湖南典型煤体瓦斯放散初速度规律研究★

戴世鑫 于文龙 刘文强 吴运杰 魏 芳 廖建平

(1.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)



湖南典型煤体瓦斯放散初速度规律研究★

戴世鑫1，2于文龙2刘文强2吴运杰2魏 芳2廖建平2

(1.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

通过实验，研究了郴耒煤田和涟邵煤田的煤样吸附压力对瓦斯放散初速度的影响，实验过程中保持温度不变，调整吸附的瓦斯压力，测定瓦斯放散初速度，指出瓦斯放散初速度是判断瓦斯突出危险性的指标之一，在瓦斯放散的过程中，瓦斯放散量与时间并不成正比，而是存在一定的突变现象，掌握好瓦斯放散的时间点对有效预防瓦斯突出有重要的意义。

瓦斯，煤田，煤样，放散初速度

0 引言

湖南地区矿井多为高瓦斯或瓦斯突出矿井，煤矿瓦斯灾害非常严重。湖南省煤矿总数约为990个，其中高瓦斯与瓦斯突出矿井占湖南省煤矿总数的2/5，约为400多处，绝大多数处于高瓦斯富集区域的湘中涟邵煤田和湘东南郴耒煤田，主要分布于郴州、衡阳、娄底和邵阳[1]。矿井瓦斯对湖南省煤矿的安全生产具有很大影响，是煤矿安全生产的关键。

瓦斯放散初速度是煤质指标之一，表征了煤的微观结构。它反映了煤放散瓦斯的能力和瓦斯渗透、流动的规律,在预测防范瓦斯突出中起着非常重要的作用[2]。但国内针对煤体瓦斯放散初速度规律研究较少，为此有针对性开展了湖南典型煤体瓦斯放散初速度的影响研究。

1 研究区域

1.1 郴耒煤田地质背景

郴耒煤田作为华夏台隆北西的一部分，地处南华准地台赣湘桂上古台坳南东[3]。煤田面积约为19 500 km2，主要由郴州和耒阳的煤矿组成，郴耒煤田是湖南省重要的煤炭基地，其煤炭储量占全省已探明煤炭储量的1/3，约为11.79亿t[4]。该煤田包含三个主要含煤地层，分别为：石炭系下统的测水煤组地层、二叠系上统龙沄组地层、上三叠统—下侏罗系地层[5]。二叠系龙沄组地层中含煤最多，且煤质较好，具有较好的开采价值。

1.2 涟邵煤田背景

涟邵煤田位于湘中地区，主要由邵阳和娄底的煤矿组成，区内多为丘陵、低山地貌[6]。煤田面积约为4 602.14 km2，以白马山—龙山为界，将涟邵煤田划分为北部涟源与南部邵阳两个含煤区[7]。涟邵煤田的地层主要由寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、古近系、新近系和第四系组成。该区大多数煤层主要位于早石炭世测水煤系地层中，开采价值大[8]。

2 实验研究

煤样取自湖南的郴耒煤田与涟邵煤田，首先经过1.5 h真空干燥，保证煤样的水分相同。然后再按《煤的瓦斯放散初速度指标(Δp)测定方法》规定的实验方法进行实验，实验过程中保持温度不变，调整吸附的瓦斯压力测定瓦斯放散初速度Δp[9]。

2.1 采样

采样与制样：首先在郴耒煤田和涟邵煤田分别选取具有代表性的煤层，采取块度为10 cm左右的煤样两块。煤样采取后及时用塑料带包严并浸蜡封固以免风化[10]；然后在煤样上贴好标签，分别为：煤样1(郴耒煤矿)采自二叠系，煤样2(涟邵煤样)采自石炭系，见表1，表2。

表1 郴耒煤样

表2 涟邵煤样

2.2 煤的瓦斯放散初速度指标(Δp)测定

利用0.2 mm～0.25 mm煤样粒度的煤样在0.1 MPa压力下吸附瓦斯后向固定真空空间释放时，用压差Δp(mmHg)表示的10 s～60 s时间内释放出瓦斯量指标[11]，此次实验采用的是等容变压式，结构见图1。

等容变压式仪器测定步骤：

1)关闭阀门8和阀门9，打开阀门2，利用真空泵将固定空间气体抽出，见图1；2)关闭真空泵，关闭阀门2，打开阀门8，使试固定空间与样瓶连通，并启动放散速度测定仪，利用其计时器与压力传感器记录数据[9]。10 s时关闭阀门8，读取固定空间压力H1(mmHg)，45 s时再次打开阀门8，60 s时关闭阀8，再记录固定空间压力H2(mmHg)。最后根据测定的H1，H2，式(1)换算成以mmHg为单位的Δp值：

(1)

2.3 实验数据

瓦斯放散初速度指标(Δp)测定表见表3，瓦斯放散量曲线见图2。

表3 瓦斯放散初速度指标(Δp)测定表

2.4 实验结论

1)通过以上两组实验分别得出了郴耒煤样1和涟邵煤样2的瓦斯放散量变化曲线，以及两组煤样的放散初速度Δp1=8.469 mL/s，Δp2=14.146 mL/s。根据瓦斯放散初速度实践经验，当放散初速度大于10 mL/s时，该煤矿瓦斯有突出的危险，所以郴耒煤矿开采处于比较安全的状态，没有瓦斯突出的危险；涟邵煤矿的瓦斯放散初速度明显大于10 mL/s，有瓦斯突出的危险，需要及时做防治相关的措施。

2)通过以上曲线可以看出，在前10 s放散量明显变化较大，在10 s～45 s放散量曲线趋于平缓，变化不明显；但在45 s时刻有明显的向上突变现象，瓦斯放散量急剧增加，随后放散量增加较小，曲线上升比较缓慢。

3 结语

根据瓦斯放散初速度实验得出郴耒煤矿发生瓦斯突出的可能性较小，而涟邵煤矿发生瓦斯突出的可能性较大，而在瓦斯放散的过程中，瓦斯放散量与时间并不成正比，而是存在一定的突变现象，掌握好瓦斯放散的时间点对我们有效预防瓦斯突出有重要的意义。

需要说明的是，由于突出机理的理论研究还不够深入，在瓦斯放散初速度机理上预测煤矿煤与瓦斯突出待在今后的科研工作中需要进行深入研究和论证，以便间接找出瓦斯放散初速度反映突出规律的线索。

[1] 宋元明,黄盛初,李荣欣.湖南省煤层气开发现状、问题与对策[J].中国煤炭，2009，11(35):167-173.

[2] 赵 军.湖南省煤矿瓦斯抽采现状与整治对策[J].江西煤炭科技，2009(3):17-19.

[3] 陶小华,颜淼奇,刘 军.湖南郴耒煤田白沙矿区构造特征及找煤意义[J].低碳世界,2013(5):78-80.

[4] 郴耒煤田马田矿区F_1断裂特征及深部找煤分析[J].中国煤炭地质,2002,23(6):5-8.

[5] 李跃华.郴耒煤田里王庙煤矿瓦斯地质规律及其安全防护措施研究[D].长沙：中南大学,2012.

[6] 杨汉元,李建中,伍意德.湖南涟邵煤田聚煤规律及资源潜力评价[J].采矿技术，2012，12(2)：88-91.

[7] 杨汉元.湖南涟邵煤田测水煤系沉积环境及聚煤规律研究[D].长沙：中南大学,2012.

[8] 陈建明.湖南涟邵煤田北段西部断裂带构造特征[Z].2006.

[9] AQ 1080—2009，煤的瓦斯放散初速度指标(Δp)测定方法[S].

[10] GB/T 482—2008，煤层煤样采取方法[S].

[11] 尹光志,李小双,赵洪宝.瓦斯压力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009(4)：72-73.

Study on the law of initial speed of methane diffusion based on typical coal in Hunan★

Dai Shixin1,2Yu Wenlong2Liu Wenqiang2Wu Yunjie2Wei Fang2Liao Jianping2

(1.HunanProvinceKeyLaboratoryofCoalResourcesClean-UtilizationandMineEnvironmentProtection，HunanScienceandTechnologyUniversity，Xiangtan411201,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HunanScienceandTechnologyUniversity，Xiangtan411201,China)

The research focus on the effect of absorbent pressure of coal samples in Chenlei coal field and Lianshao coal field on the initial speed of mash gas diffusion. In order to measure the initial speed of mash gas diffusion, the temperature remains stable, and absorbent mash gas pressure should be adjusted. The result shows that the initial speed of mash gas diffusion is one of the key index to judge whether the mash gas is dangerous or not. During the mash gas diffusion process, the amount of mash gas diffusion is not in proportion to time, but a certain abrupt change. It is of great importance for us to grasp the accurate time of mash gas diffusion.

mash gas, coal field, coal sample, initial speed of mash gas

1009-6825(2016)11-0057-03

2016-02-01

戴世鑫(1983- )，男，讲师

TD712

A

★：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(项目编号：201410534003)；湖南教育厅科研项目(项目编号：13C312)；湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室开放基金(项目编号：E21421)；湖南科技大学科研启动基金(项目编号：E51390)