煤體瓦斯放散指標修正研究

常未斌，馬丕梁，樊少武，張 浪

(1.煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 (煤炭科學研究總院)，北京100013)

1 概述

現在使用的瓦斯放散初速度指標ΔP的實質是含瓦斯煤樣在0.1MPa壓力條件下，向一固定體積的近似真空空間放散時，10～60s時間內所放散的瓦斯量(即ΔP10～60)。對煤體瓦斯放散速度隨時間衰減不大的煤樣來說，這種測定方法是適用的，但是對煤體瓦斯放散速度異常大且隨時間衰減異常快的煤樣來說，這種測定方法所測的結果就會出現異常，即瓦斯放散初速度極大的煤測出的ΔP值反而較小，出現ΔP值對預測突出危險性不敏感的情況，這是由于煤中部分瓦斯已在0～10s內釋放［1］。

在實驗室測定瓦斯放散初速度 (圖1為實驗原理圖［2］)過程中，釋放到固定空間的瓦斯來源于試樣瓶，其中試樣瓶中的瓦斯由兩部分組成:一部分是煤粒中的孔隙系統的吸附瓦斯和煤粒裂隙系統中的游離瓦斯;另一部分是煤樣瓶中除煤樣外空隙體積內賦存的游離瓦斯。為了更好模擬井下實際環境，對突出起作用的是煤粒中的吸附瓦斯和游離瓦斯，而煤樣瓶中空隙體積內賦存的游離瓦斯是實驗過程必然產生的，但是賦存在地層中的煤層并不包括這部分瓦斯，所以在實驗過程中需要剔除這部分瓦斯。

圖1 瓦斯放散初速度指標測定儀原理

實驗過程中試樣瓶的空間體積是固定的，但是不同礦區不同煤種的煤體密度存在差異［3］。由于煤體視密度的差異，導致煤樣破碎成規定粒度的試驗煤樣的堆積密度也會有很大的差異。所以不同的煤樣在試樣瓶中形成的空隙體積也不同，空隙體積內賦存的游離瓦斯量也不同。

本文研究的是煤體自身的瓦斯放散性，即在突出的最初一段時間內煤中所含瓦斯放散出的越多，在突出過程中就越容易形成攜帶煤體流動的瓦斯流，而不是空隙體積 (指煤樣瓶中除純煤體積外包括煤樣顆粒間空隙、煤樣瓶殘余空間和通徑體積的總和)內賦存的游離瓦斯的放散性。所以在測定瓦斯放散初速度的過程中需要剔除空隙體積內游離瓦斯對瓦斯放散性的影響。

煤的瓦斯放散能力是一個煤質指標，現在主要通過煤的瓦斯放散初速度指標 (ΔP)來衡量，雖然該指標被定義成“初速度”，但本質上它是煤樣在10～60s內煤樣釋放的瓦斯量，用在固定空間形成的壓差ΔP表示，筆者認為現行的瓦斯放散初速度指標 (ΔP)的物理意義不明確，為什么要從第10s開始測定煤樣的瓦斯放散量，這缺乏理論依據，是一個經驗時間，對于瓦斯放散能力大且隨時間衰減快的煤來說，煤體內有一部分游離瓦斯和吸附瓦斯也會被除去，并沒有真正反映出煤的放散能力，可能會出現 ΔP0～60很大而 ΔP10～60很小的情況。對于瓦斯放散速度隨時間衰減不十分大的煤來說，可能出現第10s是空隙體積內賦存的游離瓦斯還沒有完全釋放到固定空間內，導致ΔP10～60偏大，降低了預測預報的準確率。如果采用ΔP0～60指標，該指標表示的是煤樣瓶中空隙體積內的游離瓦斯形成的壓力和煤體釋放瓦斯形成的壓力之和，會出現沒有考慮煤體密度差異導致的空隙體積賦存瓦斯量對煤體瓦斯放散性的影響，且空隙體積內賦存的游離瓦斯在固定空間產生的壓力遠大于煤體自身釋放的瓦斯形成的壓力，所以ΔP0～60指標相當于在煤體瓦斯放散量的基礎上增加了一個很大的基數，使該指標在預測突出危險性的時候出現不敏感的情況，該指標并不是真正意義上的煤的瓦斯放散量。

為了更好地反映煤體瓦斯放散性，筆者提出了一個新的指標 Q1，即 3.5g規定粒徑的煤樣在0.1MPa壓力下吸附瓦斯后向固定空間釋放時，用壓差Q1(Pa)表示的0～60s內試樣瓶中釋放的總瓦斯量減去試樣瓶中空隙體積內賦存的游離瓦斯量。

2 理論計算煤體1min的瓦斯放散量Q1

2.1 計算試樣瓶的空隙體積

式中，V空為試樣瓶中空隙空間的體積，m3;V1為試樣瓶內部空間體積，m3;m定為測定煤樣的質量(煤的瓦斯放散初速度測定方法中規定取3.5×10－3kg粒徑為 0.20 ～0.25mm 的煤樣)，kg;r視為測定煤樣的視密度，kg/m3。

2.2 試樣瓶中空隙體積內賦存的游離瓦斯的氣體狀態方程

式中，P0為測定瓦斯放散初速度過程中的實驗室大氣壓力，Pa;R為甲烷氣體常數，J/kg·K;T實為測定瓦斯放散初速度過程中的實驗室溫度，K。

2.3 試樣瓶中空隙體積內賦存的游離瓦斯氣體進入固定空間后的氣體狀態方程

式中，P游為空隙體積內的游離瓦斯進入固定空間后形成的壓力，Pa;V2為在瓦斯放散初速度指標ΔP測定中，容納釋放瓦斯的封閉空間體積，m3。

2.4 P游的計算

由查爾—波義耳 (Charles－Boyle)聯合定律可得:

即:P游=

2.5 Q1指標的計算

式中，Q1為煤體自身瓦斯釋放量，Pa;P0為等容變壓裝置第0s時固定空間的壓力，Pa;P60為等容變壓裝置第60s時的固定空間壓力，Pa。

3 實驗設備的改進

3.1 ΔP指標的測定流程

目前我國具有突出鑒定資質的單位和院校主要采用撫順煤科院的WT－1型瓦斯放散初速度測定儀、重慶煤科院的WTC－1型瓦斯放散初速度測定儀和老式的變容變壓式壓差計瓦斯放散初速度測定儀，其測定流程見圖2。

圖2 ΔP指標測定流過程

3.2 Q1指標的測定流程

由于測定Q1指標的時候需要輸入煤樣的參數和測試環境參數，所以測定Q1指標的流程與ΔP指標的測定過程也不同，具體流程如圖3所示。

圖3 Q1指標測定流程

4 實驗驗證

4.1 判定ΔP指標合理性的判據

對于10～60s的瓦斯解吸量是否為煤樣真實的瓦斯放散初速度，可以進行實驗驗證，通過記錄第0s時的固定空間壓力P0，第10s時固定空間的壓力P10和空隙體積中所含的游離瓦斯進入固定空間后形成的壓力P游，即可得到如下3個判據:

(1) 當P游+P0＞P10時，說明0～10s內煤樣瓶中的空隙體積賦存瓦斯量還沒有完全進入固定空間，瓦斯放散初速度指標中包含了空隙體積的游離瓦斯，相應的ΔP值偏大，這種情況對應瓦斯放散速度隨時間衰減不十分大的煤。

(2)當P游+P0=P10時，說明在第10s時空隙體積的游離瓦斯恰好完全釋放到固定空間，即10s以后增加的固定空間壓力為真實的瓦斯放散初速度值。

(3) 當P游+P0＜P10時，說明第10s以前已經有煤體中的游離和吸附瓦斯進入固定空間，測定的ΔP較真實的瓦斯放散初速度值偏小，這種情況對應瓦斯放散速度異常大且隨時間衰減異常快的煤。

4.2 ΔP指標在反映高瓦斯放散能力煤體中存在的問題

在實驗過程中發現，一些ΔP值差不多的煤樣，Q1指標卻有很大的差異，列舉部分實測數據，如表1，表2所示。

從上述2個表分析可以發現，雖然表1和表2中的這些煤樣的瓦斯放散初速度指標ΔP相差無幾，但是對比表中的Q1發現表1和表2的瓦斯放散能力有很大的區別，因而可以確定，ΔP指標并沒有很好地反映煤體真實的瓦斯放散能力。可以發現對于一些放散瓦斯能力特別強的煤體，Q1指標能很好地反映出煤體真實的放散能力。

通過表2可以看出，龍宮煤礦1號井9號煤層煤體瓦斯放散能力是較強的，在突出鑒定的過程中對其周邊礦井——新化鄉騰龍煤礦、貴源煤礦2號井、林華礦業有限公司、貴源5號煤礦、新化鄉中心3號煤礦的9號煤層的突出情況進行了統計［4］，發現其突出危險性和Q1指標有很好的相關性。但是如果使用ΔP指標就無法體現其突出危險性。

表1 高瓦斯放散煤樣實測數據 Pa

表2 中等瓦斯放散煤樣實測數據 Pa

5 結論

(1)理論計算確定瓦斯放散初速度指標不能真正反映煤體的瓦斯放散能力。

(2)提出了物理意義更加明確地描述煤體瓦斯放散能力的指標Q1。

(3)通過實驗驗證瓦斯放散初速度指標ΔP不能很好地反映高瓦斯放散能力煤樣的真實放散能力。

［1］楊福蓉，王佑安.現用ΔP值測定方法的局限性及其改進 ［J］.煤礦安全，1992(8):27－30.

［2］國家安全生產監督管理總局.煤的瓦斯放散初速度指標(ΔP)測定方法 (AQ1080－2009) ［S］.北京:煤炭工業出版社，2010.

［3］韓德馨.煤巖學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1995.

［4］國家安全生產監督管理總局網站事故查詢系統.http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp