變質程度對煤樣瓦斯解吸特征參數V1值的影響實驗研究

馬金魁，陳 勇

（1．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2．煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3．中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤的解吸特性尤其是解吸特征參數V1值，在一定程度上反映了煤本身的孔隙特征和破壞程度，而破壞程度和孔隙特征是決定煤是否具有突出危險性根本因素，煤的瓦斯解吸特性尤其是解吸特征參數V1值在某種程度上能夠反映煤的突出危險性；煤中瓦斯解吸速度特征值V1與含量具有很好的線性關系，可以用來確定煤的瓦斯含量[1-3]。不同學者從不同的出發點對V1值有不同界定[4-7]。在前人研究的基礎上，通過等溫吸附-解吸實驗對不同變質程度非構造煤的解吸規律進行研究，從微觀上分析研究各因素對V1的影響效應，基于V1值對影響因素的適用性對后期煤層瓦斯含量測定提供基礎。定義煤中瓦斯解吸特征參數V1值為煤樣脫離煤體后第1 min 的瓦斯解吸速度，cm3/（g·min）[8-10]。

1 不同變質程度煤樣等溫常壓解吸實驗

為考察煤變質程度對煤解吸特征參數V1值的影響效應，設計了不同變質程度煤樣在恒定（30±0.5）°C 下等溫吸-附解吸試驗。采集焦作九里山礦非構造無煙煤（WY）、壽陽新元礦非構造貧煤（PM）、義馬礦區的非構造長焰煤（CY），分別篩選直徑為0.17～0.25 mm、1～3 mm 和自然粒度3 種煤樣，測試煤樣在瓦斯吸附平衡壓力3、1.7、0.5 MPa 下的解吸 規律，不同變質程度煤樣解吸曲線如圖1。

圖1 不同變質程度煤樣解吸曲線

根據圖1 分析可知：同一煤種的煤樣在溫度、破壞類型和吸附平衡壓力相同的情況下，煤樣粒度越小，最初30 min 的累計解吸量越大；其他條件都相同，變質程度越高，最初30 min 的累計解吸量越大。

2 變質程度對瓦斯解吸參數V1值的影響

根據定義：煤中瓦斯解吸特征參數V1值為煤樣脫離煤體后第1 min 的瓦斯解吸速度，為準確分析變質程度對瓦斯解吸參數V1值的影響，以及為了驗證根據V1值推算瓦斯含量的準確性，進行了綜合對比實驗。

對不同時段內（0~3 min、0~5 min、0~8 min、0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~45.5 min）回歸得到的回歸V1值與實際V1值進行比較：0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~44.5 min 4 個時段的回歸V1值的相對誤差平均值在34.28%～70.82%，不能滿足工程應用需求；0~3 min、0~5 min 和0~8 min 時段進一步對比，0~5 min 時段內3 個變質程度煤得到的回歸V1值都與實際V1很接近，相對誤差平均值最低，在8.29～13.85 之間，說明在0~5 min 時段瓦斯解吸更穩定，用該時段的解吸數據回歸得到的V1值更接近實際值，且回歸相關系數均在0.90 以上，滿足工程應用的需求。選用0～5 min 的解吸數據進行變質程度對瓦斯解吸參數V1值的影響研究。不同吸附壓力下不同變質程度非構造煤的瓦斯解吸參數V1值變化曲線如圖2。

圖2 不同吸附壓力下不同變質程度非構造煤的瓦斯解吸參數V1 值變化曲線

隨著變質程度的升高，煤層瓦斯含量增大，解吸速度跟瓦斯含量成正比關系，同樣V1值也與瓦斯含量正相關。在其它條件都相同的情況下，變質程度越高解吸速度V1值越大。

3 V1值與瓦斯含量的關系

瓦斯含量W 與V1值的線性關系如下：

式中：A、B 為常數。

利用式（1）擬合實驗室測試的非構造煤無煙煤、貧煤、長焰煤的不同粒度下解吸數據，其V1值與瓦斯含量關系見表1~表3。

表1 非構造無煙煤V1 值與瓦斯含量關系

由表1～表3 可知：在0.17~0.25 mm、1~3 mm 和自然粒度下V1與含量的線性擬的擬合度很高，線性相關系數R2在0.915 7~0.999 4 之間。今后選用3個粒度中任何粒度都可以滿足用V1值快速準確測定瓦斯含量的工程要求。但是，考慮到現場取樣方便、易操作性，建議選用自然粒度，即鉆屑。

表2 非構造貧煤V1 值與瓦斯含量關系

4 現場驗證

基于變質程度對煤樣瓦斯解吸特征參數V1值影響的實驗結果，結合瓦斯解吸隨時間的變化規律、瓦斯解吸速度公式、瓦斯解吸速度影響因素等得到了九里山煤礦非構造煤WY 煤、新元煤礦非構造煤PM 煤和耿村礦非構造煤CY 煤解吸特征參數V1值與含量W 的對應關系；選取焦作礦區某礦的WY 煤和壽陽礦區某礦PM 煤進行了現場驗證。現場驗證結果參數見表4。

根據推算得到的V1值與含量W 的線性函數與用傳統的煤層井下瓦斯含量測定方法測定的瓦斯含量值存在一定誤差，誤差有的偏大有的偏小，但現場驗證結果絕對誤差在-0.63~1.25 之間，相對誤差在1.23%到8.81%之間，現場驗證結果滿足工程要求的相對誤差不超過10%、準確率不低于90%的規定。

表4 現場驗證結果參數

5 結 論

1）在溫度、破壞類型、吸附平衡壓力和粒度相同情況下的不同變質程度的煤樣，初始30 min 的累計解吸量、初始15 min 的瓦斯解吸速度、回歸的瓦斯解吸特征參數V1值，隨變質程度的增大而增大。

2）隨著變質程度的升高，煤層瓦斯含量增大，解吸速度與瓦斯解吸特征參數V1值與瓦斯含量正相關；在其它條件相同的情況下，變質程度越高解吸速度V1值越大。

3）基于變質程度對瓦斯解吸特征參數V1值與含量W 的對應關系實驗室擬合相關系數達0.915 7~0.999 4，現場驗證結果的絕對誤差-0.63~1.25，相對誤差1.23%~8.81%，滿足工程現場需求。