煤体瓦斯放散指标修正研究

常未斌，马丕梁，樊少武，张 浪

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 (煤炭科学研究总院)，北京100013)

1 概述

现在使用的瓦斯放散初速度指标ΔP的实质是含瓦斯煤样在0.1MPa压力条件下，向一固定体积的近似真空空间放散时，10～60s时间内所放散的瓦斯量(即ΔP10～60)。对煤体瓦斯放散速度随时间衰减不大的煤样来说，这种测定方法是适用的，但是对煤体瓦斯放散速度异常大且随时间衰减异常快的煤样来说，这种测定方法所测的结果就会出现异常，即瓦斯放散初速度极大的煤测出的ΔP值反而较小，出现ΔP值对预测突出危险性不敏感的情况，这是由于煤中部分瓦斯已在0～10s内释放［1］。

在实验室测定瓦斯放散初速度 (图1为实验原理图［2］)过程中，释放到固定空间的瓦斯来源于试样瓶，其中试样瓶中的瓦斯由两部分组成:一部分是煤粒中的孔隙系统的吸附瓦斯和煤粒裂隙系统中的游离瓦斯;另一部分是煤样瓶中除煤样外空隙体积内赋存的游离瓦斯。为了更好模拟井下实际环境，对突出起作用的是煤粒中的吸附瓦斯和游离瓦斯，而煤样瓶中空隙体积内赋存的游离瓦斯是实验过程必然产生的，但是赋存在地层中的煤层并不包括这部分瓦斯，所以在实验过程中需要剔除这部分瓦斯。

图1 瓦斯放散初速度指标测定仪原理

实验过程中试样瓶的空间体积是固定的，但是不同矿区不同煤种的煤体密度存在差异［3］。由于煤体视密度的差异，导致煤样破碎成规定粒度的试验煤样的堆积密度也会有很大的差异。所以不同的煤样在试样瓶中形成的空隙体积也不同，空隙体积内赋存的游离瓦斯量也不同。

本文研究的是煤体自身的瓦斯放散性，即在突出的最初一段时间内煤中所含瓦斯放散出的越多，在突出过程中就越容易形成携带煤体流动的瓦斯流，而不是空隙体积 (指煤样瓶中除纯煤体积外包括煤样颗粒间空隙、煤样瓶残余空间和通径体积的总和)内赋存的游离瓦斯的放散性。所以在测定瓦斯放散初速度的过程中需要剔除空隙体积内游离瓦斯对瓦斯放散性的影响。

煤的瓦斯放散能力是一个煤质指标，现在主要通过煤的瓦斯放散初速度指标 (ΔP)来衡量，虽然该指标被定义成“初速度”，但本质上它是煤样在10～60s内煤样释放的瓦斯量，用在固定空间形成的压差ΔP表示，笔者认为现行的瓦斯放散初速度指标 (ΔP)的物理意义不明确，为什么要从第10s开始测定煤样的瓦斯放散量，这缺乏理论依据，是一个经验时间，对于瓦斯放散能力大且随时间衰减快的煤来说，煤体内有一部分游离瓦斯和吸附瓦斯也会被除去，并没有真正反映出煤的放散能力，可能会出现 ΔP0～60很大而 ΔP10～60很小的情况。对于瓦斯放散速度随时间衰减不十分大的煤来说，可能出现第10s是空隙体积内赋存的游离瓦斯还没有完全释放到固定空间内，导致ΔP10～60偏大，降低了预测预报的准确率。如果采用ΔP0～60指标，该指标表示的是煤样瓶中空隙体积内的游离瓦斯形成的压力和煤体释放瓦斯形成的压力之和，会出现没有考虑煤体密度差异导致的空隙体积赋存瓦斯量对煤体瓦斯放散性的影响，且空隙体积内赋存的游离瓦斯在固定空间产生的压力远大于煤体自身释放的瓦斯形成的压力，所以ΔP0～60指标相当于在煤体瓦斯放散量的基础上增加了一个很大的基数，使该指标在预测突出危险性的时候出现不敏感的情况，该指标并不是真正意义上的煤的瓦斯放散量。

为了更好地反映煤体瓦斯放散性，笔者提出了一个新的指标 Q1，即 3.5g规定粒径的煤样在0.1MPa压力下吸附瓦斯后向固定空间释放时，用压差Q1(Pa)表示的0～60s内试样瓶中释放的总瓦斯量减去试样瓶中空隙体积内赋存的游离瓦斯量。

2 理论计算煤体1min的瓦斯放散量Q1

2.1 计算试样瓶的空隙体积

式中，V空为试样瓶中空隙空间的体积，m3;V1为试样瓶内部空间体积，m3;m定为测定煤样的质量(煤的瓦斯放散初速度测定方法中规定取3.5×10－3kg粒径为 0.20 ～0.25mm 的煤样)，kg;r视为测定煤样的视密度，kg/m3。

2.2 试样瓶中空隙体积内赋存的游离瓦斯的气体状态方程

式中，P0为测定瓦斯放散初速度过程中的实验室大气压力，Pa;R为甲烷气体常数，J/kg·K;T实为测定瓦斯放散初速度过程中的实验室温度，K。

2.3 试样瓶中空隙体积内赋存的游离瓦斯气体进入固定空间后的气体状态方程

式中，P游为空隙体积内的游离瓦斯进入固定空间后形成的压力，Pa;V2为在瓦斯放散初速度指标ΔP测定中，容纳释放瓦斯的封闭空间体积，m3。

2.4 P游的计算

由查尔—波义耳 (Charles－Boyle)联合定律可得:

即:P游=

2.5 Q1指标的计算

式中，Q1为煤体自身瓦斯释放量，Pa;P0为等容变压装置第0s时固定空间的压力，Pa;P60为等容变压装置第60s时的固定空间压力，Pa。

3 实验设备的改进

3.1 ΔP指标的测定流程

目前我国具有突出鉴定资质的单位和院校主要采用抚顺煤科院的WT－1型瓦斯放散初速度测定仪、重庆煤科院的WTC－1型瓦斯放散初速度测定仪和老式的变容变压式压差计瓦斯放散初速度测定仪，其测定流程见图2。

图2 ΔP指标测定流过程

3.2 Q1指标的测定流程

由于测定Q1指标的时候需要输入煤样的参数和测试环境参数，所以测定Q1指标的流程与ΔP指标的测定过程也不同，具体流程如图3所示。

图3 Q1指标测定流程

4 实验验证

4.1 判定ΔP指标合理性的判据

对于10～60s的瓦斯解吸量是否为煤样真实的瓦斯放散初速度，可以进行实验验证，通过记录第0s时的固定空间压力P0，第10s时固定空间的压力P10和空隙体积中所含的游离瓦斯进入固定空间后形成的压力P游，即可得到如下3个判据:

(1) 当P游+P0＞P10时，说明0～10s内煤样瓶中的空隙体积赋存瓦斯量还没有完全进入固定空间，瓦斯放散初速度指标中包含了空隙体积的游离瓦斯，相应的ΔP值偏大，这种情况对应瓦斯放散速度随时间衰减不十分大的煤。

(2)当P游+P0=P10时，说明在第10s时空隙体积的游离瓦斯恰好完全释放到固定空间，即10s以后增加的固定空间压力为真实的瓦斯放散初速度值。

(3) 当P游+P0＜P10时，说明第10s以前已经有煤体中的游离和吸附瓦斯进入固定空间，测定的ΔP较真实的瓦斯放散初速度值偏小，这种情况对应瓦斯放散速度异常大且随时间衰减异常快的煤。

4.2 ΔP指标在反映高瓦斯放散能力煤体中存在的问题

在实验过程中发现，一些ΔP值差不多的煤样，Q1指标却有很大的差异，列举部分实测数据，如表1，表2所示。

从上述2个表分析可以发现，虽然表1和表2中的这些煤样的瓦斯放散初速度指标ΔP相差无几，但是对比表中的Q1发现表1和表2的瓦斯放散能力有很大的区别，因而可以确定，ΔP指标并没有很好地反映煤体真实的瓦斯放散能力。可以发现对于一些放散瓦斯能力特别强的煤体，Q1指标能很好地反映出煤体真实的放散能力。

通过表2可以看出，龙宫煤矿1号井9号煤层煤体瓦斯放散能力是较强的，在突出鉴定的过程中对其周边矿井——新化乡腾龙煤矿、贵源煤矿2号井、林华矿业有限公司、贵源5号煤矿、新化乡中心3号煤矿的9号煤层的突出情况进行了统计［4］，发现其突出危险性和Q1指标有很好的相关性。但是如果使用ΔP指标就无法体现其突出危险性。

表1 高瓦斯放散煤样实测数据 Pa

表2 中等瓦斯放散煤样实测数据 Pa

5 结论

(1)理论计算确定瓦斯放散初速度指标不能真正反映煤体的瓦斯放散能力。

(2)提出了物理意义更加明确地描述煤体瓦斯放散能力的指标Q1。

(3)通过实验验证瓦斯放散初速度指标ΔP不能很好地反映高瓦斯放散能力煤样的真实放散能力。

［1］杨福蓉，王佑安.现用ΔP值测定方法的局限性及其改进 ［J］.煤矿安全，1992(8):27－30.

［2］国家安全生产监督管理总局.煤的瓦斯放散初速度指标(ΔP)测定方法 (AQ1080－2009) ［S］.北京:煤炭工业出版社，2010.

［3］韩德馨.煤岩学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1995.

［4］国家安全生产监督管理总局网站事故查询系统.http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp