瓦斯放散初速度影响因素研究进展

郭朋帅，高建宁，张春璞，陈 旭

（1.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

在煤炭的生产过程中，煤与瓦斯突出煤岩动力灾害对煤炭的生产造成了很大的影响，2010 至2015年间造成较大事故的事故类型中煤与瓦斯突出占事故总起数的68.42%，占总死亡人数的45.68%[1]。瓦斯事故影响范围广，据统计在2013 至2017 年间平均每次事故死5.22 人，是顶板事故死亡人数的2.4倍[2]。并且我国煤炭资源开采条件恶劣属中等偏下水平，煤矿开采已经进入深部开采，地应力和瓦斯压力逐渐增加，煤与瓦斯突出的危害会更加严重。瓦斯放散初速度是区域煤层瓦斯突出参数的一项重要指标，反应了煤体释放瓦斯的快慢程度，可以用来表征煤的破坏程度和孔隙性质。因此瓦斯放散初速度参数的研究对于准确预测瓦斯突出、预防事故起着非常重要的作用。很多学者从单因素层面如：变质程度、充气压力、温度、孔隙特征、粒径、水分、外加声场和电场等分析了其对瓦斯放散初速度的影响，在此基础上从流体力学的角度分析，把影响瓦斯放散初速度的各个因素分为3 个方面，瓦斯含量、瓦斯压力、通道性质，分析各个方面中的影响因素和研究进展。

1 单个因素影响机理归类

从流体力学的角度，流体从腔体内流出后，一定时间内的速度变化取决于流体的含量、流体的压力、通道性质3 个方面。如果不考虑煤放散过程中煤基质的结构变化，忽略煤在放散瓦斯同时发生的解吸过程。就可以把煤吸附瓦斯后的放散过程简化为不同含量的气体在不同的压力状态下通过不同的通道放散的过程。气体含量、压力、通道性质影响分析如图1（图中：p1、p2为压力；V1、V2为瓦斯含量）。

图1 气体含量、压力、通道性质影响分析Fig.1 Analysis of the influence of gas content, pressure and channel properties

煤的放散初速度实验可以设计为3 种：①Ⅰ与Ⅱ对照实验：探究同等含量、同等压力状态下受不同通道性质所影响的煤瓦斯放散初速度的变化情况；②Ⅰ与Ⅲ对照实验：探究同等体积、同等通道性质的瓦斯在不同瓦斯压力状态下的瓦斯放散情况；③Ⅰ与Ⅳ对照实验：探究在同等压力、同等通道性质在不同的瓦斯含量的条件下瓦斯的放散情况。实际放散过程当中，煤基质中吸附瓦斯会不断解吸出来，煤基质会发生收缩，但是可以把影响瓦斯吸附解吸的因素归为瓦斯含量因素，把影响煤基质结构的因素归为孔道性质因素。把影响煤中瓦斯气体压力的因素归为气体压力因素。那么就可以把单个影响瓦斯放散初速度的因素归为3 类，其中属于影响瓦斯含量的因素主要包括：煤变质程度、温度、外加声波场和电场等。属于影响瓦斯压力的因素主要有：充气压力。属于影响孔道性质的因素主要有：孔隙特征、粒径、水分。

2 瓦斯含量的影响因素

2.1 煤变质程度对瓦斯放散初速度的影响

煤的变质程度指的是煤在压力和温度的共同作用下，发生物理和化学变化的程度。煤首先经过泥炭化阶段进行生物化学作用，然后开始进行以温度和压力为主的煤化作用，依次转化为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。根据中国煤炭分类标准，挥发分是煤变质程度的主要判别标准参数之一。有些学者通过探究煤中挥发分与瓦斯放散初速度的关系来研究煤的变质程度对瓦斯放散初速度的影响。姜海纳等[3]通过实验得出瓦斯放散初速度按照变质程度分为：高变质程度无烟煤＞中变质程度烟煤＞低变质程度烟煤＞未变质煤样。刘军[4]，徐乐华等[5]同样用挥发分表征煤的变质程度，得出瓦斯放散初速度随着挥发分增大而呈现负指数减小的趋势。

煤中具有庞大的微孔系统，超细网状结构提供了很大的内表面积，不同变质程度的煤具有不同的比表面积。比表面积决定着瓦斯的存储能力，也是煤的变质程度特征参数之一。罗志明[6]研究了瓦斯放散初速度和煤的比表面积之间的关系，得出瓦斯放散初速度与煤比表面积成一次函数关系。林海飞等[7]认为孔隙比表面积越大，瓦斯放散初速度越小，两者呈线性负相关关系。徐乐华等[8]拟合出挥发分与煤比表面积的关系，实验验证了瓦斯放散初速度随着变质程度的增加而增大。陈学习等[9]则具体指出煤孔隙结构中微孔的比表面积和瓦斯放散初速度之间存在一次函数关系，得出瓦斯放散初速度随变质程度降低而指数减小。目前普遍认为瓦斯放散初速度随着变质程度的增大而增大。主要是因为变质程度越高，经过煤的物理化学作用越久，煤的瓦斯生成量越多。同时伴随着孔隙率越高，吸附的瓦斯也越多。变质程度影响因素研究现状进展分析见表1。

因此认为探究变质程度对瓦斯放散初速度影响的实验中在以下几个方面应当注意：

1）煤级指标中挥发分指标对于部分煤样不能准确确定煤的变质程度，可燃基挥发分＞30%的煤以发热量为最好的鉴定指标，水分次之，＜30%的煤以镜煤反射率最好，而挥发分本身是中高煤化烟煤阶段（10%～30%）较好的指标，氢气、水分、X 射线衍射曲线则都可作高阶煤的指标[10]。

2）在探究瓦斯放散初速度与变质程度的实验中，应增加实验数据，采用更多不同的表达式模型进行数据拟合，例如：对数模型、幂函数模型、指数模型、多项式模型等从而提高应用模型的准确性。

3）研究瓦斯含量与放散初速度的关系时，结合菲克定律和郎格缪尔吸附模型，通过改变吸附压力改变瓦斯吸附量，从而研究瓦斯吸附量与瓦斯放散初速度的关系，由于瓦斯吸附量还是吸附压力对瓦斯放散初速度起到主要的影响需进一步确定。

表1 变质程度影响因素研究现状进展分析Table 1 Progress analysis of influencing factors of metamorphic degree

2.2 温度对瓦斯放散初速度的影响

煤是一种多孔介质，属于一种天然的吸附剂。被吸附气体的分子受外界温度和压力的影响，会在吸附态和游离态之间不断转换。温度变化不仅会直接影响到煤分子的热运动，而且还会影响煤孔隙中瓦斯压力。根据煤分子的吸附特征，普遍认为温度上升1 ℃，吸附量减少8%。李晓伟[11]从温度变化引起的压力变化和瓦斯吸附特性2 方面分析温度对瓦斯放散初速度的影响。经过曲线拟合得出瓦斯放散初速度与温度差（同20 ℃相比）之间存在二次函数的关系；李强等[12]得出瓦斯放散初速度随着温度的升高呈现幂函数降低；郭志刚[13]研究了温度对不同煤样的影响程度，瓦斯放散初速度越大，受温度影响程度越小。

马东民[14]、张庆玲[15]、梁冰等[16]也都认为瓦斯放散初速度随着温度的增加而减小。目前普遍认为瓦斯放散初速度随着温度的升高而降低。温度对瓦斯放散初速度影响分析见表2。

表2 温度对瓦斯放散初速度影响分析Table 2 Analysis of the influence of temperature on the initial velocity of gas emission

对于目前的研究有下列几点思考：

1）关于瓦斯的等温吸附研究较多，温度对瓦斯放散初速度的影响研究相对较少，而在实际的生产活动中，由于不同地区、不同深度的矿井中煤层实际温度也是不同的，所以温度对于瓦斯放散初速度的影响是很重要的一个因素，加强温度对瓦斯放散初速度的研究对准确预测煤层突出很有意义。

2）关于温度对瓦斯放散初速度影响机理解释需进一步研究。实验结果表明，随着温度的升高，瓦斯放散初速度并不是直线下降的，因此温度的变化不仅对瓦斯的吸附量产生影响，可能还会影响瓦斯内部压力或煤基质结构。这些还需要进一步的研究。

3）实验数据点不多，适用性不强。在通过实验探究瓦斯放散初速度与温度的关系时，采用数据不够充分，需增加数据个数来提高公式的准确性。

2.3 外加声波和电场对瓦斯放散初速度的影响

外加声波促进瓦斯的解吸源于低频震动采油技术，主要从声波震动可以增加多孔介质裂隙，降低粘结力，温度升高效应等方面考虑。李建楼[17]从煤体动力损伤机械效应入手，提出声波震动的力效应使得煤颗粒间隙周期性一张一闭促进瓦斯解吸，解吸速度随时间变化的过程符合对数规律。徐龙军[18]认为是外加声波后的热效应使得煤体温度上升和煤表面势能增大使得瓦斯放散。姜永东等[19]则认为是机械振动效应和热效应共同作用有利于瓦斯解吸。聂百胜等[20]提出功率声波可以提高煤岩渗透性和孔隙率，总结了作用机理有机械作用、激波作用、定向作用、热效应和空化作用。

关于外加静电场对瓦斯放散初速度的影响，李成武等[21]人认为静电场主要改变了瓦斯的45～60 s放散过程且具有记忆效应，分析机理为静电场使得煤表面的吸附势阱深度增加和电负性增强两者相互竞争的作用。吸附势井深度增加瓦斯浓度较大，有利于瓦斯放散，电负性较强时瓦斯吸附热越小，吸附势阱较浅，瓦斯吸附量较少，不利于瓦斯越放散。而易俊等[22]认为交变电场的作用减弱了煤的吸附能力和解吸能力，减缓了含瓦斯的解吸过程，不利于瓦斯的放散。

对于目前的外加声场、电场对瓦斯的解吸研究有以下建议：

1）关于超声波对煤解吸瓦斯的研究较多，而在20～20 000 Hz 的范围内的声波对瓦斯吸附解吸的研究较少，应进一步加强研究。

2）建立的物理模型比较小型化，李建楼对此做了改进，但还是应该多考虑到实际情况煤体结构与模型的差距，进一步加强采用更加贴近实际情况的模型的研究。

3）外加声场对煤岩瓦斯的解吸机理还没有明确。需要进一步研究哪一种机理为主要因素，或者它们之间的相互作用情况。

4）在外加电场的情况下，还没有得到瓦斯放散初速度与电场强度的明确的关系，具体的影响作用机理还需要进一步的研究。

3 充气压力对瓦斯放散初速度的影响

根据瓦斯的等温吸附模型，当其他外界条件不变时，瓦斯吸附量随着吸附压力的增加而增加，增加的幅度逐渐减小直至吸附饱和。当煤粒径小于极限粒径[23]时，对于同一种破坏类型的煤，瓦斯在煤层中流动符合菲克扩散定律。

式中：J为扩散速度，m3/（m2·s）；C 为瓦斯浓度，m3/t；X 为距煤粒中心的距离，m；D 为煤体瓦斯扩散系数，m2/s。

根据相关标准，瓦斯放散初速度表示3.5 g 规定粒度的煤样在0.1 MPa 压力下吸附瓦斯后向固定真空空间释放时，用压差表示的10～60 s 内释放出瓦斯量指标，根据瓦斯放散初速度的意义和测定方法得到如下公式：

式中：J为扩散速度，m3/（m2·s）；t 为时间，s。

隆清明[24]、赵志法[25]结合langmuir 模型和菲克定律，得到瓦斯放散初速度和瓦斯压力的关系如下：

从式（3）可以看出，吸附压力的增加会导致瓦斯放散初速度的增加，但是瓦斯放散初速度增加的越来越慢，直到达到某一数值左右几乎不再变化。康建宁[26]把菲克扩散定律、langmuir 等温吸附曲线结合煤颗粒煤层气在第一类边界条件下的近似解也给出了瓦斯放散初速度与吸附压力的关系式。

综上，在一定范围内瓦斯放散初速度随着瓦斯吸附压力的增加而变大，但是还有一些方面需进一步加强研究：

1）瓦斯在煤中的渗流普遍使用菲克扩散定律，而秦跃平[27]指出达西定律也是煤粒瓦斯流动基本定律，利用达西定律来探究瓦斯放散特性的研究还有待研究，以及关于煤中瓦斯koundson 扩散和表面扩散的研究也有待发展。

2）瓦斯的吸附解吸模型主要利用兰格缪尔等温吸附模型，而亨利吸附等温模型、费罗因德利希吸附等温模型、BET 吸附等温模型的研究也比较少。

3）数据拟合表达式局限于Langmuir 方程，可以增加数据拟合的表达式，探究瓦斯吸附解吸的更加准确的表达式模型，例如三次多项式、四次多项式、指数函数、综合模型、Weibull 函数、Langmuir 方程改造式、BET 方程和解吸式等。

4）瓦斯吸附压力对瓦斯放散初速度的影响比较大，煤与瓦斯的实际突出压力为0.74 MPa，在瓦斯放散初速度的测定时采取充气压力0.1 MPa 向真空空间放散，与实际情况不符。

4 孔道性质的影响因素

4.1 孔隙特征对瓦斯放散初速度的影响

孔隙作为瓦斯的富集区，裂隙又是瓦斯放散的通道，所以孔隙结构对于瓦斯的吸附和放散过程都有很大影响。主要影响因素有2 个：①煤微孔或过渡孔比表面积，因为微孔比表面积的增加，吸附能力增强；②孔径的大小关系到瓦斯流动过程中受到的阻力大小。煤中的复杂双重结构系统分为孔隙和裂隙，煤的孔隙孔径大小分为4 类[28]：微孔、过渡孔、中孔和大孔。王月红[29]指出孔隙结构对瓦斯放散初速度的影响主要原因是比表面积的不同，其次是过渡孔（10～100 nm）孔容占比。陈向军[30]提出纳米级孔（小于100 nm）比表面积决定煤的吸附能力，纳米级孔（小于100 nm）孔容决定煤的吸附速率。陈学习指出瓦斯放散初速度随着微孔比表面积的增加呈现出线性增加的趋势，主要原因是增加了吸附位，增大了吸附量。但是林海飞通过阜康矿区煤样进行试验分析得出平均孔隙直径越大瓦斯扩散阻力越小，瓦斯扩散速度越大。

4.2 粒径对瓦斯放散初速度的影响

关于粒径是如何影响瓦斯放散初速度，张晓东等[31]认为粒度变化对微孔比表面积基本没有影响，对于干燥煤样主要因为粒度增加引起甲烷分子的扩散、吸附路径加长，阻力增加；对于平衡水煤样除了扩散路径变化外，主要是水分子影响了瓦斯的吸附量，影响了瓦斯放散速度。杨萌萌[32]认为除了阻力的影响外，随着煤样粒径不断减小，煤样的孔隙比表面积、孔隙体积增加，瓦斯浓度增大，煤中解吸速度增加。煤科院抚顺院杨其銮提出了极限粒度概念，只有小于极限粒径的煤粒对瓦斯放散初速度有影响，大于极限粒径的煤粒瓦斯放散基本不受粒径的影响，研究表明极限粒径在0.5～6 mm 之间。刘彦伟等[33]分析了软硬煤的瓦斯放散差异，得出软煤比硬煤的瓦斯放散初速度偏高，软煤和硬煤的瓦斯放散差异存在一个尺度效应，粒径越小差距越小，小于某粒径后没有差距，称这个粒径为原始粒径。贾东旭[34]实验得出在粒径小于3 mm 时，瓦斯放散初速度随粒径减小而成幂函数增加，且变质程度越高越明显。蔡立勇等[35]实验提出瓦斯放散初速度随着粒径的减少而成指数增加。杨萌萌提出小粒径煤样占比越大，瓦斯放散越快。李一波等[36]实验得出瓦斯放散初速度与粒径呈现对数关系；潘红宇[37]则认为瓦斯放散初速度随粒径呈一次函数降低。

4.3 水分对瓦斯放散初速度的影响

目前普遍认为水分降低煤层瓦斯放散初速度的原因是水分会减低瓦斯的吸附量，主要从3 个方面解释：①自由水发生吸附作用，占据了煤体的吸附位；②水分子与瓦斯分子竞相吸附；③水的存在阻塞微孔隙的通道。张九零等[38]提出瓦斯放散初速度随水分含量增加（1.4%～7.9%）呈对数关系减少，做了瓦斯放散初速度变化量与水分含量的关系，水分含量在5%附近瓦斯放散初速度变化率逐渐变小；林海飞[39]测定水分含量在20%以下和潘红宇得出水分含量在25%以下时瓦斯放散初速度随水分增加呈现线性关系减小；陈向军等[40]提出瓦斯放散初速度与水分含量（1.17%～7.19%）呈现指数关系减小，水分对无烟煤吸附瓦斯能力影响最大，对长焰煤吸附瓦斯能力影响居中，对焦煤吸附瓦斯能力影响最小。

对于孔隙结构的研究提出几点思考：

1）王月红等并没有分析瓦斯放散初速度变化的原因，孔容的占比是不是改变了瓦斯的吸附情况也没有给出解释。林海飞探究大孔隙结构和微孔比表面积对瓦斯放散初速度的影响只考虑到了微孔比表面积越大吸附能力越强，平均孔径越小阻力越大，不利于瓦斯的放散，而没有解释随着比表面积的增大还增大了吸附量，有利于瓦斯的放散，平均孔径的减小还增加了比表面积。

2）比表面积和孔径对瓦斯放散的影响是双方面的，比表面积增加导致瓦斯吸附量增加的同时也加大了瓦斯放散的摆脱阻力；平均孔径减小在增加放散流动阻力的同时又增加了比表面积。所以对于正向负向2 方面竞相作用的研究应该进一步加深。

3）不同种类的煤样的极限粒径的具体数值还有待确定，以及刘彦伟提出的原始粒径的数值也有待研究。

4）对于煤样粒径越小瓦斯放散初速度越快的2个原因：①阻力减小目前没有争议；②粒径越小的煤样的孔隙表面积和孔容变化，从而引起瓦斯浓度变化。但是具体是由于水分的影响、微孔比表面积变化还是其他原因影响有待研究。

5）部分学者在探究瓦斯放散初速度与粒径的关系时，只有4～7 个数据，准确性有待提高。且得出相应的关系式后，没有详细的分析说明原因。

6）随着水分含量的增加，会存在1 个极限水分值，不同煤种的极限水分值不同，相同的水分值对不同的煤样瓦斯放散初速度的影响程度不同，这些方面都是需要进一步详细研究的。

7）目前对于水分对瓦斯放散初速度的研究主要问题是煤种类不够全面、水分含量区间局限、数据数量不够充分。

5 改进和展望

煤与瓦斯的实际突出最小压力0.74 MPa，放散空间为常压，而在瓦斯放散初速度实验中，瓦斯在压力为0.1 MPa 下吸附，向真空空间放散。前者会更加接近实际情况，曹垚林[41]对瓦斯放散初速度指标测定过程中的吸附压力做了分析，提出采用突出压力吸附向常压空间放散得到的放散指标更加准确。有一部分的突出矿井在突出后的10 s 内已经突出了大部分瓦斯，10 s 后的瓦斯突出量较少。因此，瓦斯放散初速度在按照规定取10～60 s 时会出现误判。如采用0～60 s 时间段内瓦斯突出指标会更加准确，富向[42]也对测量0～60 s 内瓦斯的放散量的新指标进行了探索。在瓦斯放散初速度的测量中并没有对煤样的水分含量、温度、变质程度等其他影响因素作出规定，但是这些因素会严重影响到测量结果。

关于单个因素对瓦斯放散初速度实验研究提出几点思考：

1）在研究单个影响因素对瓦斯放散初速度的研究过程中数据太少，准确性和完整性有待提高。何永胜[43]做了瓦斯放散初速度与瓦斯压力、比表面积、坚固性系数、原始瓦斯含量之间的耦合关系公式，程波等[44]通过实验拟合出瓦斯放散初速度与孔隙率、坚固性系数之间的3 种耦合方程；杨萌萌提出了将瓦斯放散初速度与煤的吸附解吸特性、渗透率、瓦斯的初始膨胀能等进行综合研究的思路。在实际情况中，往往是温度、水分、孔隙结构、粒径和其他影响条件对瓦斯放散的综合影响，所以研究多种因素对瓦斯放散初速度的耦合影响非常重要，多种影响因素对于瓦斯放散初速度的耦合作用是研究的方向和趋势。

2）在分析内外因素对瓦斯放散初速度的影响过程中，多从瓦斯吸附量与瓦斯放散初速度之间的关系角度来推导，但是关于具体的瓦斯吸附量与瓦斯放散初速度之间相关性还有待研究。

3）瓦斯放散初速度与其他突出预测参数之间的关系有待探究，如果可以找到他们之间的关系，会对瓦斯突出预测具有重要意义，例如瓦斯放散初速度和坚固性系数之间关系有待研究。

6 结 语

1）介绍了煤与瓦斯突出事故的危害，从煤变质程度、充气压力、温度、孔隙结构、粒径、水分、外加声波、外加电场等单因素分析其对瓦斯放散初速度的影响。

2）总结了瓦斯放散初速度指标在吸附压力和测定放散时间区间方面的不足，及更加准确的改进措施，但是存在重新探究临界值和推广适用性的问题。

3）总结目前多因素耦合作用对瓦斯放散初速度初速度影响研究，概括了学者们对于各个因素和指标之间相互作用影响的研究方向。对未来的瓦斯放散初速度的发展趋势进行了展望，提出压力、温度、水分、粒径等多因素耦合作用是瓦斯放散初速度的研究方向和趋势。