瓦斯放散初速率與煤的堅固性系數(shù)的相關特性研究

張 帥，李 昂

(1.山西高河能源有限公司 瓦斯研究室，山西 長治 046100； 2.山西焦煤集團有限責任公司 技術中心，山西 太原 030053)

隨著礦井采掘深度的延伸，瓦斯災害治理難題日趨凸顯，成為制約煤礦井下正常采掘接替的主要因素。瓦斯放散特性表征了煤體釋放瓦斯的能力，對于預測采掘工作面瓦斯涌出具有十分重要的意義[1]. 煤層瓦斯放散初速度Δp值是衡量瓦斯放散特性的主要參數(shù)之一，同時也是鑒定煤層煤與瓦斯突出危險性的指標之一。前人研究結果表明，煤體結構特征[2]、孔裂隙發(fā)育程度[3]、煤的變質程度[4,5]、煤體吸附性能[6]、煤的工業(yè)參數(shù)[7-9]等對煤層瓦斯放散初速度Δp具有重要影響作用。同時，上述影響因素還對煤的堅固性系數(shù)有同樣影響作用[10-12]. 因此，通過分析高河能源3#煤層瓦斯放散初速度分布規(guī)律，并探求瓦斯放散初速度與煤的堅固性系數(shù)之間的相互關系，為準確預測3#煤層瓦斯放散特性提供科學依據(jù)，并為礦井瓦斯涌出快速預測和瓦斯災害防治提供可靠依據(jù)。

1 煤層及瓦斯賦存概況

高河能源位于山西省長治縣，主采3#煤層，礦井生產能力為7.5 Mt/a. 根據(jù)最新瓦斯等級鑒定結果可知，2018年礦井絕對瓦斯涌出量為256.61 m3/min，相對瓦斯涌出量為18.37 m3/t，鑒定為高瓦斯礦井。高河能源井田呈南北走向分布，開采標高+570～+300 m，整體呈南高北低的分布特征。由于受多期構造作用影響，煤層地質條件賦存復雜，煤體結構存在不同程度的破壞變形，構造煤較為發(fā)育，并呈現(xiàn)出南高北低的不穩(wěn)定、不飽和瓦斯賦存特征。根據(jù)最新瓦斯基礎參數(shù)測定結果可知，煤層瓦斯含量為6.01～12.03 m3/t，煤層瓦斯壓力為0.37～0.72 MPa，煤層透氣性系數(shù)小于0.1 m2/(MPa2·d)，屬難抽采煤層。

2 煤層瓦斯放散初速度(Δp)值分布規(guī)律

瓦斯放散初速度(Δp)是衡量含瓦斯煤體暴露時放散瓦斯從吸附轉化為游離狀態(tài)快慢的一個指標，是表征煤體放散瓦斯能力的一個物理量，同時也反映了瓦斯?jié)B流和流動的規(guī)律，其本質是3.5 g粒度0.2～0.25 mm的煤樣，經(jīng)抽真空后在0.1 MPa壓力下對純瓦斯進行吸附飽和，在一定負壓狀態(tài)下10～60 s的解吸量在特定空間(27 mL)內產生的壓力。依據(jù)《煤的瓦斯放散初速度指標(Δp)測定方法》AQ1080-2009的規(guī)定，瓦斯放散初速度指標測定包括變容變壓式和等容變壓式兩種方法，一般采用等容變壓式，其測定儀示意圖見圖1.

1—真空泵 2、8、9—閥門 3—固定空間 4—壓力傳感器 5—試樣瓶 6—管路 7—甲烷氣源圖1 放散初速度指標測定儀示意圖

為研究和探討高河能源3#煤層不同區(qū)域瓦斯放散初速度區(qū)域分布特征，以全礦井均勻設點考察為目標，綜合考慮煤樣選取地點，共取煤樣測定31組，根據(jù)測定數(shù)據(jù)繪得3#煤層瓦斯放散初速度(Δp)值分布特征，見圖2.

圖2 3#煤層瓦斯放散初速度分布特征圖

由圖2可知，3#煤層瓦斯放散初速度值均大于10，測定值為13.50～22.10，平均值17.32. 在區(qū)域分布特征上，3#煤層瓦斯放散初速度不具有明顯的規(guī)律特征，但受地質構造影響明顯，構造區(qū)煤層瓦斯放散初速度普遍大于其他非構造區(qū)域，平均測定值為20.95，其他非構造區(qū)平均值為16.80.

3 煤層Δp值與f值的相關性分析

煤的堅固性系數(shù)f值是表示煤抵抗外力破壞能力大小的一個綜合性指標，它是由煤的物理力學性質(主要是強度、硬度、脆性)所決定的。

依據(jù)(GB/T 23561.12-2010)《煤的堅固性系數(shù)測定方法》，測定方法采用落錘法，其基本原理為：在一定重量落錘的作用下，測算一定重量煤樣的破碎程度。測定工具為搗碎筒和計量筒。該次研究所測煤的堅固性系數(shù)f值取樣地點與煤層瓦斯放散初速度測定Δp值取樣地點相同，共取樣測定31組，根據(jù)測定數(shù)據(jù)可得3#煤層Δp值與f值對應分布關系，見圖3.

圖3 3#煤層Δp值與f值的分布關系圖

由圖3可看出，3#煤層瓦斯放散初速度與煤層堅固性系數(shù)呈負相關，即隨著堅固性系數(shù)的增大，煤層瓦斯放散初速度總體呈下降趨勢，這驗證了堅固性系數(shù)越小，煤體破壞越嚴重，煤體孔隙越發(fā)育，致使瓦斯放散初速度值越大，擬合直線方程見式(1).

Δp=-11.20f+23.03

(1)

從圖3也可以看出，當煤層堅固性系數(shù)在0.4～0.6時，煤層瓦斯放散初速度呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，分布規(guī)律整體趨勢不變，但是具有較大波動性。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是煤層結構的差異性，即同一堅固性系數(shù)條件下煤層粒徑分布的不同造成了瓦斯放散初速度的不同。此外，3#煤層堅固性系數(shù)主要集中在0.4～0.6，整體呈松軟煤層。

4 結 論

通過對高河能源3#煤層瓦斯放散初速度Δp值分布特征與煤層堅固性系數(shù)f值進行研究分析可得出：

1) 在區(qū)域分布特征上，3#煤層瓦斯放散初速度Δp值不具有明顯的分區(qū)分布特征，但受地質構造影響，構造區(qū)煤層瓦斯放散初速度普遍大于其他非構造區(qū)域。

2) 3#煤層瓦斯放散初速度Δp值與煤層堅固性系數(shù)f值呈負相關，即隨著堅固性系數(shù)f值的增大，煤層瓦斯放散初速度Δp值總體呈下降趨勢，并符合Δp=-11.20f+23.03的線性關系。

3) 當煤層堅固性系數(shù)f值在0.4～0.6時，煤層瓦斯放散初速度呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，分布規(guī)律整體趨勢不變，但是具有較大波動性。