田世祥 ，馬瑞帥 ，鄒義懷 ，林華穎 ，許石青 ，曾建華

（1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

煤與瓦斯突出是地應(yīng)力和瓦斯壓力作用在含瓦斯煤體的一種動(dòng)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(kāi)煤層時(shí)[2-4]，石門揭煤時(shí)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(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)至關(guān)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(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)石門揭煤的突出危險(xiǎn)性，初始釋放瓦斯膨脹能表征了地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體物理力學(xué)特性，預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際突出危險(xiǎn)具有很好的一致性。然而，準(zhǔn)確測(cè)定初始釋放瓦斯膨脹能的前提是對(duì)煤樣視密度測(cè)定的準(zhǔn)確性。關(guān)于煤體視密度的測(cè)定方法，1999年，張淑娟等[7]首次提出了運(yùn)用“倒稱法”對(duì)孔隙介質(zhì)進(jìn)行視密度測(cè)定；1995 年，He Huang 等[8]分別運(yùn)用H2、He 以及它們的混合氣體對(duì)Argonne 煤田優(yōu)質(zhì)煤樣進(jìn)行視密度研究；由于“倒稱法”用于測(cè)定煤體視密度時(shí)誤差較大，采用H2、He 以及它們的混合氣體測(cè)定煤體視密度時(shí)操作復(fù)雜，現(xiàn)階段多采用“GB/T 6949—2010 煤的視相對(duì)密度測(cè)定方法”[9]對(duì)煤體進(jìn)行視密度測(cè)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(rùn)松軟煤粒內(nèi)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(guò)理論分析煤樣視密度與粒徑之間的關(guān)系，以選取于全國(guó)各地9 個(gè)不同變質(zhì)程度的煤樣為研究對(duì)象，采用自主研制的視密度測(cè)定裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期為突出煤體視密度測(cè)定提供一種新方法。

1 模擬煤層法可行性分析

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

圖1 煤粒簡(jiǎn)圖Fig.1 Coal particle diagram

煤的取樣質(zhì)量為：

式中：M 為煤樣質(zhì)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(gè)顆粒的體積為：

式中：v1為煤樣 1 個(gè)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(gè)數(shù)A 為：

煤樣1 個(gè)顆粒的開(kāi)放性空隙的體積為：

式中：v2為煤樣1 個(gè)顆粒的開(kāi)放性空隙的體積，m3；△x 為煤粒表層的 1 個(gè)微小距離，m。

當(dāng)△x 很小的時(shí)候得：

所取煤樣的總的開(kāi)放性空隙為：

式中：△v1為煤樣總的開(kāi)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(jì)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(guān)。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(shè) B=（1-ρ1）ρ2同時(shí) 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(dāng)煤樣粒度足夠大時(shí)煤樣視密度趨于定值。突出煤體由于受地應(yīng)力作用煤粒間相互擠壓，可將突出煤體看做粒徑無(wú)限大的煤粒，即此時(shí)煤體視密度趨于定值。而“GB/T 6949—2010 煤的視相對(duì)密度測(cè)定方法”往往忽略突出煤體由于撤去地應(yīng)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(duì)能否在實(shí)驗(yàn)室條件下針對(duì)突出煤體模擬井下地應(yīng)力環(huán)境，后充入高壓瓦斯，待煤樣吸附平衡后測(cè)定煤樣視密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 煤樣采集與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 煤樣采集

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，從全國(guó)主要產(chǎn)煤基地選取9 個(gè)變質(zhì)程度不同的煤樣進(jìn)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(fēng)引射取樣裝置取得。在打鉆過(guò)程中，外接風(fēng)機(jī)與鉆桿內(nèi)腔連接，鉆進(jìn)時(shí)采取正壓吹風(fēng)鉆進(jìn)防止鉆桿內(nèi)腔堵塞。鉆進(jìn)到取樣地點(diǎn)后翻轉(zhuǎn)風(fēng)流方向，外接風(fēng)機(jī)與鉆桿內(nèi)腔形成負(fù)壓將鉆頭切割出來(lái)的煤樣抽出來(lái)。取樣鉆進(jìn)過(guò)程中一定要慢，當(dāng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時(shí)正壓吹風(fēng)疏通。將取得的煤樣及時(shí)的裝入不透氣的塑料袋中保護(hù)起來(lái)并確保運(yùn)輸過(guò)程中煤樣不受到破壞。

煤樣統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1 可知，采集的煤種分布從低變質(zhì)程度的長(zhǎng)焰煤到高變質(zhì)程度的無(wú)煙煤，煤樣破壞類型為Ⅳ、Ⅴ類，堅(jiān)固性系數(shù) 0.12～0.38，滿足實(shí)驗(yàn)要求的松軟突出煤層。將采集煤樣破碎至2 mm 以下，加水?dāng)嚢杈鶆蚝竺芊獗４妗?/p>

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

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

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

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

1）壓力機(jī)。壓力機(jī)選用YF-10000F 長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)壓壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，最大壓力為10 000 kN。施加壓力后關(guān)閉油閥，該壓力機(jī)所施加的壓力可以在48 h 內(nèi)保持壓力不變。

2）缸體。煤樣缸體設(shè)計(jì)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(nèi)，煤樣受力可達(dá)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(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)煤樣充分吸附瓦斯。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1）將實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接好，同時(shí)將堵頭封閉，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

2）用校準(zhǔn)好的電子秤，稱取所需要的煤樣質(zhì)量。為保證煤層充分壓實(shí)，將稱取好的煤樣分4 次壓制，之后對(duì)缸體施加1 個(gè)單軸成型壓力維持30 min 左右。煤樣壓制成型后，將軸向應(yīng)力調(diào)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(biāo)卡尺測(cè)量出壓柱深度h1。圍巖壓力σ 計(jì)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(gè)和圍巖壓力大小一樣的單軸壓力，測(cè)出壓柱的深度記為h2。

4）煤樣視密度計(jì)算方法如下：

式中：M 為煤樣的質(zhì)量，kg；h1為無(wú)煤樣時(shí)測(cè)得的壓柱深度，m；d1為圓形缸體凈直徑，m。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為突出研究重點(diǎn)，煤樣壓制時(shí)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(diào)整為24 MPa 進(jìn)而測(cè)定煤樣視密度；對(duì)所選煤樣運(yùn)用“GB/T 6949—2010 煤的視相對(duì)密度測(cè)定方法”進(jìn)行視密度測(cè)定與模擬煤層法所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，視密度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。煤樣視密度柱狀圖如圖3。

表2 視密度測(cè)定結(jié)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(cè)得的煤樣視密度與國(guó)標(biāo)法測(cè)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(zhǔn)確性。

由表2 可得：隨著煤樣變質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǔ)存場(chǎng)所，影響著煤儲(chǔ)層吸附空間的大小。煤體吸附瓦斯較多時(shí)往往會(huì)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(dāng)其他條件一定時(shí)，煤體變質(zhì)程度不高時(shí)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(zhì)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(zhì)程度高和變質(zhì)程度低的煤體對(duì)瓦斯氣體的吸附能力往往大于變質(zhì)程度中等的煤體對(duì)瓦斯氣體的吸附能力[15]。當(dāng)其他條件一定時(shí)，變質(zhì)程度高和變質(zhì)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(yīng)視密度較小。變質(zhì)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(duì)較少，引起煤體較小的膨脹變形，相應(yīng)視密度較大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和煤體變質(zhì)程度與微孔體積、孔隙度、吸附能力變化規(guī)律相吻合，從側(cè)面驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 誤差分析

在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)誤差的大小，對(duì)每個(gè)煤樣進(jìn)行2 次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，每次測(cè)定煤樣的水分、成型壓力和圍巖壓力保持一致，2 次測(cè)定結(jié)果反映實(shí)驗(yàn)誤差的大小。實(shí)驗(yàn)誤差分析見(jiàn)表3。由結(jié)果可知：2 次測(cè)定結(jié)果的綜合誤差均小于0.5%，且綜合誤差在0.06%～0.33%范圍內(nèi)進(jìn)行變化，符合煤體視密度測(cè)定誤差標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

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

表3 實(shí)驗(yàn)誤差分析Table 3 Error analysis of experimental

2）由模擬煤層法得，隨著煤樣變質(zhì)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(zhì)程度與微孔體積、孔隙度、吸附能力變化規(guī)律相吻合，從側(cè)面驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）模擬煤層法與國(guó)標(biāo)法測(cè)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(cè)定誤差標(biāo)準(zhǔn)，模擬煤層法能夠滿足突出煤體視密度測(cè)定需要。