分自由水通過(guò)潤(rùn)濕作用和煤表面相結(jié)合，在煤的表面形成一層致密的水膜，在一定程度上阻礙了煤體內(nèi)瓦斯的解吸；二是在未濕潤(rùn)的煤表面和自由水不能到達(dá)微孔隙內(nèi)，由于水具有一定的蒸汽壓，少量的水分子以氣態(tài)形式游離于煤的微孔隙中，阻礙了煤體瓦斯的解吸；三是水的存在會(huì)在煤體孔隙內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象，進(jìn)而形成毛細(xì)管阻力，阻塞煤體內(nèi)孔隙的通道，而煤體孔隙的內(nèi)表面積是吸附瓦斯的主要載體，瓦斯在解吸過(guò)程中，首先應(yīng)突破水在煤孔隙中產(chǎn)生的毛細(xì)阻力，減緩?fù)咚沟慕馕俣取?/p>

2 濕煤樣Δh2指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用煤樣取自于大隆煤礦13#煤層，現(xiàn)場(chǎng)采用刻槽法取得全層煤樣，并就地進(jìn)行封蠟處理，運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室后，制取1～3 mm粒徑的煤樣100 g，在150℃條件下干燥5 h放入干燥皿中準(zhǔn)備試驗(yàn)。

將干燥過(guò)后的煤樣放入圖1所示的試驗(yàn)裝置內(nèi)，然后采用減壓閥平衡壓力，對(duì)每個(gè)煤樣分別充入0.84 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa的瓦斯壓力，待煤樣吸附平衡后，按照煤樣質(zhì)量和外加水分的比例分別注入一定量的水，并攪拌均勻；然后取出煤樣，利用MD-II鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀進(jìn)行Δh2的測(cè)定。

1-高壓CH4；2-減壓閥；3-參考罐；4-真空泵；5-平流泵；7-恒溫油?。?-煤樣罐；9-攪拌電機(jī)；10-攪拌裝置；11-注水和進(jìn)氣口；12-出氣口；13-攪拌葉片；a～e-壓力表；f～i-閥門；j-四通接頭；k-三通接頭圖1 試驗(yàn)裝置原理示意圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采取大隆煤礦13#煤層濕煤樣，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了不同瓦斯壓力、不同含水率條件下該煤層鉆屑解吸指標(biāo)Δh2，剔除試驗(yàn)測(cè)定中的異常數(shù)據(jù)，整理后得到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同瓦斯壓力時(shí)外加水分對(duì)Δh2的影響 Pa

對(duì)表1中同一瓦斯壓力條件下鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與煤樣外加水分含量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出在相同瓦斯壓力條件下Δh2隨煤樣含水率變化曲線，如圖2所示。

由上述不同瓦斯壓力隨含水率變化曲線得出，初始時(shí)曲線的曲率較大，隨著煤樣含水率的增加，曲線的曲率變得平緩，且在3個(gè)壓力條件下，煤樣含水率對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的測(cè)定值影響變化趨勢(shì)是一致的。

結(jié)合在0.84 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa瓦斯壓力條件下的Δh2隨煤樣含水率變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值擬合，其擬合的結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 不同瓦斯壓力時(shí)Δh2隨煤樣含水率變化曲線

表2 煤樣含水率和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2關(guān)系

通過(guò)分析數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在同一瓦斯壓力條件下，鉆屑解吸指標(biāo)Δh2與煤體內(nèi)的含水率均符合對(duì)數(shù)關(guān)系，可采用式(1)表示，且該函數(shù)符合單調(diào)遞減關(guān)系，即在同樣的瓦斯壓力條件下，Δh2隨煤體內(nèi)含水率的增加而減少。

y=alnx+b

(1)

式中：y——鉆屑解吸指標(biāo)Δh2；

a、b——待定系數(shù)；

x——煤樣的含水率。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大隆煤礦13#煤層為突出煤層，該煤層采用水力化措施進(jìn)行瓦斯治理，在區(qū)域驗(yàn)證或工作面預(yù)測(cè)時(shí)，煤樣含水率較高，鑒于煤體含水率對(duì)煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)有重要影響。因此，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其采掘工作面的突出危險(xiǎn)性，礦井委托具有突出鑒定的資質(zhì)單位對(duì)工作面預(yù)測(cè)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的臨界值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察。

根據(jù)《防突規(guī)定》第四十三條，煤層瓦斯壓力或者瓦斯含量進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)的臨界值應(yīng)當(dāng)由具有突出危險(xiǎn)性鑒定資質(zhì)的單位進(jìn)行試驗(yàn)考察；經(jīng)資質(zhì)單位現(xiàn)場(chǎng)考察確定大隆煤礦13#煤層區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)的瓦斯壓力的臨界值為1.5 MPa。

考察過(guò)程中采取大隆煤礦13#煤層采掘工作面多組煤樣在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其煤樣的含水率進(jìn)行測(cè)定，統(tǒng)計(jì)分析得出80%以上的13#煤層煤樣含水率均分布在16%左右。

針對(duì)大隆煤礦13#煤層實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了在瓦斯壓力1.5 MPa時(shí)煤樣含水率和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合如下：

y=-208.8lnx+777.35R2=0.9918

(2)

將13#煤層濕煤樣含水率16%代入式(2)，得出Δh2值為198 Pa，因此大隆煤礦13#煤層濕煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的臨界值初步定為198 Pa。

以現(xiàn)場(chǎng)考察和實(shí)驗(yàn)室研究確定的大隆煤礦13#煤層濕煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值198 Pa為區(qū)域驗(yàn)證或工作面預(yù)測(cè)的臨界初值，在13#煤層煤巷掘進(jìn)巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大應(yīng)用實(shí)踐，在施工探鉆孔、預(yù)測(cè)鉆孔過(guò)程中未發(fā)生噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆，在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中回風(fēng)瓦斯?jié)舛任闯蓿闯霈F(xiàn)工作面預(yù)測(cè)的誤報(bào)。

5 結(jié)論

(1)相同瓦斯壓力時(shí)濕煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與煤樣含水率符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著煤樣含水率的逐漸增大而減小。

(2)基于外加水分含水率與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的關(guān)系及區(qū)域預(yù)測(cè)瓦斯壓力的臨界值，得出大隆煤礦13#煤層的濕煤樣Δh2臨界值為198 Pa。