余吾煤業3#煤層瓦斯解吸擴散規律研究

武晉帆，王燕杰

(1.潞安職業技術學院,山西 長治 046204;；2.山西潞安礦業集團有限責任公司,山西 長治 046204)

余吾煤業3#煤層瓦斯解吸擴散規律研究

武晉帆1，王燕杰2

(1.潞安職業技術學院,山西 長治 046204;；2.山西潞安礦業集團有限責任公司,山西 長治 046204)

通過對S1206、S5202工作面煤樣吸附解吸實驗,進行吸附解吸實驗數據處理,進而求解不同工作面煤樣瓦斯吸附常數值,對比分析不同煤樣吸附解吸的差別,得出余吾煤業3#煤層的瓦斯解吸擴散規律,這為對加快余吾煤業安全掘進速度、高效開采提供了重要的參考意義。

工作面；實驗研究；瓦斯解吸;吸附常數

隨著我國煤礦開采深度的增大,采煤工作面開采強度的提高,工作面瓦斯涌出量急劇增大,瓦斯災害事故更易發生,已有研究工作為分析煤層瓦斯賦存規律、預測煤層瓦斯涌出量和動態變化特征、瓦斯治理提供了依據,但是缺乏針對性的措施對該區域的瓦斯進行治理[1-3]。因此分析余吾煤業地質構造情況,研究工作面瓦斯涌出量動態變化規律、對瓦斯進行綜合治理是必要的,對于加快余吾煤業安全掘進速度、高效開采具有重要的意義[4-6]。

1 礦井概況

井田開采煤層為3#煤層,設計生產能力為600 Mt/a,開拓水平為+400 m,采用立井單水平分,分區式開拓方式,走向長壁綜采放頂煤采煤法,通風方式采用中央并列式。余吾井田構造特征與區域構造特征一致,逆斷層較發育,這與其所處的構造位置有關,總體構造形態為走向北北東—南北向西緩傾的單斜,在此基礎上發育方向比較單一的寬緩褶曲。本井田邊界為北起文王山南正斷層,東以常村礦和郭莊礦西邊界為界,南與古城井田相鄰,西與河神井田相鄰。由于文王山南正斷層上盤含煤地層直接與下盤奧灰接觸,有溝通奧灰巖溶裂隙水的可能并會威脅煤層開采。

2 實驗研究

2.1 樣品采集與制備

實驗所用煤樣取自余吾煤業3#煤層S1206、S5202工作面,現場采取兩個工作面的煤樣,現場測堅固性系數,記錄采樣地點,再采取煤樣軟硬煤各20 kg～30 kg,采完封存,帶回實驗室,一個煤礦選取采樣的地點2到3個,分別采樣。實驗煤樣的基本物理力學參數如表1所示。

表1 實驗煤樣的基本物理力學參數

因實驗需要制備大量的實驗用煤樣,制備的煤樣進行妥善封存,以便為后續實驗提供可靠的實驗用煤。

2.2 實驗系統

本文實驗的瓦斯吸附解吸系統是由實驗室已經配備的恒溫吸附解吸實驗裝置,主要由溫度控制系統、吸附解吸系統、數據采集與處理系統、解吸擴散集氣系統、供氣及氣體控制系統及其它輔助裝置組成,包括氮氣高壓氣罐、氦氣高壓氣罐、甲烷高壓氣罐、獨立的兩套吸附解吸專用的參考罐與樣品罐、真空泵、恒溫箱、集齊系統、壓力變送器以及中控機,實驗系統見圖1。

圖1 吸附解吸實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of adsorptiondesorption experiment system

3 3#煤瓦斯解吸擴散規律分析

根據不同煤樣,不同平衡壓力下,所對應的吸附瓦斯量,根據Langmuir提出的方程。

(1)

(2)

式中:P為吸附平衡壓力,MPa;Q為吸附平衡壓力下的吸附量,mL/g;a、b為Langmuir吸附常數;a為極限吸附量;b為吸附常數,MPa-1。

對不同平衡壓力下,S5202煤樣及不同平衡壓力下,S1206煤樣的吸附氣體總量統計見表2。根據不同平衡壓力下,煤樣吸附氣體總量的統計,進行煤樣吸附常數a、b值的計算公式擬合見圖2。根據煤吸附常數a、b值的擬合公式,進行煤吸附常數a、b值的計算。根據表3的計算結果,通過兩個工作面煤的吸附常數a的對比和吸附常數b的對比,反映出煤樣在相同的溫度條件下,S1206煤的吸附瓦斯能力與S5202煤吸附瓦斯的能力的差異,S1206煤瓦斯解吸的速度與S5202煤吸附瓦斯的速度的差別。

表2 不同平衡壓力下瓦斯吸附量統計Table 2 Statistic of gas adsorption under different equilibrium pressure

圖2 不同工作面煤吸附常數曲線擬合圖Fig.2 Fitting curves of coal adsorption constantsat different working face

煤樣擬合公式a/(mL·g-1)b/MPaS1206y=0.043x+0.013529.8030.915S5202y=0.0476x+0.010230.1310.893

在余吾煤礦采取的煤樣進行工業分析,測定堅固性系數f,進行軟硬煤30 ℃恒溫條件下不同壓力的吸附解吸實驗,通過壓力變化計算出不同壓力下,不同煤質的瓦斯吸附量,通過數值擬合處理,計算得出軟硬煤分別對應的a、b值,通過對比得出,兩個工作面煤的吸附常數a的對比,和吸附常數b的對比,反映出煤樣在相同的溫度條件下,S5202煤樣吸附常數a小于S1206煤樣,反應出S5202煤樣比S1206煤樣吸附能力弱。S5202煤樣吸附常數b大于S1206煤樣。這說明S1206煤樣的吸附能力比較強,抽采效果可能不會太滿意,需要在此基礎上增加S1206工作面預抽效果的話,要做一些增加煤層透氣性的措施。

4 結論

1)通過對工作面S1206和S5202的瓦斯壓力和瓦斯含量進行測定,得出S1206工作面的瓦斯壓力在0.55 MPa～0.63 MPa,瓦斯含量為8.924 3 m3/t～9.758 9 m3/t,S5202工作面瓦斯含量為9.356 4 m3/t～9.803 6 m3/t。瓦斯壓力偏大,接近于臨界值;瓦斯含量較大,超過臨界值。

2)通過實驗室對工作面的煤樣進行吸附解吸實驗,得出了兩個工作面的瓦斯解吸特征:S5202煤樣和S1206煤樣吸附常數a值較大(均大于20 mL/g),吸附能力較強,吸附量較大。

3)通過以上基本參數的測定,S1206工作面煤層瓦斯含量高、壓力大、煤質較軟、吸附能力強、透氣性大,屬于難抽采煤層,條件較為復雜。

[1] 聶百勝,楊濤,李祥春,等.煤粒瓦斯解吸擴散規律實驗[J].中國礦業大學學報,2013(6):975-980.

NIE Baisheng,YANG Tao,LI Xiangchun,etal.Research on Diffusion of Methane in Coal Particles[J].Journal of China University of Mining and Technology，2013(6):975-980.

[2] 王子雷.超能相變材料在避難硐室降溫中的應用[J].煤炭科學技術,2013(S2):192-193.

WANG Zilei.Application on Super Phase Change Materialin Refuge Chamber Cooling[J].Coal Science and Technology，2013(S2):192-193.

[3] 藺亞兵,馬東民,劉鈺輝,等.溫度對煤吸附甲烷的影響實驗[J].煤田地質與勘探,2012(6):24-28.

LIN Yabing，MA Dongmin，LIU Yuhui,etal.Experiment of the Influence of Temperature on Coalbed Methane Adsorption[J].Coal Geology and Exploration，2012(6):24-28.

[4] 宋志敏.變形煤物理模擬與吸附——解吸規律研究[D].焦作:河南理工大學，2012.

[5] 劉紀坤.煤體瓦斯吸附解吸過程熱效應實驗研究[D].北京:中國礦業大學，2012.

[6] 趙東.水——熱耦合作用下煤體瓦斯的吸附解吸機理研究[D].太原:太原理工大學，2012.

MethaneDesorptionandDiffusionLawofNo.3CoalSeaminYuwuMine

WUJinfan1，WANGYanjie2

(1.Lu’anVocationalandTechnicalCollege，Changzhi046204，China;2.ShanxiLu’anGroup，Changzhi046204，China)

Adsorption and desorption experiment data of the coal samples are processed to find out the adsorption constants a and b of S1206 and S5202 working face.The comparison of adsorption and desorption deduces the methane desorption and diffusion law of No.3 coal seam in Yuwu Mine，which could be referential for the safe，rapid，and efficient mining

experimental study; methane desorption; adsorption constant; comparative analysis

1672-5050(2017)01-0038-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.011

2016-06-19

武晉帆(1986-)，女，山西汾陽人，碩士，助理講師，從事煤礦安全生產教學與實踐研究工作。

TD76

A

(編輯:薄小玲)