低阶、中阶和高阶煤的瓦斯放散能力及规律实验研究

庞晶镭，孙 赫，刘卫伟，任桂林，刘佳欣

（1.陕西澄合百良旭升煤炭有限责任公司，陕西 渭南 715300；2.中煤科工集团 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）

煤粒的瓦斯放散能力是煤的固有性质，在促进煤与瓦斯突出的发生、发展过程中具有决定性的作用。煤的瓦斯放散能力越强，往往会导致发生煤与瓦斯突出事故的初期形成运动能力强且夹杂着煤体的瓦斯流，灾害程度明显增大。目前，我国煤与瓦斯突出矿井突出危险性区域预测常用△P 指标，突出危险性局部预测常用钻屑瓦斯解吸指标K1、△h2、钻孔瓦斯涌出初速度指标q 和炮掘面V30指标，这些指标均是表征不同时间段煤粒的瓦斯放散能力大小，对于预测煤与瓦斯突出危险性具有显著意义。不同的煤层由于成煤的原始物质和堆积环境的不同，造成了煤层的岩石组成也不同，各种煤岩组成在煤化过程中物理力学性质和化学性质也发生了变化，形成了不同的煤种，即煤粒的瓦斯放散能力也会随着煤变质程度的加深而发生变化，煤粒的瓦斯放散能力也会发生变化。能够反映煤化程度的指标很多，例如干燥无灰基挥发分Vdaf、碳含量、氢含量、发热量、镜质组反射率等，当前，国内学者通常使用干燥无灰基挥发分Vdaf来代表煤化程度，这是因为干燥无灰基挥发分Vdaf与煤化程度具有显著的关联性，干燥无灰基挥发分Vdaf能较好的反映煤化程度，国内也有完善的标准来指导测试工作[4]。据煤的挥发分大小可初步判断煤的煤化程度，计煤的种类，中国和国际煤炭分类方案中都以挥发分Vdaf作为第一分类指标，见表1。

表1 一些国家煤炭分类指标Table 1 Coal classification indexes of some countries

本文中根据煤的挥发分产率将煤分为8 类，随着煤化程度的加深分别为褐煤、长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤及无烟煤，分类方案见表2。

表2 煤种分类Table 2 Coal classification table

目前，根据国内煤与瓦斯突出事故统计，褐煤从开采至今并未发生过煤与瓦斯突出事故，其余煤种都发生了事故，表3 列举了我国突出严重矿区的煤种分布，从中可以看出，突出严重的矿区主要开采的是高阶煤，包括贫瘦煤和无烟煤。相对于高阶煤，我国分布的低阶煤矿区中突出矿井的分布较小，因此有必要研究随着煤化程度的加深，瓦斯放散能力的变化规律。

表3 突出矿区煤种分布特征Table 3 Distribution characteristics of coal types in outburst mining area

1 实验系统及实验方案

1.1 实验系统

此次试验主要是对随着变质程度加深，不同煤种的瓦斯散出能力是否变大进行验证。实验选用的装置是WFC-2 型瓦斯放散初速度测定，该仪器能在0.1 MPa 压力下吸附瓦斯，然后向真空空间释放瓦斯，并考察煤样的瓦斯放散能力，实验原理图如图1 所示。

图1 瓦斯放散初速度指标测定仪原理示意Fig.1 Principle of gas emission initial velocity index measuring instrument

1.2 实验方案

此次实验的原理是测定煤样（粒径介于0.2～0.25 mm）在0.1 MPa 压力下吸附瓦斯达到饱和状态，然后向固定真空空间里释放瓦斯，记录煤样在0～60 s 的放散量P60[2]，用P60（mmHg）表示的0～60 s 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，该指标描述煤样自身在0～60 s 的瓦斯放散量。测定流程如图2所示。

图2 瓦斯放散量指标P60 测定流程Fig.2 Flowchart of gas emission index P60 determination

1.3 实验数据

1.3.1 褐 煤

从上述实验数据（表4）可以看出，褐煤的瓦斯放散量最大值为46 mmHg，最小值为26 mmHg，平均值为33 mmHg。

表4 褐煤的瓦斯放散数据Table 4 Gas emission data of lignite

1.3.2 长焰煤

从上述实验数据（表5）可以看出，长焰煤的瓦斯放散量最大值为90 mmHg，最小值为23 mmHg，平均值为57 mmHg，长焰煤的瓦斯放散能力高于褐煤的瓦斯放散能力，在低阶煤种的实验结果中发现长焰煤的瓦斯放散能力最大。

表5 长焰煤的瓦斯放散数据Table 5 Gas emission data of long flame coal

1.3.3 气煤

从上述实验数据（表6）可以看出，气煤的瓦斯放散量最大值为37 mmHg，最小值为19 mmHg，平均值为28 mmHg。气煤的瓦斯放散能力小于褐煤和长焰煤。

表6 气煤的瓦斯放散数据Table 6 Gas emission data of gas coal

1.3.4 肥煤

从上述实验数据（表7）可以看出，肥煤的瓦斯放散量最大值为63 mmHg，最小值为30 mmHg，平均值为48 mmHg，在低阶煤中肥煤的瓦斯放散能力低于长焰煤，高于褐煤和气煤的瓦斯放散能力。

表7 肥煤的瓦斯放散数据Table 7 Gas emission data of fat coal

1.3.5 山西焦煤

从上述实验数据（表8）可以看出，山西矿区焦煤的瓦斯放散量最大值为26 mmHg，最小值为11 mmHg，平均值为18 mmHg。对数据分析可得，山西矿区焦煤的瓦斯放散能力明显小于低阶煤（褐煤、长焰煤、气煤和肥煤）的瓦斯放散能力，山西焦煤在各种煤阶煤中瓦斯放散能力最差。

表8 山西矿区焦煤的瓦斯放散数据Table 8 Gas emission data of coking coal in Shanxi mining area

1.3.6 贵州焦煤

从上述实验数据（表9）可以看出，贵州矿区焦煤的瓦斯放散量最大值为98 mmHg，最小值为26 mmHg，平均值为54 mmHg。贵州矿区焦煤与山西矿区的焦煤虽然煤种相同，理论上差别不大，但是实测发现瓦斯放散能力明显增大，贵州焦煤矿区（包括盘县和威宁矿区）的煤与瓦斯突出危险性事故多发，也更加印证了实验结果的准确性。

表9 贵州矿区焦煤的瓦斯放散数据Table 9 Gas emission data of coking coal in Guizhou mining area

通过对气煤和焦煤（除贵州盘县和威宁矿区焦煤产区）的瓦斯放散数据（表6～表8）进行分析，并不是理论上的差别不大，实测后可以发现两者瓦斯放散能力均较差，如果坚持参考△P 指标进行突出危险性鉴定，会导致鉴定结论误判现象的发生，因为也有极个别△P数值小的矿井发生了煤与瓦斯突出事故（表10 所列）。可以看出气煤和焦煤（除贵州盘县和威宁矿区焦煤产区）的△P 数值较小，放散能力较差，进行煤与瓦斯突出危险性预测时敏感性较差，建议对这两个煤种进行煤与瓦斯突出危险性鉴定时忽略△P 指标。

表10 低阶煤突出矿井低瓦斯放散初速度数据表Table 10 Data table of initial velocity of lowgas emission in lowrank coal outburst mine

1.3.7 贫瘦煤

从上面数据（表11）可以看出，贫瘦煤的最大瓦斯放散量为108 mmHg，最小值为11 mmHg，平均值为70 mmHg，最大值和最小值相差9.8 倍。不论是不同矿区还是同一矿区的贫瘦煤的瓦斯放散能力差异性都很大；也说明了当煤的变质程度从低阶煤加深到高阶煤以后，最大瓦斯放散量明显增大。从表11 可以看出，贫煤的最大瓦斯放散量明显高于表4～表10 煤中的最大瓦斯放散量。

表11 贫瘦煤的瓦斯放散数据Table 11 Gas emission data of lean coal

1.3.8 无烟煤

从上述实验数据（表12）看出，无烟煤理论上瓦斯含量较大，瓦斯放散能力应该更强。实测后发现无烟煤的瓦斯放散量最大值为138 mmHg，最小值为9 mmHg，最大值与最小值相差15 倍，平均值为45 mmHg，煤的瓦斯放散能力变化范围较大。无烟煤与贫瘦煤均属于高阶煤，煤种接近，瓦斯放散能力也相近。

表12 无烟煤的瓦斯放散数据Table 12 Gas emission data of anthracite

1.4 数据分析

通过对图3 中的数据进行分析，在低阶煤中长焰煤、肥煤与褐煤、气煤相比，瓦斯放散量明显增加，当煤化程度加深到焦煤以后，瓦斯放散量又有明显降低，可以看出瓦斯放散性并不是线性增加，例如贵州焦煤产区（盘县和威宁矿区）煤的变质程度不高，但是瓦斯放散能力较强，煤与瓦斯突出事故多发，灾害较严重。总的来说，高阶煤瓦斯散射能力明显比低阶煤强，瓦斯散射能力的改变也较大，这是因为煤质差异与不均质性因素的影响。

图3 不同煤种瓦斯放散性散点图Fig.3 Scatter plot of gas emission of different coal types

国内一些专家、学者对煤的瓦斯放散性与煤变质程度之间的关系进行了大量的研究，尝试联立公式找到二者的关系，例如基于煤的挥发分含量大小联立了瓦斯放散能力经验公式，本文也对挥发分与瓦斯放散能力的关联性进行了验证，可以发现挥发分与瓦斯放散能力之间并无单值联系，但总体有一个趋势，即保证吸附压力（0.1 MPa）一定的前提下，煤的瓦斯放散量随煤的变质程度提高（挥发分减少）而增大。

2 结 论

（1）低阶煤中褐煤、气煤、焦煤、长焰煤和肥煤的放散能力有依次增大的趋势，长焰煤和肥煤的放散能力明显高于褐煤、气煤和焦煤。贵州盘县和威宁县焦煤产区的瓦斯放散能力要明显高于山西焦煤产区。

（2）贫瘦煤、无烟煤等高阶煤的瓦斯放散能力明显高于低阶煤，高阶煤的瓦斯放散量最大值与最小值相差15 倍，瓦斯放散能力差异性大。

（3）通过实验对挥发分与瓦斯放散能力的关联性进行了验证，可以发现挥发分与瓦斯放散能力之间并无单值联系，但总体有一个趋势，即保证吸附压力一定的前提下，煤的瓦斯放散量随煤的变质程度提高（挥发分减少）而增大。

（4）通过对气煤和焦煤（除贵州盘县和威宁矿区焦煤产区）的瓦斯放散数据进行分析，可以发现瓦斯放散能力均较差，如果坚持参考△P 指标进行突出危险性鉴定，会导致鉴定结论误判现象的发生，因为也有极个别△P 数值小的矿井发生了煤与瓦斯突出事故。可以看出气煤和焦煤（除贵州盘县和威宁矿区焦煤产区）的△P 数值较小，放散能力较差，进行煤与瓦斯突出危险性预测时敏感性较差，建议对这两个煤种进行煤与瓦斯突出危险性鉴定时忽略△P指标。