高 政，常 舉，姜 蒙，周越洋，劉盛鎧，馬一卓，魏宗勇

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦井下采煤過(guò)程中發(fā)生的一種煤與瓦斯的突然運(yùn)動(dòng)。煤與瓦斯突出是威脅煤礦安全的重要災(zāi)害之一[1]。近年來(lái)隨著我國(guó)礦井開(kāi)采深度的加大，我國(guó)成為煤與瓦斯突出事故多發(fā)國(guó)家。因此做好煤與瓦斯突出礦井的鑒定工作，對(duì)規(guī)范礦井生產(chǎn)，保證生產(chǎn)安全有著十分重要的意義。煤的瓦斯放散初速度是判定煤與瓦斯突出危險(xiǎn)重要參數(shù)之一[2]。煤的瓦斯放散能力與煤的變質(zhì)程度[3]、粒徑[4]、溫度[5]、含水率[6]等參數(shù)相關(guān)。能夠探索出煤的瓦斯放散初速度與各因素之間的聯(lián)系，對(duì)于不同變質(zhì)煤層突出鑒定、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和瓦斯防治具有重大的指導(dǎo)意義[7-8]。因此，試驗(yàn)選用的煤樣變質(zhì)程度、含水率以及粒徑均不同，以利用不同因素之間的對(duì)比進(jìn)行瓦斯放散初速度測(cè)試。

1 試驗(yàn)儀器及原理

選用的儀器有WT-1型瓦斯放散初速度測(cè)定儀、電子秤、針管注射器。試驗(yàn)所使用的WT-1瓦斯放散初速度測(cè)定儀為中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院所研發(fā)，如圖1所示。該測(cè)定儀整機(jī)電路主要由單片微機(jī)系統(tǒng)、打印機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、傳感器、顯示電路、鍵盤及電源等部分組成，只需根據(jù)計(jì)算機(jī)界面指示進(jìn)行操作即可完成整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程，大大降低了人為因素在試驗(yàn)中帶來(lái)的誤差，測(cè)試后的結(jié)果根據(jù)設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，并以曲線報(bào)表的形式打印輸出，結(jié)果直觀。煤的瓦斯放散初速度的測(cè)定試驗(yàn)是由煤在一個(gè)大氣壓下吸附45～60 s的瓦斯放散初速度結(jié)果與0～10 s的瓦斯放散初速度結(jié)果的差值所表示。

1-真空泵；2-甲烷氣體；3-電磁閥；4-煤樣罐；5-傳感器；6-計(jì)算器圖1 WT-1瓦斯放散初速度測(cè)定儀Fig.1 WT-1 gas emission initial velocity measuring instrument

2 試驗(yàn)步驟

2.1 變質(zhì)程度影響試驗(yàn)

煤的變質(zhì)程度對(duì)瓦斯放散初速度影響的試驗(yàn)所選用的4種煤樣分別為百良(R0=0.4%)、堿溝(R0=0.53%)、硫磺溝(R0=0.66%)、小甘溝(R0=1.13%)，R0為鏡質(zhì)組反射率。

采用落錘法對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎，選取粒徑為0.2～0.25 mm的煤樣，將4種煤樣分別用電子秤稱取3.5 g裝入試樣瓶中，再將脫脂棉塞入試樣瓶，將試樣瓶上部填滿，將試樣瓶裝回儀器，對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)、命名，啟動(dòng)儀器。儀器運(yùn)行3 h(脫氣1.5 h、充氣1.5 h)后得到瓦斯放散初速度的數(shù)據(jù)圖。重復(fù)上述步驟再次進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 粒徑影響試驗(yàn)

煤的不同粒徑對(duì)瓦斯放散初速度影響的試驗(yàn)選用的煤樣為變質(zhì)程度較高的煤樣(小甘溝R0=1.13%)，對(duì)煤樣進(jìn)行制樣。制樣的粒徑分別為20～30目、30～40目、40～50目、50～60目、60～80目，共計(jì)5個(gè)煤樣。采用落錘法對(duì)煤樣進(jìn)行不同程度的粉碎，選取粒徑為20～30目、30～40目、40～50目、50～60目、60～80目的煤樣，將5種煤樣分別稱取3.5 g裝入試樣瓶中，再將脫脂棉塞入試樣瓶，將試樣瓶裝回儀器，對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)、命名，啟動(dòng)儀器。儀器運(yùn)行3 h(脫氣1.5 h、充氣1.5 h)后得到瓦斯放散初速度的數(shù)據(jù)圖。重復(fù)上述步驟再次進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 含水率影響試驗(yàn)

含水率對(duì)瓦斯放散初速度影響的試驗(yàn)所選用的煤樣為小甘溝(R0=1.13%)。對(duì)煤樣進(jìn)行制樣。含水率設(shè)為0%、10%、20%、30%、40%共計(jì)5個(gè)煤樣。選取粒徑為0.20～0.25 mm的煤樣，將煤樣分別在電子秤稱取3.5 g、3.15 g、2.8 g、2.45 g、2.1 g，再用針管注射器注入水，使試樣瓶中含水煤樣總重3.5 g，再將脫脂棉塞入試樣瓶，將試樣瓶上部填滿，將試樣瓶裝回儀器，攪拌煤樣與水，并靜置2 h，使煤樣充分吸收水分，將試樣瓶裝回儀器，對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)、命名，啟動(dòng)儀器。儀器運(yùn)行3 h(脫氣1.5 h、充氣1.5 h)后得到瓦斯放散初速度的數(shù)據(jù)圖。重復(fù)上述步驟再次進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 多因素正交試驗(yàn)

考慮到3個(gè)因素的共同作用，因此在該組試驗(yàn)中煤樣的變質(zhì)程度選擇3種，即大柳塔(R0=0.47%)、建新(R0=0.57%)、小甘溝(R0=1.13%)；含水率選擇3種：0%、15%、30%(表面處理干凈)；粒徑選擇3種，即20～30目(0.6～0.9 mm)、40～50目(0.355～0.45 mm)、60～80目(0.2～0.28 mm)。若采用兩兩都見(jiàn)面的方法，則試驗(yàn)總數(shù)目共計(jì)27個(gè)。因試驗(yàn)數(shù)目略多、耗時(shí)較長(zhǎng)，故選擇正交試驗(yàn)法。正交試驗(yàn)法是一種利用多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)正交性從整體試驗(yàn)中對(duì)部分具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行挑選后比較試驗(yàn)，這些點(diǎn)具有整齊、均勻等顯著特點(diǎn)。

為研究煤變質(zhì)程度、含水率和粒徑率3個(gè)因素對(duì)煤的瓦斯放散性能的影響規(guī)律，在正交設(shè)計(jì)中以變質(zhì)程度、含水率和粒徑作為3個(gè)因素，每個(gè)因素分別設(shè)置了3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，見(jiàn)表1。各因素不同水平的組合采用L9(33)正交表，共設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，見(jiàn)表2。每組試驗(yàn)需要2個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，以減小誤差，共計(jì)18個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)取2個(gè)試樣的平均值。

表1 因素水平

表2 瓦斯放散性能正交設(shè)計(jì)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 變質(zhì)程度影響試驗(yàn)結(jié)果分析

在煤的變質(zhì)過(guò)程中，煤的化學(xué)組成、工藝特性和物理特征等均呈一定規(guī)律變化[9]，主要煤化作用參數(shù)有鏡質(zhì)組反射率(R)、碳含量(C)、揮發(fā)分(V)、水分(M)等，其中煤的鏡質(zhì)組反射率是表征煤化度的重要指標(biāo)，不受煤的巖相組成變化的影響，鏡質(zhì)反射率標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，鏡質(zhì)反射率(R)越大，煤變質(zhì)程度越高。

表3 鏡質(zhì)反射率標(biāo)準(zhǔn)

煤的變質(zhì)程度對(duì)瓦斯放散初速度影響試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表4。煤的變質(zhì)程度與瓦斯放散初速度關(guān)系如圖2所示。

表4 變質(zhì)程度影響試驗(yàn)結(jié)果

圖2 煤的變質(zhì)程度與瓦斯放散初速度關(guān)系Fig.2 The relationship between the degree of coal metamorphism and gas emission initial velocity

Δp=6.379 5ln(R0)+30.979

(1)

可以看出，煤的變質(zhì)程度的越大，則煤的瓦斯放散初速度越大。

3.2 粒徑影響試驗(yàn)結(jié)果分析

處于WT-1瓦斯放散初速度測(cè)定儀中不同粒徑的瓦斯氣體由吸附狀態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)時(shí)，此時(shí)，煤的粒徑越大，煤內(nèi)部微孔表面至煤表面距離越大，甲烷擴(kuò)散時(shí)所經(jīng)過(guò)的路程也就越遠(yuǎn)，甲烷分子到達(dá)煤表面的時(shí)間越長(zhǎng)，瓦斯放散初速度Δp越小[1012]。粒徑對(duì)瓦斯放散初速度影響結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 小甘溝煤的粒徑影響試驗(yàn)結(jié)果

Δp=24.92φ-0.2

(2)

可以看出，煤的粒徑φ的越大，瓦斯放散初速度Δp越小。

圖3 小甘溝煤的粒徑與瓦斯放散初速度關(guān)系Fig.3 Relationship between particle size of Xiaogangou coal and gas emission initial velocity

3.3 含水率影響試驗(yàn)結(jié)果分析

煤層中含有水分時(shí)，水分子對(duì)瓦斯分子具有吸附作用，瓦斯分子解析與煤層含水率有著根本性的影響[12]，含水率的變化將影響單項(xiàng)指標(biāo)在瓦斯放散初速度Δp的變化關(guān)系。小甘溝煤的含水率對(duì)瓦斯放散初速度影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。小甘溝煤的含水率與瓦斯放散初速度關(guān)系如圖4所示。

表6 小甘溝煤的含水率影響試驗(yàn)結(jié)果

Δp=-0.357 1x2-32.807x+32.13

(3)

圖4 小甘溝煤的含水率與瓦斯放散初速度關(guān)系Fig.4 Relationship between water content of Xiaogangou coal and gas emission initial velocity

即可得出試驗(yàn)結(jié)果:煤的含水率小于二次函數(shù)圖像的對(duì)稱軸時(shí)，煤的含水率越高，煤層瓦斯放散初速度就越小，煤層發(fā)生瓦斯突出危險(xiǎn)性越低；當(dāng)小甘溝煤含水率值為40%時(shí)，該煤層瓦斯放散初速度Δp最小，發(fā)生瓦斯突出危險(xiǎn)性最低；當(dāng)煤的含水率大于二次函數(shù)圖像的對(duì)稱軸時(shí)，煤的含水率越高，煤層瓦斯放散初速度Δp就越大，煤層發(fā)生瓦斯突出危險(xiǎn)性越高。

3.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

從表7中的數(shù)據(jù)，可以看出第4組瓦斯放散初速度最大，2次平均試驗(yàn)值為4 152.99，試驗(yàn)組合為0.57%、0%含水率、40～50目；第9組瓦斯放散初速度最小，2次平均試驗(yàn)值為1 686.53，試驗(yàn)組合為1.13%、30%含水率、40～50目。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表8計(jì)算結(jié)果可得，含水率對(duì)煤樣瓦斯放散初速度的影響程度最大，煤的變質(zhì)程度次之，粒徑的影響程度最小。

表8 正交試驗(yàn)結(jié)果

在不考慮各個(gè)因素間交互作用的條件影響下，畫出因素水平如圖5所示。

圖5 直觀分析圖Fig.5 Intuitive analysis diagram

由圖5可以得出，瓦斯放散初速度最大時(shí)的方案為A3B3C1。

(4)

式中，SSi為離差平方和；Iij為i因素j水平條件下的Δp值；r為正交試驗(yàn)水平數(shù)；試驗(yàn)取r=3；Ik為試驗(yàn)編號(hào)為k的試驗(yàn)的Δp平均值，k=1，2，3，…，9；m為各因素水平數(shù)，取m=3；n為總試驗(yàn)次數(shù)，n=9。

在不同的變質(zhì)程度A、含水率B、以及粒徑C的3個(gè)因素下，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，分別得出3種不同因素的煤樣瓦斯放散初速率F值為FA=11.397，F(xiàn)B=4.268，F(xiàn)C=1.391。

(5)

式中，SST為組間誤差和組內(nèi)誤差的總和。

SST=SSA+SSB+SSC+SSE

(6)

式中，SSA,SSB,SSC為組間誤差;SSE為組內(nèi)誤差。

F=SSi/SSE

(7)

式中，F(xiàn)檢驗(yàn)值為組間誤差與組內(nèi)誤差的比值。

取顯著性水平α=0.1進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)結(jié)果方差分析見(jiàn)表9。

再對(duì)3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，由表9可得，煤變質(zhì)程度的瓦斯放散初速率為FA=21.215，含水率的瓦斯放散初速率為FB=24.912，大于F所選的臨界值F0.1(2，2)=9.000，粒徑的瓦斯放散初速率為FC=2.579，粒徑的F值小于所選的臨界值F0.1(2，2)=9.000，從而說(shuō)明煤變質(zhì)程度和含水率對(duì)瓦斯放散初速率的影響較為顯著，粒徑對(duì)瓦斯放散初速率的影響程度較低。因此可以得出以下結(jié)論：3個(gè)因素對(duì)煤層瓦斯放散初速度Δp的影響程度從大到小依次為含水率、變質(zhì)程度、粒徑。

表9 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

4 結(jié)論

(1)煤的變質(zhì)程度的越高，則瓦斯放散初速度Δp越大，反之則越??；煤的粒徑φ越小，瓦斯放散初速度Δp越大，反之則越??；煤的含水率大于二次函數(shù)圖像的對(duì)稱軸時(shí)，煤的含水率越高，煤層瓦斯放散初速度Δp就越大，反之則越小。

(2)3個(gè)因素對(duì)煤層瓦斯放散初速度Δp的影響程度從大到小依次為含水率、變質(zhì)程度、粒徑。