煤的原位瓦斯放散初速度測定裝置及方法研究

文章編號：1671?251X（2024）04?0121?07 ?DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2023100059

摘要：瓦斯放散初速度是鑒定煤與瓦斯突出危險性的重要指標之一。現有研究未將煤的瓦斯放散初速度指標測試與突出鑒定的其他3個指標（煤層瓦斯壓力、煤的破壞類型、煤的堅固性系數）的測試有機結合。現行瓦斯放散初速度測定方法基于?AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標（?p）測定方法》，測定結果僅反映標準實驗條件下瓦斯通過煤粒子向外釋放的難易程度，未考慮煤層瓦斯賦存的原位環境，無法準確反映現場煤巖體內部瓦斯向外釋放的災害嚴重程度。針對上述問題，提出了一種原位瓦斯放散初速度測定裝置及方法：采用原始煤塊代替煤顆粒，用原始瓦斯成分代替甲烷，增加煤體所處瓦斯壓力、應力、溫度環境，還原測定的原位環境。對某煤礦煤與瓦斯突出煤層進行原位瓦斯放散初速度測定試驗，得出結論：①隨著模擬瓦斯放散過程的進行，瓦斯放散流量逐漸減小，隨時間大致呈負指數變化規律。用瓦斯流量表征原位瓦斯放散初速度，則ΔpQA=7.1 mmHg，ΔpQI=2.9 mmHg 。②隨著模擬放散過程的進行，放散空間內的瓦斯壓力逐漸增大，放散瓦斯壓力增大速度逐漸減小，瓦斯壓力隨時間變化大致呈對數函數關系。用放散瓦斯壓力表征原位瓦斯放散初速度，則ΔpPA=25 mmHg，ΔpPI=26.6 mmHg，ΔpPD=11 mmHg 。測定結果可綜合反映煤層賦存的雙重孔隙結構、煤體的力學特性、煤體內瓦斯的賦存能量、煤層賦存的地應力和溫度等原位環境，真實反映煤礦井下發生突出危險性程度。

關鍵詞：煤與瓦斯突出；突出危險性鑒定；瓦斯放散初速度；原位環境；放散瓦斯壓力；放散瓦斯流量中圖分類號：TD712 ?文獻標志碼：A

Research on the device and method for measuring the initial velocity of in-situ gas emission from coal

XUE Weichao1，2

（1. School of Mines， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China；

2. CCTEG Shenyang Research Institute， Fushun 113122， China）

Abstract： The initial velocity of gas emission is one of the important indicators for identifying the risk of coal and gas outburst. The existing research has not organically combined the testing of the initial gas emission rate indexof coal with the testing of the other three indicators for outburst identification （coal seam gas pressure， coal failure type， and coal solidity coefficient）. The current method for measuring the initial velocity of gas emission is based on AQ 1080-2009"Method for Measuring the Initial Velocity Index （?p） of Coal Gas Emission". The measurement results only reflect the difficulty of gas emission through coal particles under standard experimental conditions， without considering the in-situ environment of coal seam gas occurrence. The results cannot accurately reflect the severity of the disaster of gas emission inside the coal rock mass on site. In order to solve the above problems， the device and method for measuring the initial velocity of in-situ gas emission are proposed. The method replaces coal particles with original coal blocks， replaces methane with original gascomponents， increases the gas pressure， stress， and temperature environment in which the coal body is located. The method restores the in-situ environment for measurement. A in-situ gas emission initial velocity measurement experiment is conducted by use of coal samples from coal and gas outburst coal seams in a certain coal mine. The conclusions are listed as follows.① With the simulation of gas emission process， the gas emission flow rate gradually decreases and shows a negative exponential change law with time. The gas flow rate is used to characterize the initial velocity of in-situ gas emission， then ΔpQA=7.1 mmHg， ΔpQI=2.9 mmHg.② As the simulation of the gas emission process progresses， the gas pressure in the emission space gradually increases， and the rate of gas pressure increase gradually decreases. The gas pressure changes roughly with time in a logarithmic function relationship. The emission gas pressure is used to characterize the initial velocity of in-situ gas emission， then ΔpPA=25 mmHg， ΔpPI=26.6 mmHg， ΔpPD=11 mmHg. The measurement results can comprehensively reflect the dual pore structure of coal seams， the mechanical properties of coal bodies， the energy of gas occurrence in coal bodies， the in-situ environment of stress and temperature in coal seams， and truly reflect the degree of outburst danger in coal mines underground.

Key words： coal and gas outburst; outburst danger identification; initial velocity of gas emission; in situ environment; emission gas pressure; emission gas flow rate

0引言

煤與瓦斯突出（簡稱突出）是破碎的煤、巖和瓦斯在地應力和瓦斯耦合作用下突然向采掘空間拋出的動力現象，是影響煤礦安全生產的重大災害。突出機理尚不完全清楚。目前防治的基本流程是先對煤層進行突出危險性評估或鑒定，其中采用單項指標測定法鑒定所需的4個單項指標分別為煤層瓦斯壓力、煤的破壞類型、煤的堅固性系數和煤的瓦斯放散初速度。

煤的瓦斯放散初速度是反映煤層突出危險性的關鍵指標，其表征煤的微觀結構，反映煤放散瓦斯的能力[1-4]。我國學者對煤的瓦斯放散初速度的影響因素和特性進行了大量研究[5]。雷紅艷[6]基于多元線性回歸統計，得出常壓瓦斯吸附量、瓦斯吸附常數和煤的堅固性系數是對煤的瓦斯放散初速度影響最顯著的3個煤樣參數。郭懷廣等[7]認為煤的瓦斯放散初速度與突出強度、突出距離及相對突出強度之間存在正相關關系。曹垚林[8]研究了高壓吸附條件下煤樣在0～60 s 內的瓦斯放散初速度規律，發現10～60 s 內瓦斯放散初速度?p10～60和0～60 s 內瓦斯放散初速度?p0～60基本上保持正比例關系，部分煤樣在前10 s 內已放散出大部分瓦斯。富向等[9]研究了熱力?動力復合變質煤的瓦斯放散特征，認為瓦斯放散速度曲線符合冪函數變化趨勢，熱力?動力復合變質煤吸附瓦斯能力較正常煤更強。周秀紅等[10]認為要取軟分層的構造煤樣，且在煤樣原始水分的條件下測量瓦斯放散初速度，才能確保突出鑒定的準確性。

現有研究未將煤的瓦斯放散初速度測試與突出鑒定的其他3個單項指標測試有機結合，導致表征突出危險的4個單項指標臨界值松散、不緊湊。此外，現行煤的瓦斯放散初速度指標測定方法沒有反映煤礦現場真實存在的原位環境問題。針對上述問題，本文提出一種原位瓦斯放散初速度測定裝置及方法。

1現行瓦斯放散初速度測定方法存在的問題

煤的瓦斯放散初速度名義上是指煤在初始揭露后，煤中瓦斯向外界空間逸散的速度。但實際上，煤的瓦斯放散初速度在?AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標（?p）測定方法》中定義為“3.5 g 定規粒度的煤樣在0.1 MPa壓力下吸附瓦斯后向固定真空空間釋放時，用壓差（?p）（mmHg）表示的10～60 s 時間內釋放出瓦斯量指標”。這是現行的煤的瓦斯放散初速度測定所采用的表征方法。該方法在煤層突出危險性鑒定方面發揮著至關重要的作用，但也存在以下缺點。

1）該方法測定前對煤樣進行處理，篩分出粒度為0.20～0.25 mm 的煤樣，取3.5 g。這樣無法體現出原位煤樣節理裂隙的結構特性，而原位煤作為一種雙重孔隙結構的巖體，其節理裂隙對瓦斯的吸附與解吸、放散與運移具有重要作用[4， 11-13]，進而影響突出發生。

2）該方法取煤樣測定其在0.1 MPa 時10～60 s 內向固定真空空間釋放的瓦斯量，是固定壓差下的煤中瓦斯導流能力測試，忽略了煤層賦存的結構特征[14]、煤體的力學特性、煤層內瓦斯的“游離?吸附”動態平衡和瓦斯的賦存能量大小[15]，單純表征標準實驗條件下瓦斯通過煤粒向外釋放的難易程度，不足以準確反映現場煤巖體內部瓦斯向外釋放的災害嚴重程度。

3）該方法在實際測定中所采用的瓦斯為甲烷氣體（CH4）。雖然煤礦井下的瓦斯主要成分為?CH4，但還含有二氧化碳（CO2）、氮氣（N2）及其他碳氫氣體（C2?C8）。且不同礦井的煤層瓦斯各氣體成分種類和體積分數不同，不同氣體成分在煤中的吸附?解吸規律也不同，有的甚至差別很大[16-17]，特別是存在?CO2突出的情況。因此，單純用一種氣體來測定瓦斯放散初速度不能準確反映煤礦現場的突出危險性程度。

4）地應力是誘發突出的重要因素[18]，地應力的大小影響瓦斯向外解吸的速度。現行的煤的瓦斯放散初速度測定方法沒有反映出煤中瓦斯向外放散時地應力的影響。

5）溫度是影響煤中瓦斯解吸放散的重要因素[19-20]，現行的煤的瓦斯放散初速度測定方法不能反映現場煤層突出狀態的真實溫度條件。

現行方法測定結果反映的是標準實驗條件下瓦斯通過煤粒向外釋放的難易程度，僅能表征突出危險的一個側面，是單一指標，不足以準確反映現場煤巖體內部瓦斯向外釋放的災害嚴重程度。

2原位瓦斯放散初速度測定裝置及方法

鑒于現行煤的瓦斯放散初速度測定方法存在的問題，提出了一種原位瓦斯放散初速度測定裝置及方法：采用原始煤塊代替煤顆粒，用原始瓦斯成分代替甲烷，增加現行測定方法欠缺的煤體所處瓦斯壓力、應力、溫度環境，還原測定的原位環境，提高煤的瓦斯放散初速度測定準確性。

2.1測定裝置

煤的原位瓦斯放散初速度測定裝置包括抽真空模塊、管路、原位瓦斯氣體制備模塊、原位環境模擬模塊、瓦斯放散模塊、PLC 控制模塊，如圖1所示。原位瓦斯氣體制備模塊含有數個儲氣容器，每個儲氣容器內存儲單一瓦斯組分氣體，如?CH4，N2，?CO2，C2?C8。每個儲氣容器出口各有1個閥門控制氣體流出，流出的氣體由對應的流量傳感器記錄出氣量。各組分氣體流出后流至氣體混合室內充分混合，然后先經增壓泵將氣體壓力增加到實測的煤層瓦斯壓力大小，再經過溫度控制器調節溫度。原位瓦斯氣體制備模塊通過閥門5管連接原位環境模擬模塊，通過閥門6管連接抽真空模塊。

原位環境模擬模塊包括應力加載機、原位煤樣或型煤、原位環境室、壓力傳感器3、溫度傳感器2。應力加載機加載在原位環境室的外殼上，壓力傳感器3與溫度傳感器2安設在原位環境室內部。原位環境模擬模塊通過閥門7管連接抽真空模塊，通過閥門9管連接瓦斯放散模塊，通過閥門5管連接原位瓦斯氣體制備模塊。原位環境室上安裝有實時監測氣體參數的壓力傳感器3和溫度傳感器2，實時監測、記錄并顯示原位環境室內的氣體壓力和氣體溫度，并將氣體的壓力和溫度數據實時傳輸給 PLC 控制模塊。原位環境室具有規則的形狀，用于放置原位煤樣或型煤。原位環境室的外面為剛性，剛性面外接電液伺服控制的應力加載機，剛性面與剛性面的連接為柔性密封連接。原位環境室密封耐壓不低于3 MPa。

瓦斯放散模塊包括閥門9、監測放散流量的流量傳感器5、瓦斯放散空間、監測放散空間氣體壓力的壓力傳感器2、閥門10、放氣口。瓦斯放散模塊通過閥門9管連接原位環境模擬模塊，通過閥門8管連接抽真空模塊。模塊中的放散空間具有放氣口，原位環境室內的瓦斯釋放至放散空間時途經流量傳感器5，用于表征瓦斯放散速度。

PLC 控制模塊如圖2所示。該模塊與流量傳感器1—流量傳感器5、壓力傳感器1—壓力傳感器3、溫度傳感器1、溫度傳感器2電連接，獲取其信號并進行內部數據計算處理；與閥門1—閥門10、增壓泵、溫度控制器、真空泵電連接，根據內部算法控制其動作。

PLC 控制模塊可輸入待測煤層的原位瓦斯參數及環境參數，包括煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、三維地應力（σ1，σ2，σ3）、煤層瓦斯氣體組分、煤層溫度、煤礦井下采掘巷道大氣壓力，根據各溫度傳感器和壓力傳感器監測數據，結合輸入參數，自動進行計算并判斷，進而驅動受控元件動作。

2.2測定方法

基于煤的原位瓦斯放散初速度測定裝置[21]，提出了一種煤的原位瓦斯放散初速度測定方法，具體步驟如下。

1）獲取實測的原位瓦斯參數及環境參數。

2）根據原位環境參數中的瓦斯成分，將不同的氣體進行混合，通過增壓裝置和溫控裝置控制其壓力和溫度，使制備的原位瓦斯氣體組分、壓力、溫度符合原位環境參數。

3）對原位環境室中的測試煤樣加載，得到三維地應力。將制備好的原位瓦斯氣體充入原位環境室。放散空間壓力調整至符合原位環境參數的煤礦井下采掘巷道大氣壓力。

4）連通原位環境室與瓦斯放散空間，進行原位瓦斯氣體放散，并獲取原位條件下第三標定時間段（如0～60 s）內瓦斯放散流量 Q（t）和放散空間壓力 P（t），t 為時間。

5）瓦斯放散流量?Q（t）對時間?t 的導數即為原位瓦斯流量放散速度νQ（t），放散空間壓力?P（t）對時間?t 的導數即為原位瓦斯壓力放散速度νP（t）。特別地，記錄?t=10 s 和?t=60 s 時的原位瓦斯流量放散速度νQ（10）和νQ（60）、原位瓦斯壓力放散速度νP（10）和νP（60），即可得出?AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標（Δp）測定方法》標準框架體系下，用瓦斯流量表征的原位瓦斯放散速度ΔpQ=νQ（60）?νQ（10），用瓦斯壓力表征的原位瓦斯放散速度ΔpP=νP（60）?νP（10）。同時還可對νQ（t）和νP（t）求導，得出原位瓦斯流量放散速度衰減曲線及原位瓦斯壓力放散速度衰減曲線。

3測定裝置及方法試驗

某礦為突出礦井，S 煤層為突出煤層。現場取煤樣，測定該煤層的原位瓦斯放散初速度。

3.1原位環境參數測定

根據《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》，測得?S101工作面回風巷距離開口處800 m 的?S 煤層瓦斯壓力（相對）為0.52 MPa。采用水壓致裂法測得該處的地應力σ1=35 MPa，σ2=20 MPa，σ3=16 MPa。根據?GB/T 23250?2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》測得?S 煤層的自然瓦斯成分——?N2，CH4，CO2，C2?C8的體積分數分別為85.39%，12.56%，0.88%，1.17%。采用測溫導線法測得 S 煤層的溫度為22.4℃， 采用空氣盒氣壓計測得煤礦井下采掘巷道 S101工作面回風巷處的大氣壓力為96 kPa 。

3.2測定裝置氣密性檢測

關閉閥門1—閥門4、閥門10，打開閥門5—閥門9，開啟真空泵，觀測壓力傳感器2，當其壓力為?10 kPa 時，關閉真空泵。觀察10 min，若壓力傳感器2的示數沒有明顯變化，證明測定裝置密封性良好。

3.3原位瓦斯氣體制備

通過控制閥門1—閥門4和對應的流量傳感器，使?N2、CH4、CO2、C2?C8的體積比例為85.39∶12.56∶0.88∶1.17。將總計10 L 的4種氣體通過配套管路排進氣體混合室充分混合，關閉閥門1—閥門4。通過增壓泵使混合氣體的壓力增加至原煤瓦斯壓力0.52 MPa，其間通過壓力傳感器1來監測、記錄并顯示混合氣體壓力變化。之后將混合氣體通過配套管路排至溫度控制器，使混合氣體溫度達到原煤溫度22.4℃， 其間通過溫度傳感器來監測、記錄并顯示溫度控制器內的混合氣體溫度。整個過程中閥門5、閥門6始終處于關閉狀態。由此制備得到具有原位煤層瓦斯壓力和溫度的原位瓦斯氣體。

3.4原位環境模擬

通過煤礦井下定點取樣的方式取測試地點塊狀煤樣，用切割機制成5 cm×5 cm×5 cm 的原煤試塊。將試塊放入原位環境室，通過應力加載機三向同時逐漸加載，使得三維地應力σ1=35 MPa，σ2=20 MPa，σ3=16 MPa。關閉閥門7、閥門9，打開閥門5，將制備好的原位瓦斯氣體充入原位環境室，持續5～10 min，完成一次充氣過程。關閉閥門5、閥門6、閥門8和閥門9，打開閥門7，打開真空泵，釋放原位環境室內的氣體。觀察氣體壓力傳感器的示數，示數低于?1 kPa 時關閉真空泵，關閉閥門7，完成一次放氣過程。持續5個充氣?放氣循環，使原位瓦斯氣體的溫度與煤樣溫度一致。整個循環由?PLC 控制模塊控制完成，每個循環的實際持續時間和循環的實際次數由?PLC 控制模塊通過接收壓力傳感器3和溫度傳感器2的實時數據分析判斷。每次充氣時，保持煤樣內原位瓦斯壓力15 min。

打開閥門10，使放散空間內進入空氣。關閉閥門10，打開閥門8，打開真空泵，觀察壓力傳感器2示數，當其與所測巷道空間實測壓力96 kPa相等時，關閉真空泵，關閉閥門8。這樣，放散空間內的壓力即調整至煤礦井下采掘空間的實際大氣壓力。

3.5原位瓦斯放散及測定

打開閥門9，連通原位環境室與瓦斯放散空間，通過流量傳感器5、壓力傳感器2分別測定、記錄第三標定時間段（0～60 s）內瓦斯放散流量和放散空間壓力，并將相關數據實時傳輸給 PLC 控制模塊進行記錄。

4瓦斯放散數據分析

4.1流量表征瓦斯放散初速度

放散過程測得標定條件下第三標定時間段（0～60 s）內原位瓦斯放散流量曲線 Q（t），如圖3所示。

圖3中曲線的擬合方程為

Q（t）=86：881t-1 R2=0：9575 （1）

式中：t ∈（a，60 s]，a 為突出模擬發生的啟動時間與傳感器測得數據所需的反應時間之和，a≈0.45 s；R2為相關系數。

從圖3可看出：t=0.45 s（初始時刻）時瓦斯放散流量為193.1 mL·s?1，t=60 s 時瓦斯放散流量為1.4 mL·s?1；隨著模擬放散過程的進行，瓦斯放散流量逐漸減小，大致呈負指數變化規律。

用第三標定時間段內任意時刻的瞬時流量或第三標定時間段內任一時間段的平均流量表征煤的原位瓦斯放散初速度。對設備參數進行標準化設置，對測試結果進行無量綱處理。若取第三標定時間段內的平均瓦斯放散流量作為煤的原位瓦斯放散初速度ΔpQA，則通過函數求導取平均值可得ΔpQA=7.1 mmHg。若取第一標定時刻（30 s）的瞬時速度作為煤的原位瓦斯放散初速度ΔpQI，則ΔpQI = Q（30）=2.9 mmHg。

根據 AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標（Δp）測定方法》測得的瓦斯放散流量曲線如圖4所示。

對比圖3和圖4可知，采用原位瓦斯放散初速度測定裝置測得的瓦斯放散流量體現了突出發生過程的內在規律，反映了突出事故的突然性和對井下巷道、設施破壞的危險性。

對式（1）進行積分，可求得放散空間內瓦斯放散量隨時間變化情況，如圖5所示。

瓦斯放散量 V（t）隨時間 t變化規律為

V （t）=86：881ln（t/s）+69：375 （2）

從圖5可看出，隨著放散過程進行，瓦斯放散量不斷增多，大致呈對數變化規律，60 s 內瓦斯放散總量為425.1 mL。

4.2壓力表征瓦斯放散初速度

放散過程測得標定條件下第三標定時間段（0～60 s）內，原位瓦斯放散壓力曲線 P（t），如圖6所示。

圖6中曲線的擬合方程為

P（t）=6：1626ln（t/s）+5：6380 R2=0：9532（3）

從圖6可看出：隨著模擬放散過程的進行，放散空間內的瓦斯壓力逐漸增大，瓦斯壓力增大速度逐漸減小；放散空間內的瓦斯壓力隨時間變化大致呈對數函數關系，t=60 s 測得最大瓦斯放散壓力，為30.9 mmHg。

用第三標定時間段內任意時刻的瞬時壓力或第三標定時間段內任意時間段的平均壓力表征煤的原位瓦斯放散初速度。對設備參數進行標準化設置，對測試結果進行無量綱處理。若取第三標定時間段內的平均瓦斯放散壓力作為煤的原位瓦斯放散初速度ΔpPA，則ΔpPA=25 mmHg；若取第一標定時刻（30 s）的瞬時壓力作為煤的原位瓦斯放散初速度ΔpPI，則ΔpPI=P（30）=26.6 mmHg。

若參考?AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指標（Δp）測定方法》中采用壓差表征瓦斯放散初速度的方法，記錄10 s 時壓力傳感器2的讀數?p1及60 s 時讀數?p2。無量綱處理后，計算煤的原位瓦斯放散初速度ΔpPD=p1?p2=P（60）?P（10）=11 mmHg。

5結論

1）設計了煤的原位瓦斯放散初速度測定裝置。考慮煤層賦存的原位瓦斯環境，將突出鑒定的4個單向指標統一起來，提出了一種煤的原位瓦斯放散初速度測定方法。

2）隨著模擬瓦斯放散過程的進行，瓦斯放散流量逐漸減小，大致呈負指數變化規律。用瓦斯流量表征原位瓦斯放散初速度，則ΔpQA=7.1 mmHg，ΔpQI=2.9 mmHg。

3）隨著模擬放散過程的進行，放散空間內的瓦斯壓力逐漸增大，瓦斯壓力增大的速度逐漸減小，瓦斯壓力隨時間變化大致呈對數函數關系。用放散空間內瓦斯壓力表征原位瓦斯放散初速度，則ΔpPA=25 mmHg，ΔpPI=26.6 mmHg，ΔpPD=11 mmHg。

4）提出的原位瓦斯放散初速度測定方法所得結果能夠綜合反映煤層賦存的雙重孔隙結構、煤體的力學特性、煤體內瓦斯的賦存能量、煤層賦存的地應力和溫度等原位環境，真實反映煤礦井下發生突出的危險性，是一個綜合指標，突破了以往突出危險性預測指標分散、單項指標臨界值地區差異大等難題，可更方便、精準地指導煤礦井下突出危險性預測和防治工作。

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