煤体结构对瓦斯解吸放散特征影响试验研究*

张逸斌，齐庆杰，张浪，张慧杰，王维华

( 1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000；3. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；4. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

0 引言

煤体结构类型可分为构造煤与原生煤。构造煤是原生煤在构造应力作用下形成的具有新的结构和构造特征的变形煤[1]，其按破坏程度的不同表现为破裂状、碎裂状、颗粒状和粉末状等状态，并且呈现出层理紊乱、煤质松软、镜面发育、孔隙率高，原生结构遭到破坏或完全消失[2]的特点。前人研究指出：与原生煤相比，构造煤瓦斯解吸初速度更大，其瓦斯解吸量是一条递增的分段性曲线，随着时间的推移呈现出快速解吸段、缓慢解吸段和平稳解吸段，但瓦斯吸附速率随时间变化呈现出单调递减的状态。在吸附初期，构造煤的瓦斯吸附速率最快，因此构造煤在更短时间内达到吸附平衡，吸附效率更高[3-4]。目前大多数人认为瓦斯在煤体中的流动符合菲克定律[5-9]。关于瓦斯解吸与放散规律，国内外专家学者提出了包括文特式、巴雷尔式[10]、乌斯基诺夫式[11]、孙重旭式[12]、王佑安式[13]、艾黎式、博特式等多种瓦斯解吸规律经验公式，但是由于煤体结构不同，所表现出的解吸规律往往有所差异。本文采用实验室试验的方法，分别对原生煤与构造煤在恒温下进行不同吸附压力下的瓦斯吸附/解吸与放散规律试验，最终拟合得到寺家庄矿15#煤层不同煤体结构的瓦斯放散特征函数，研究成果对于指导煤与瓦斯突出灾害防治以及煤层气资源的开发与利用具有至关重要的意义。

1 现场概况及煤样采集

1.1 煤与瓦斯突出资料统计

寺家庄公司为典型高突矿井，15#煤层为煤与瓦斯突出煤层，据统计，自2005年建井至今在尚未投产条件下已累计发生大小突出近40次，其中突出和动力现象大多数发生在南区，其次为北区，中央区相对较少，煤层始突埋深408 m(标高+536 m)。收集、统计寺家庄公司有明确记录的典型煤与瓦斯突出事故资料，在近年来发生过的突出事故中，存在断层、褶曲、陷落柱等地质构造的案例有7次，无不反映了地质构造与煤与瓦斯突出的产生存在着密切的联系。

1.2 煤样采集

选取15#煤层典型地点采集煤样5组，煤样信息见表1。

表1 寺家庄15#煤层煤样采集资料汇总Table 1 Summary of coal sample collection at No.15 coal seam in Sijiazhuang

2 瓦斯吸附-解吸规律研究

2.1 等温吸附解吸试验

采用美国康塔公司iSorbHP2高压吸附仪，在室温20℃条件下进行等温吸附实验，

选取煤样粒径为0.2～0.25 mm，实验前样品在真空干燥箱中干燥24 h。

煤对瓦斯的吸附作用采用单分子层吸附理论描述，吸附过程符合Langmuir方程：

V=VLp/(pL+p)

(1)

式中：VL为兰氏体积，指煤体中瓦斯的最大吸附量；PL为兰氏压力，指瓦斯吸附量达到兰氏体积一半时所对应的平衡压力。兰氏体积代表了煤对瓦斯的吸附能力，是煤的瓦斯吸附特性的重要指标之一[14]。

Langmuir方程也常以下面的形式出现：

V=abp/(1+bp)

(2)

式中：V为瓦斯吸附量；P为吸附平衡压力；a，b为吸附常数。

2.2 试验结果分析

基于公式(1)～(2)，针对SJZ-1～SJZ-5煤样进行瓦斯吸附解吸试验，对试验结果进行非线性拟合，得到吸附常数，试验结果统计如表2所示。

表2 寺家庄煤样吸附解吸试验分析结果Table 2 Results of analysis on adsorption and desorption of coal samples in Sijiazhuang

吸附常数是考察吸附解吸能力至关重要的表征参数，吸附常数a值即压力趋于极限时的饱和吸附量，b值为吸附量随压力变化的速率。由上表可知，构造煤吸附量稍大于原生煤，构造煤较原生煤a，b值分别提升6.3%，21%。

3 瓦斯放散规律研究

3.1 恒温瓦斯放散试验

选取已采集的典型煤样，按照《煤样的制备方法》GB474规定，筛分出粒度为1～3 mm的煤样。实验室分别研究0.5，0.75，1.0，1.5 MPa平衡压力条件下120 min内寺家庄矿2组煤样的瓦斯解吸量与时间的关系，按照公式(3)将120 min内的解吸量换算成标准状况下的体积。

(3)

式中：Qt指瓦斯解吸量换算成标准状态下的体积，mL；Q′t指实测瓦斯解吸总量，mL；tw为室温，℃；Patm为大气压力，Pa；hw指解吸仪内液柱高度，mm；P0指室温饱和水蒸气压力，Pa[15]。

3.2 试验结果分析

1)不同吸附压力下的瓦斯放散特征

分别选取寺家庄15#煤层采取的典型煤样SJZ-1原生煤与SJZ-4构造煤进行不同平衡压力下的恒温瓦斯放散试验，瓦斯解吸量与时间关系试验结果见图1～2。

图1 寺家庄矿原生煤煤样(SJZ-1)的恒温瓦斯放散试验结果Figure.1 Results of thermostatic gas emission test of the primary coal sample(SJZ-1)from Sijiazhuang mine

由寺家庄15#煤层不同煤样在不同吸附平衡压力条件下的瓦斯解吸过程得出：随着时间的推移，瓦斯累积解吸量与平衡瓦斯压力呈正相关趋势；初始时刻解吸曲线斜率最大且随时间呈递减趋势，其大小取决于吸附常数。这种现象说明：煤对瓦斯的吸附作用随压力增大而增大；瓦斯解吸量、解吸速度与吸附压力呈正比关系；瓦斯解吸速度随着时间的推移逐渐减小；构造煤与原生煤的瓦斯放散曲线有较大差异，尤其体现在瓦斯放散初期，构造煤瓦斯放散速度更大，就达到极限解吸量所需时间而言，构造煤所需时间更短。

图2 寺家庄矿构造煤煤样(SJZ-4)的恒温瓦斯放散试验结果Figure.2 Result of thermostatic gas emission test of coal sample(SJZ-4)from Sijiazhuang mine

2)瓦斯放散拟合公式研究

为了寻求适用于寺家庄矿15#煤层不同煤体结构的解吸规律公式，分别采用乌斯基诺夫式、巴雷尔式、孙重旭式、对数公式4种方法对实验室不同吸附压力下的解吸数据进行拟合分析，公式汇总结果见表3。

表3 瓦斯解吸规律经验公式汇总Table 3 Summary of experience formulas for gas desorption

为了比较各公式的拟合效果，实验选用寺家庄矿15#煤层典型煤样SJZ-1原生煤和SJZ-4构造煤，针对不同吸附压力进行拟合测试。拟合过程如图3～8所示，各拟合公式的拟合度在图例中标出，最终选出适用于寺家庄矿15#煤层不同煤体结构的拟合公式。

图3 寺家庄矿15号煤层原生煤(SJZ-1)瓦斯放散拟合公式(0.5MPa)Fig.3 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (0.5MPa)

图4 寺家庄矿15号煤层原生煤(SJZ-1)瓦斯放散拟合公式(1.0MPa)Fig.4 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (1.0MPa)

图5 寺家庄矿15号煤层原生煤(SJZ-1)瓦斯放散拟合公式(1.5MPa)Fig.5 Fitting formula for gas emission of No. 15 coal seam (SJZ-1) in Sijiazhuang mine (1.5MPa)

图6 寺家庄矿15号煤层构造煤(SJZ-4)瓦斯放散拟合公式(0.5 MPa)Fig.6 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (0.5 MPa)

图7 寺家庄矿15号煤层构造煤(SJZ-4)瓦斯放散拟合公式(1.0 MPa)Fig.7 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (1.0 MPa)

图8 寺家庄矿15号煤层构造煤(SJZ-4)瓦斯放散拟合公式(1.5 MPa)Fig.8 Fitting formula of coal gas emission in No.15 coal seam (SJZ-4) of Sijiazhuang mine (1.5 MPa)

观察图3～5可知，巴雷尔公式、对数公式能够较准确的表达原生煤长时间(120 min)内的解吸特性，但对于构造煤的表达有较大误差。相比较，孙重旭式及乌斯基诺夫式对构造煤和原生煤解吸曲线拟合均取得了较高的相似系数，拟合效果较好。

由图3～8可以看出：利用乌斯基诺夫式、孙重旭式对不同煤体结构120 min内解吸数据进行拟合，孙重旭式、乌斯基诺夫式分别对应原生煤与构造煤时所得指数最接近1，说明寺家庄矿15#煤层原生煤瓦斯放散特性利用孙重旭式能够准确拟合，该式可作为其原生煤瓦斯放散特征函数；构造煤瓦斯放散特性利用乌斯基诺夫式拟合程度最高，该式可作为其构造煤瓦斯放散特征函数。

4 结论

1)等温吸附解吸试验表明构造煤吸附量稍大于原生结构煤，吸附常数a值较原生煤提高6.3%左右，b值较原生煤提高21%左右。

2)高压力吸附平衡条件下，煤样对瓦斯的吸附作用更强，吸附压力与瓦斯解吸量、解吸速度成正相关关系，构造煤与原生煤的瓦斯放散曲线有较大差异，尤其体现于瓦斯放散初期，构造煤瓦斯放散速度更大，就达到极限解吸量所需时间而言，构造煤所需时间更短。

3)孙重旭式对该矿原生煤瓦斯放散曲线拟合效果最好，可以作为其原生煤瓦斯放散特征函数；乌斯基诺夫式对该矿构造煤瓦斯放散曲线拟合程度最高，可以作为其构造煤瓦斯放散特征函数。

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