低階、中階和高階煤的瓦斯放散能力及規律實驗研究

龐晶鐳，孫 赫，劉衛偉，任桂林，劉佳欣

（1.陜西澄合百良旭升煤炭有限責任公司，陜西 渭南 715300；2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤粒的瓦斯放散能力是煤的固有性質，在促進煤與瓦斯突出的發生、發展過程中具有決定性的作用。煤的瓦斯放散能力越強，往往會導致發生煤與瓦斯突出事故的初期形成運動能力強且夾雜著煤體的瓦斯流，災害程度明顯增大。目前，我國煤與瓦斯突出礦井突出危險性區域預測常用△P 指標，突出危險性局部預測常用鉆屑瓦斯解吸指標K1、△h2、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q 和炮掘面V30指標，這些指標均是表征不同時間段煤粒的瓦斯放散能力大小，對于預測煤與瓦斯突出危險性具有顯著意義。不同的煤層由于成煤的原始物質和堆積環境的不同，造成了煤層的巖石組成也不同，各種煤巖組成在煤化過程中物理力學性質和化學性質也發生了變化，形成了不同的煤種，即煤粒的瓦斯放散能力也會隨著煤變質程度的加深而發生變化，煤粒的瓦斯放散能力也會發生變化。能夠反映煤化程度的指標很多，例如干燥無灰基揮發分Vdaf、碳含量、氫含量、發熱量、鏡質組反射率等，當前，國內學者通常使用干燥無灰基揮發分Vdaf來代表煤化程度，這是因為干燥無灰基揮發分Vdaf與煤化程度具有顯著的關聯性，干燥無灰基揮發分Vdaf能較好的反映煤化程度，國內也有完善的標準來指導測試工作[4]。據煤的揮發分大小可初步判斷煤的煤化程度，計煤的種類，中國和國際煤炭分類方案中都以揮發分Vdaf作為第一分類指標，見表1。

表1 一些國家煤炭分類指標Table 1 Coal classification indexes of some countries

本文中根據煤的揮發分產率將煤分為8 類，隨著煤化程度的加深分別為褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤及無煙煤，分類方案見表2。

表2 煤種分類Table 2 Coal classification table

目前，根據國內煤與瓦斯突出事故統計，褐煤從開采至今并未發生過煤與瓦斯突出事故，其余煤種都發生了事故，表3 列舉了我國突出嚴重礦區的煤種分布，從中可以看出，突出嚴重的礦區主要開采的是高階煤，包括貧瘦煤和無煙煤。相對于高階煤，我國分布的低階煤礦區中突出礦井的分布較小，因此有必要研究隨著煤化程度的加深，瓦斯放散能力的變化規律。

表3 突出礦區煤種分布特征Table 3 Distribution characteristics of coal types in outburst mining area

1 實驗系統及實驗方案

1.1 實驗系統

此次試驗主要是對隨著變質程度加深，不同煤種的瓦斯散出能力是否變大進行驗證。實驗選用的裝置是WFC-2 型瓦斯放散初速度測定，該儀器能在0.1 MPa 壓力下吸附瓦斯，然后向真空空間釋放瓦斯，并考察煤樣的瓦斯放散能力，實驗原理圖如圖1 所示。

圖1 瓦斯放散初速度指標測定儀原理示意Fig.1 Principle of gas emission initial velocity index measuring instrument

1.2 實驗方案

此次實驗的原理是測定煤樣（粒徑介于0.2～0.25 mm）在0.1 MPa 壓力下吸附瓦斯達到飽和狀態，然后向固定真空空間里釋放瓦斯，記錄煤樣在0～60 s 的放散量P60[2]，用P60（mmHg）表示的0～60 s 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，該指標描述煤樣自身在0～60 s 的瓦斯放散量。測定流程如圖2所示。

圖2 瓦斯放散量指標P60 測定流程Fig.2 Flowchart of gas emission index P60 determination

1.3 實驗數據

1.3.1 褐 煤

從上述實驗數據（表4）可以看出，褐煤的瓦斯放散量最大值為46 mmHg，最小值為26 mmHg，平均值為33 mmHg。

表4 褐煤的瓦斯放散數據Table 4 Gas emission data of lignite

1.3.2 長焰煤

從上述實驗數據（表5）可以看出，長焰煤的瓦斯放散量最大值為90 mmHg，最小值為23 mmHg，平均值為57 mmHg，長焰煤的瓦斯放散能力高于褐煤的瓦斯放散能力，在低階煤種的實驗結果中發現長焰煤的瓦斯放散能力最大。

表5 長焰煤的瓦斯放散數據Table 5 Gas emission data of long flame coal

1.3.3 氣煤

從上述實驗數據（表6）可以看出，氣煤的瓦斯放散量最大值為37 mmHg，最小值為19 mmHg，平均值為28 mmHg。氣煤的瓦斯放散能力小于褐煤和長焰煤。

表6 氣煤的瓦斯放散數據Table 6 Gas emission data of gas coal

1.3.4 肥煤

從上述實驗數據（表7）可以看出，肥煤的瓦斯放散量最大值為63 mmHg，最小值為30 mmHg，平均值為48 mmHg，在低階煤中肥煤的瓦斯放散能力低于長焰煤，高于褐煤和氣煤的瓦斯放散能力。

表7 肥煤的瓦斯放散數據Table 7 Gas emission data of fat coal

1.3.5 山西焦煤

從上述實驗數據（表8）可以看出，山西礦區焦煤的瓦斯放散量最大值為26 mmHg，最小值為11 mmHg，平均值為18 mmHg。對數據分析可得，山西礦區焦煤的瓦斯放散能力明顯小于低階煤（褐煤、長焰煤、氣煤和肥煤）的瓦斯放散能力，山西焦煤在各種煤階煤中瓦斯放散能力最差。

表8 山西礦區焦煤的瓦斯放散數據Table 8 Gas emission data of coking coal in Shanxi mining area

1.3.6 貴州焦煤

從上述實驗數據（表9）可以看出，貴州礦區焦煤的瓦斯放散量最大值為98 mmHg，最小值為26 mmHg，平均值為54 mmHg。貴州礦區焦煤與山西礦區的焦煤雖然煤種相同，理論上差別不大，但是實測發現瓦斯放散能力明顯增大，貴州焦煤礦區（包括盤縣和威寧礦區）的煤與瓦斯突出危險性事故多發，也更加印證了實驗結果的準確性。

表9 貴州礦區焦煤的瓦斯放散數據Table 9 Gas emission data of coking coal in Guizhou mining area

通過對氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區焦煤產區）的瓦斯放散數據（表6～表8）進行分析，并不是理論上的差別不大，實測后可以發現兩者瓦斯放散能力均較差，如果堅持參考△P 指標進行突出危險性鑒定，會導致鑒定結論誤判現象的發生，因為也有極個別△P數值小的礦井發生了煤與瓦斯突出事故（表10 所列）。可以看出氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區焦煤產區）的△P 數值較小，放散能力較差，進行煤與瓦斯突出危險性預測時敏感性較差，建議對這兩個煤種進行煤與瓦斯突出危險性鑒定時忽略△P 指標。

表10 低階煤突出礦井低瓦斯放散初速度數據表Table 10 Data table of initial velocity of lowgas emission in lowrank coal outburst mine

1.3.7 貧瘦煤

從上面數據（表11）可以看出，貧瘦煤的最大瓦斯放散量為108 mmHg，最小值為11 mmHg，平均值為70 mmHg，最大值和最小值相差9.8 倍。不論是不同礦區還是同一礦區的貧瘦煤的瓦斯放散能力差異性都很大；也說明了當煤的變質程度從低階煤加深到高階煤以后，最大瓦斯放散量明顯增大。從表11 可以看出，貧煤的最大瓦斯放散量明顯高于表4～表10 煤中的最大瓦斯放散量。

表11 貧瘦煤的瓦斯放散數據Table 11 Gas emission data of lean coal

1.3.8 無煙煤

從上述實驗數據（表12）看出，無煙煤理論上瓦斯含量較大，瓦斯放散能力應該更強。實測后發現無煙煤的瓦斯放散量最大值為138 mmHg，最小值為9 mmHg，最大值與最小值相差15 倍，平均值為45 mmHg，煤的瓦斯放散能力變化范圍較大。無煙煤與貧瘦煤均屬于高階煤，煤種接近，瓦斯放散能力也相近。

表12 無煙煤的瓦斯放散數據Table 12 Gas emission data of anthracite

1.4 數據分析

通過對圖3 中的數據進行分析，在低階煤中長焰煤、肥煤與褐煤、氣煤相比，瓦斯放散量明顯增加，當煤化程度加深到焦煤以后，瓦斯放散量又有明顯降低，可以看出瓦斯放散性并不是線性增加，例如貴州焦煤產區（盤縣和威寧礦區）煤的變質程度不高，但是瓦斯放散能力較強，煤與瓦斯突出事故多發，災害較嚴重。總的來說，高階煤瓦斯散射能力明顯比低階煤強，瓦斯散射能力的改變也較大，這是因為煤質差異與不均質性因素的影響。

圖3 不同煤種瓦斯放散性散點圖Fig.3 Scatter plot of gas emission of different coal types

國內一些專家、學者對煤的瓦斯放散性與煤變質程度之間的關系進行了大量的研究，嘗試聯立公式找到二者的關系，例如基于煤的揮發分含量大小聯立了瓦斯放散能力經驗公式，本文也對揮發分與瓦斯放散能力的關聯性進行了驗證，可以發現揮發分與瓦斯放散能力之間并無單值聯系，但總體有一個趨勢，即保證吸附壓力（0.1 MPa）一定的前提下，煤的瓦斯放散量隨煤的變質程度提高（揮發分減少）而增大。

2 結 論

（1）低階煤中褐煤、氣煤、焦煤、長焰煤和肥煤的放散能力有依次增大的趨勢，長焰煤和肥煤的放散能力明顯高于褐煤、氣煤和焦煤。貴州盤縣和威寧縣焦煤產區的瓦斯放散能力要明顯高于山西焦煤產區。

（2）貧瘦煤、無煙煤等高階煤的瓦斯放散能力明顯高于低階煤，高階煤的瓦斯放散量最大值與最小值相差15 倍，瓦斯放散能力差異性大。

（3）通過實驗對揮發分與瓦斯放散能力的關聯性進行了驗證，可以發現揮發分與瓦斯放散能力之間并無單值聯系，但總體有一個趨勢，即保證吸附壓力一定的前提下，煤的瓦斯放散量隨煤的變質程度提高（揮發分減少）而增大。

（4）通過對氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區焦煤產區）的瓦斯放散數據進行分析，可以發現瓦斯放散能力均較差，如果堅持參考△P 指標進行突出危險性鑒定，會導致鑒定結論誤判現象的發生，因為也有極個別△P 數值小的礦井發生了煤與瓦斯突出事故。可以看出氣煤和焦煤（除貴州盤縣和威寧礦區焦煤產區）的△P 數值較小，放散能力較差，進行煤與瓦斯突出危險性預測時敏感性較差，建議對這兩個煤種進行煤與瓦斯突出危險性鑒定時忽略△P指標。