構造煤瓦斯解吸特征及對煤與瓦斯突出的影響

金 兵

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.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）

構造煤是指在構造應力作用下，煤體的原生結構發生復雜的變形或破壞乃至其內部的化學成分和結構發生變化的一類煤[1]。同原生結構煤相比，構造煤具有的低煤體強度，高瓦斯含量以及初期瓦斯快速放散等特性使得它與煤與瓦斯突出緊密的聯系在一起。國內外大量的事例分析表明，煤與瓦斯突出受構造煤控制作用明顯[2-5]。對于構造煤的瓦斯解吸特性，前人在構造煤的孔隙結構特征[6-8]、瓦斯解吸數學模型與經驗公式[9-10]等方面進行了廣泛的研究。

通過實驗精確測定了不同平衡壓力下寺家莊構造煤與原生結構煤的恒溫瓦斯解吸量和解吸速度，結合現場數據，從構造煤厚度與鉆屑敏感指標的角度，分析了構造煤對煤與瓦斯突出的控制作用，對于煤與瓦斯突出事故的預防及煤層氣資源的開發利用具有重要意義。

1 瓦斯解吸實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置由充氣單元、真空脫氣單元、恒溫控制單元及瓦斯解吸測定單元組成。針對實驗條件及數據采集方面進行了改進，采用數控恒溫箱進行實驗溫度控制，可實現-60～150℃范圍的恒溫實驗條件，實驗溫差小于1℃；采用氣體質量流量傳感器進行解吸數據的測定，傳感器采集精度為±1%F.S，響應時間10 ms，數據采集周期為1 s，結合計算機可以對數據進行精確采集與實時處理。

1.2 實驗樣品

山西陽泉寺家莊礦是煤與瓦斯突出危險性礦井，15號煤層是煤與瓦斯突出煤層，發生過多次突出和噴孔等動力現象。實驗選用寺家莊礦15號煤層的原生結構煤及構造煤煤樣，按標準（GB 474—2008）進行破碎，篩分粒度1～3 mm的煤樣，并在105℃下用干燥箱干燥24 h備用，寺家莊15號煤層煤樣采樣信息見表1。

表1 寺家莊15號煤層煤樣信息

1.3 實驗步驟

1）煤樣預處理。精準稱量50 g試樣裝入煤樣罐，壓實后在煤樣上加蓋脫脂棉，密封煤樣罐后檢查氣密性。

2）煤樣真空脫氣。設定恒溫箱溫度為（60±1）℃，打開煤樣罐對試樣真空脫氣至4 Pa，穩定2 h后停止脫氣。

3）煤樣吸附平衡。脫氣結束后，調整恒溫箱溫度至（30±1）℃，打開充氣閥門，通過緩沖裝置對煤樣罐充入99.99%純度的甲烷氣體,充氣壓力為理想吸附平衡壓力的1.2倍，在恒溫下吸附48 h至設定的吸附平衡壓力，實驗設定的吸附平衡壓力為0.50、1.00、1.50 MPa。

4）煤樣瓦斯解吸數據測定。解吸溫度設定為30℃，待傳感器讀數歸零穩定后，放出游離瓦斯，當煤樣罐壓力指示為0時，迅速連接至傳感器進行瓦斯解吸速度及解吸量的數據測定，數據采集記錄周期為1 s，瓦斯解吸速度及解吸量測定時間均為120 min。

2 實驗結果與分析

2.1 構造煤瓦斯解吸量變化規律

利用瓦斯解吸參數測定裝置對寺家莊構造煤及原生結構煤樣進行了不同平衡壓力下的恒溫解吸實驗。構造煤與原生煤瓦斯解吸量特征曲線如圖1。

圖1 構造煤與原生煤瓦斯解吸量特征曲線

從圖1可以看出，2種結構煤樣的解吸量都隨時間單調增加，同一種煤樣的解吸量曲線在不同平衡壓力下具有相似的變化特征，平衡壓力越大，相同時間內的瓦斯解吸量也就越大。與原生結構煤相比，構造煤的解吸量曲線具有明顯的分段特征[11]：在煤樣瓦斯解吸初期（0～3 min）內，構造煤的解吸量迅速增加，特別是第1 min內瓦斯解吸量增加最快，此階段為初期解吸段；在3～10 min期間解吸量曲線逐漸趨于平緩，解吸量增長較快，為快速解吸段；10 min后，解吸量曲線斜率衰減緩慢，解吸量平緩穩定增加，為穩定解吸段。

為了更好地研究寺家莊構造煤與原生結構煤試樣的初期瓦斯解吸特征，對實驗過程中采集的初期解吸階段（0～3 min）及特殊時間段（0～1 min和 3～5 min)的解吸量數據進行整理，不同結構煤瓦斯初期解吸量見表2。分析可知，在初期解吸階段，不同平衡壓力下構造煤的瓦斯解吸量占120 min總解吸量的比重平均可達45.69%，遠高于同條件下原生煤的比重均值21.39%。其中，第1 min內構造煤的瓦斯解吸量占總解吸量的比重均值為34.72%，是同條件下原生煤的2.79倍，而在第3~第5 min內構造煤和原生煤瓦斯解吸量占總解吸量的比重均值分別是6.56%和5.71%，差距明顯縮小。通過對比不同時間段內解吸量占比的變化情況可以看出，構造煤與原生煤的初期解吸特征存在顯著差異，構造煤的初期瓦斯解吸量對總解吸量貢獻更大，平均可達原生煤的2.14倍，這種差距在第1 min內尤為明顯，但在1 min后迅速減小,說明構造煤的初期解吸特征主要由第1 min內解吸特性控制。

表2 不同結構煤瓦斯初期解吸量

2.2 構造煤瓦斯解吸速度變化規律

實驗采集了120 min內2種煤樣在各平衡壓力下的瓦斯解吸速度數據，從全程的解吸速度曲線上看（圖2），構造煤與原生煤的解吸速度主要在在前3 min有較明顯的差距。在初期解吸階段特別是第1 min內，構造煤與原生煤的解吸速度都隨時間迅速衰減，但構造煤的解吸速度明顯大于同條件下原生煤的解吸速度。

圖2 構造煤與原生煤瓦斯解吸速度變化曲線

構造煤與原生煤瓦斯初期解吸速度變化情況見表3。在實驗設定的3種平衡壓力下，寺家莊構造煤瓦斯初始解吸速度（煤體暴露后第1 s瓦斯的解吸速度）可達 10.11～15.75 mL/(g·min)，是相同實驗條件下原生煤 1.72～2.32 倍；在 0～30 s，30～60 s與 1～2 min內構造煤的平均速度分別為原生煤的1.60～2.09倍，1.47～1.83倍與 1.41～1.60倍，表明這種差距在第1 min內迅速變小，3 min之后構造煤與原生煤的解吸速度基本趨于穩定。

表3 構造煤與原生煤瓦斯初期解吸速度變化情況

3 煤與瓦斯突出危險性分析

實踐表明，煤與瓦斯突出事故的發生與構造煤分布情況密切相關。受多期地質構造作用的影響，寺家莊礦15號煤層構造煤分布廣泛,且具有條帶狀分布、成層發育的特點，厚度普遍在0.3 m以上，突出事故以中小型事故為主，多發于煤巷掘進過程中。為預防突出事故，現場采用鉆屑瓦斯解吸指標K1作為局部突出危險性預測的敏感指標。K1的物理意義為在煤樣暴露于大氣1 min內，每克煤樣的瓦斯解吸總量，它綜合的反映了煤樣的初期解吸特性。在15106進、回風巷掘進期間，K1值與構造煤厚度隨掘進距離的變化情況（圖3）具有較明顯的一致性，構造煤厚度增加時，K1值通常也會顯著增加。

為更好的研究構造煤對K1的影響特征，根據數據的分布情況，以每200 m長的巷道作為1個研究區間，統計分析各區間內構造煤厚度均值與K1均值，通過數據擬合可以看出各區間的K1均值隨構造煤平均厚度的增大而增大，且具有良好的線性相關性（圖4），說明在構造煤發育區域，構造煤的存在加大了煤與瓦斯突出的危險性。

圖3 K1值與構造煤厚度隨掘進距離變化情況

圖4 各區間K1均值隨構造煤厚度的變化情況

4 結論

1）構造煤與原生煤的瓦斯解吸量都隨時間單調遞增，且平衡壓力越大，相同時間內解吸量越大。構造煤解吸量曲線同原生煤相比有顯著的分段特征，可分為初期解吸段、快速解吸段和穩定解吸段。

2）構造煤的初期瓦斯解吸特征與原生煤相比差異顯著，第1 min內瓦斯解吸量可達120 min總解吸量的31.55%～38.07%，遠高于同條件原生煤的10.94%～14.24%；構造煤的初始解吸速度可達10.11～15.75 mL/（g·min），是相同實驗條件下原生煤的初始解析速度的1.72～2.32倍，構造煤的初期解吸特征主要受第1 min內的解吸特性控制。

3）鉆屑瓦斯解吸指標K1反映了煤樣的初期解吸特征，現場實踐表明，K1均值隨構造煤平均厚度的增大而增加，并具有較好的線性相關性，在構造煤發育區域，煤與瓦斯突出危險性顯著增加。