深部煤层瓦斯解吸规律的研究

林海峰

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016）

煤层上覆基岩厚度或煤层埋藏深度的变化，往往是影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素。随着采深的增加，煤层瓦斯压力增大，随之而来瓦斯动力灾害越来越严重。因此对深部煤层瓦斯赋存及解析规律的研究对煤矿瓦斯动力灾害的综合防治显得尤为重要。

1 深部煤层吸附瓦斯能力

煤吸附瓦斯的能力，遵循朗格谬尔等温吸附方程，在低压力时，吸附量与压力趋于正比例关系，当压力升至某一程度时，吸附瓦斯达到饱和，吸附曲线形成峰值常数。煤层埋深超过700m时，为掌握煤层瓦斯赋存规律必须研究吸附瓦斯的能力，矿压随着埋深增加而增大。实验室中瓦斯压力和瓦斯吸附的拟合曲线基本反映出深部煤层的吸附瓦斯能力大小。采样深度超过700m煤样做吸附试验。选用高压容量法，首先向密封罐中的煤样充入浓度为99.99%高压瓦斯，使煤样瓦斯游离转吸附状态，在压力升至与瓦斯量恒定不变时，之后执行降压解吸甲烷，即游离态甲烷为吸附瓦斯量。煤中吸附、解吸瓦斯量随压力变化产生互逆的物态变化，降压而解吸、升压则吸附。

图1 淮南矿区13-1号煤层吸附试验曲线

实践证明：在煤层埋深不深时，原煤瓦斯含量和埋深存在线性关系，当埋深增加，瓦斯压力增大一定数值时，二者形成曲线相关，瓦斯含量增长幅度逐渐变小，直至其不随压力升高而变化形成恒定值。图1为采深780m淮南矿区13-1号煤层煤样吸附试验曲线，由图1可知：瓦斯压力随埋深增大而升至5.0～7.0MPa，煤体内的游离瓦斯随压力上升而逐渐增大，直至瓦斯压力升至10MPa（即此值所对应的煤层埋深）时，原煤瓦斯含量的大小取决于游离瓦斯的多少。

基于淮南矿区的13-1号煤层瓦斯实验室测定分析，游离、吸附瓦斯量占总含量百分比分别为90%、10%。

2 煤壁瓦斯涌出强度与时间的关系

由沈阳研究院科研人员在谢桥矿13-1号煤层1115（1）上、下顺槽（-636～ -769m）、顾桥矿13-1回风上山下段（-760m）、刘庄矿东二13-1首采面运输顺槽（-740m）掘进工作面对煤壁瓦斯涌出强度与时间关系进行测定，对其测定结果回归分析表明，煤壁瓦斯涌出强度与时间呈双曲线函数关系，其形式为：

式中：

Q1-暴露时间为1+t时的煤壁瓦斯涌出强度，m3/(m2·min)；

Q0-t=0时的煤壁瓦斯涌出强度，m3/(m2·min)；

β-煤壁瓦斯涌出强度衰减系数。

Q0、β值在不同条件下具有不同的值，其大小取决于工作面的自然条件和开采技术条件，包括开采层瓦斯含量、煤层透气性、工作面推进速度等。

图2 煤壁瓦斯涌出强度与时间的关系曲线

3 深部煤层残存瓦斯含量

在埋深超过700m的煤层煤样由采掘面采取至提升到井上，其间解析出大量瓦斯，只有少量吸附在煤体中。决定煤炭这部分剩余瓦斯含量程度各种因素有：破碎粒度、变质程度即原煤瓦斯含量等因素，不同的放散条件与不同的解吸强度，残存瓦斯含量也会有差别。

测定方法：

（1）选择埋深超过700m的采掘面的新鲜煤体，利用“十字筛分法”采集约4.0kg重的煤样，暴露于空气120min后，按选取粒度分装于煤样罐封闭。

（2）筛分粒度标准划分4级粒度：1～6mm、6～13mm、13～25mm、＞25mm。

（3）统计原煤煤样粒度情况。

（4）送至实验室按AQ1046-2007标准开始脱气试验，得出破碎前后煤样瓦斯脱气量、挥发分、水分、灰分及质量数据，推导出残存瓦斯含量，公式：

式中：

Xci-某一粒度煤样残存瓦斯含量，ml/g；

V1-粉碎前煤样瓦斯脱气量，ml；

V2-粉碎后煤样瓦斯脱气量，ml；

G-煤样质量，g；

Mad-煤中水分含量，%；

Aad-煤中灰分含量，%。

残存瓦斯含量则按现场实测煤质粒度的百分比按下式确定：

式中：

XC-煤样平均残存瓦斯含量，m3/t。

X1，X2，X3，X4-各粒度煤样残存瓦斯含量，m3/t；

C1，C2，C3，C4-各粒度煤样占原煤总量的百分比，%。

由此得出以下结论：煤体粒度越小（破碎程度越好），煤样与空气接触面积越大，瓦斯解吸量则越大，反之越小。基于在淮南、阳泉矿区现场数据显示：

（1）煤样由采掘面送达井上，其残存瓦斯含量与暴露时间长短相关，且该值几乎等同于单个大气压下的瓦斯吸附量；（2）残存瓦斯含量取决于原煤瓦斯含量大小，一定条件下残存瓦斯含量随原煤瓦斯含量升高而升高，待原煤瓦斯含量升到定值时，残存瓦斯含量维持恒定值且不会变化；（3）残存瓦斯含量与煤体破碎程度有关。外界条件相同时，粒度越小，残存瓦斯含量越小；（4）煤的残存瓦斯含量与煤的变质程度有关，其量随煤的变质程度的增高而增大。淮南矿区煤的变质程度相对略低，原煤挥发分基本属于15%～40%区间。阳泉矿区煤的变质程度很高，原煤挥发分普遍都属于8%～20%区间。

表1 不同变质程度煤的残存瓦斯含量测定结果

图3 阳泉矿区挥发分8～12%煤的残存瓦斯含量与破碎程度的关系

图4 淮南矿区挥发分20～30%煤的残存瓦斯含量与破碎程度的关系

4 结论

（1）深部煤层吸附瓦斯含量较大，游离瓦斯较小。

（2）瓦斯解析强度较大，其取决于初始瓦斯涌出量，与涌出时间成反比。

（3）残存瓦斯含量与原煤瓦斯含量有关；与煤的破碎程度有关，粒度越大，其残存瓦斯含量越大；与煤的变质程度有关，其量随煤的变质程度的增高而增大。

图5 淮南矿区挥发分30～40%煤的残存瓦斯含量与破碎程度的关系