不同煤阶区域预测瓦斯含量临界值的实验研究及应用

摘 要

不同煤阶区域预测瓦斯含量临界值的实验研究及应用 　　——以安阳矿区龙山矿无烟煤和大众矿贫煤为例摘　要：为了提高对瓦斯突出区域预测的准确性，确定合理的瓦

不同煤阶区域预测瓦斯含量临界值的实验研究及应用

     　　——以安阳矿区龙山矿无烟煤和大众矿贫煤为例

摘　要：为了提高对瓦斯突出区域预测的准确性，确定合理的瓦斯含量临界值，分析了不同煤阶煤的吸附特征，搭建了具有温控功能的大质量煤样瓦斯吸附解吸实验系统。实验分析了瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标的相互关系，确定出了不同煤阶瓦斯含量临界值。结果表明：①煤的变质程度越高，煤吸附甲烷的能力越强，区域预测瓦斯含量临界值就越高；②龙山矿无烟煤吸附常数(a)值为43.224～45.013m3／t，瓦斯压力为0.74MPa时对应的瓦斯含量最低为10.9m3／t，Dh2为200Pa对应的瓦斯含量最低为l0.8m3／t，确定其瓦斯含量临界值为l0.0m3／t；③大众矿贫煤a值为30.813～33.85m3／t，瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量最低为9.04m3／t，Dh2为200 Pa对应的瓦斯含量最低为9.3m3／t，考虑到该矿煤质松软，确定其临界值为8.0m3／t。现场跟踪考察结果表明，所确定的瓦斯含量临界值安全可靠，该研究成果可为其他类似矿区提供借鉴。

关键词：瓦斯含量临界值  区域预测  煤与瓦斯突出  瓦斯压力  钻屑瓦斯解吸指标  构造煤

An experimental study of methane gas critical value achieved by regional prediction at mining areas with different coal ranks：Case studies of Longshan anthracite coals and Dazhong lean coal in the Anyang mining area，northern Henan

province，China

Abstract：In order to improve the accuracy of regional prediction and determine the critical value of reasonable methane gas content，the adsorDtion characteristics of different rank coals were studied，and an experimental system for efficient methane gas adsorption-desorption of large-mass coal samples with temperature control function was developed，the relationships between gas content，gas pressure and the index of drill cuttings absorption and release(Dh2)were studied，and the critical values of methane gas content of different rank coals were thus determined．The foilowing resuhs were achieved．(1)The higher the coal rank，the stronger the coal's adsorption ability，and the higher the gas content critical value will be．(2) The adsorption constants a of Longshan anthracite coals are 43.224-45.013m3／t，and the minimum gas content is l0.9m3／t when Dh2 is 0.74MPa and l0.8m3／t when Dh2 is 200MPa，from which the critical value of gas content is determined to be l0.0m3／t．(3)The adsorption constants a of Dazhong lean coals are 30.813-33.85m3／t，and the minimum gas content is 9.04m3／t when Dh2 is 0.74MPa and 9.3m3／t when Dh2 is 200MPa，from which the critical value of gas content is determined to be 8.0m3／t with the soft coal seams there taken into account as well．Site tracking inspection results show that the gas content critical values determined in the two case studies are reliable and the study results can provide a reference for other similar coal mines．

Key words：gas content critical value，regional prediction，coal and gas outburst，gas pressure，drill cuttings absorption and release，tectonic coal

煤层瓦斯含量常用作突出区域预测和区域防突措施效果检验指标，准确确定其临界值，对于提高突出区域预测的准确性和区域防突措施效果检验的可靠性具有重要意义。《防治煤与瓦斯突出规定》要求各突出矿井应根据自身的煤层条件对瓦斯含量临界值进行试验考察，在考察前可按照参考临界值8.0m3/t八进行效果检验[1]。目前，我国大部分突出矿井未通过专项考察确定适合自己矿井的瓦斯含量临界值，把其统一定为8.0m3／t，给防突工作带来一定的安全隐患[2]。对于低变质程度煤层，如淮南矿区煤质为气肥煤，变质程度较低，煤的吸附能力较差，在瓦斯含量为6.0m3／t时，就发生了煤与瓦斯突出动力现象；对于变质程度较高的煤层，如焦作矿区煤质为无烟煤，煤的吸附较强，在瓦斯含量低于l0.0m3／t时，从未发生过煤与瓦斯突出事故。因此确定不同变质程度煤层的瓦斯含量临界值就显得特别重要，如果临界值定得过高，会导致低指标突出事故，给煤矿安全生产带来极大的隐患；如果定得过低，会增加防突工程量和消突周期，加剧采掘接替紧张的局面[3-4]。

在瓦斯含量临界值研究方面，前苏联将瓦斯含量小于l0.0m3／t的煤层划分为无突出危险煤层，瓦斯含量为10.0～15.0m3／t的煤层町能是突出危险煤层，大于l5.0m3／t的煤层为突出危险煤层[5]澳大利亚将可解吸瓦斯含量作为瓦斯防治效果检验的标准，一般定为5.0～6.0m3／t[6-8]。部分矿区将瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量作为其临界值[9-10]。瓦斯含量临界值的确定方法还没有进行过系统的研究。笔者以安阳矿区龙山矿无烟煤和大众矿贫煤为例，搭建了实验平台，研究了瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标的相互关系，确定了不同变质程度煤层的瓦斯含量临界值，研究成果可为其他矿区提供借鉴作用。

1　实验系统及方法

1．1　瓦斯吸附解吸实验系统的研制

瓦斯含量和瓦斯压力具有一定的对廊关系，钻屑瓦斯解吸指标Dh2在煤体结构特征变化不大的情况下，反映了煤层瓦斯含量和瓦斯压力的大小[11-12]。实验研究瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标的关系，可以从瓦斯含量角度反映工作面的突出危险性。为了保障实验精度，在前人吸附解吸实验系统的基础上，做出以下改进：①煤样的吸附解吸过程处于恒温条件下，避免温度的影响；②采用可装入1000g的大质量煤样罐，减小实验误差。

该实验系统依据《煤的高压等温吸附试验方法》(GB／Tl9560-2008)在实验窒自行加工完成。整个实验系统可以同时进行3个煤样的瓦斯吸附——解吸实验，其原理如图1所示。

 

整套实验系统由脱气单元、充气单元、温度控制单元和解吸单元4部分组成。脱气单元用于对整个系统抽真空，由真空表6和真空泵7组成。充气单元主要用于向整个系统充气，由高压甲烷气瓶3和充气罐4组成。温度控制单元用来保证实验过程的温度恒定，由恒温水箱和超级恒温器组成。瓦斯吸附——解吸单元南煤样罐和解吸仪组成，用于研究煤样的吸附解吸规律。

1．2　实验方法

1．2．1煤样制备

煤的吸附常数a值为单位质量煤的极限吸附量，吸附常数b值是反映煤吸附瓦斯快慢的一个指标，通常用a值和b值表征煤的吸附能力。将采集的煤样取出一部分测试煤的坚固性系数(f)值、瓦斯放散初速度DP和煤的吸附常数a、b值等参数。将剩余煤样粉碎，筛选出粒径为0.18～0.25mm的煤样装入磨口瓶中密封加签备用，每份煤样质量不少于1500g。

1．2．2真空脱气和充气

按照《煤的高压等温吸附试验方法》(GB／T19560-2008)的方法检验实验系统的气密性，并标定自由空间体积。然后对整个系统进行脱气，脱气时间不小于12h，直到真空表显示系统中真空度在20Pa达2h以上停止脱气。脱气结束后，调整恒温水浴温度为30℃，拧开高压瓦斯钢瓶阀门向充气罐充气，利用充气罐向煤样罐充气，吸附平衡时间在12h以上，待压力表读书保持恒定2h，充气结束，记录充气压力 (p)。平衡压力分别设置为0.35MPa、0.5MPa、0.75MPa、1.0MPa和1.5MPa。

1．2．3吸附解吸实验

按照图1将真空气袋和解吸仪连接好，先打开连接真空气袋的阀门，使煤样罐内的游离瓦斯先进人真空气袋，当煤样罐的压力指示值为零时，迅速关闭连接真空气袋的阀门，打开连接解吸仪的阀门，开始解吸，同时按下秒表开始计时；读数间隔时间第一分钟内每5S读1次数，以后时间间隔逐渐增大，持续观察l20min，直到不再解吸瓦斯为止。解吸完毕后，测试煤样的残存瓦斯含量。

2　实验结果及分析

2．1　煤样的采集及煤体结构参数测试

龙山矿和大众矿均为突出矿井，在龙山矿同时具有软硬煤的地点采集了4组煤样；大众矿煤质较软，采集了4组软煤煤样，测试煤的坚固性系数f值和瓦斯放散初速度DP。煤样采集信息及煤体结构参数见表1。

 

从井下观测和煤体结构参数测试结果来看，龙山矿煤质总体较硬，局部构造带附近发育一层软煤；大众矿构造煤普遍发育，在相同的瓦斯压力情况发生突出的可能性更大。从龙山矿软硬煤瓦斯放散初速度测试结果对比分析来看，软煤具有更快的放散速度。

2．2　不同煤阶煤的吸附特征

采用WY-98B型全自动瓦斯吸附常数测定仪，测定了龙山矿和大众矿的吸附常数a、b值和挥发分等参数，测试结果见表2。

 

从表2可以看出，龙山矿无烟煤的挥发分为6.21％～6.85％，吸附常数以值为43.224～45.013m3／t，平均为44.07m3／t；大众矿贫煤的挥发分为11.25％～l2.79％，吸附常数“值为30.813～33.85m3／t，平均为32.68m3／t。从吸附常数a值测试结果可以看出，无烟煤与贫煤相比，具有更强的吸附能力。b值反映了煤吸附快慢的能力，从b值测试结果来看，龙山矿吸附常数b值为l.295～1.640Mpa-l，大众矿b值为0.897～1.30Mpa-1，反映了高煤阶煤层具有更快的吸附速度。从龙山矿软硬煤的吸附常数以值对比分析来看，软煤的吸附能力稍高于硬煤。

瓦斯压力0.74MPa作为区域防突措施考察的临界值，取得了较好的应用效果。利用测试的吸附常数数据，按照朗格缪尔方程间接计算了瓦斯压力0.74MPa的瓦斯含量，见表2。从该表可以看出，龙山矿无烟煤0.74MPa瓦斯压力对应的瓦斯含量为l2.63～13.89m3／t，平均为l3.54m3／t；大众矿贫煤对应的瓦斯含量为9.58～11.39m3／t，平均为l0.18m3／t，反

映了在相同的瓦斯压力条件F，高煤阶煤层能够吸附更多的瓦斯，具有更高的瓦斯含量。

2．3　瓦斯含量和瓦斯压力关系实验分析

煤层瓦斯含量和瓦斯压力的关系总体上满足朗格缪尔方程，但是由于该方程属单分子层吸附模型，且煤吸附甲烷受到温度、水分、灰分等因素的影响，仪靠朗格缪尔方程计算瓦斯含量和瓦斯压力的相互关系，存在着较大的误差，为此采用实验方法研究其相瓦关系。利用图1的实验系统，在30℃的恒温条件下，向煤样注入不同压力的甲烷气体，待其吸附平衡后，进行解吸试验，研究不同平衡压力煤样的解吸特征。解吸完毕后，测试煤样的残存瓦斯含量。煤样的瓦斯解吸量和残存瓦斯含量之和就为该平衡压力下的瓦斯含量。由此可得同一煤样在不同平衡压力条件下的瓦斯含量，并能够绘制瓦斯含量和瓦斯压力的拟合曲线。图2、3为龙山矿和大众矿煤样瓦斯含量和瓦斯压力的关系曲线。

 

 

从实验结果可以看出，瓦斯压力和瓦斯含量具有指数关系，对图2、3的瓦斯含量和瓦斯压力数据拟合分析，可得出瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量(表3)。从该表可以看出，龙山矿无烟煤瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量为l0.9～12.6m3／t，平均为11.58m3／t；大众矿贫煤对应的瓦斯含量为9.04～10.7m3／t，平均为9.76m3／t。从实验结果可以认为，龙山矿瓦斯含量在10.9m3／t就有可能具有突出危险性；而大众矿瓦斯含量在9.04m3／t就可能发生突出。

 

2．4　瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标关系

图4为Xll064煤样不同平衡压力的解吸曲线，从该图可以看出，随着平衡压力的增加，煤样的解吸量明显增大，解吸速度会随时间逐渐放缓。

 

钻屑瓦斯解吸指标Ah。表示在卸除平衡压力后，10g煤样第3～5 min内的瓦斯解吸量。利用下式可以测试钻屑瓦斯解吸指标Dh2值：

Dh2 = 10Q3～5/0.083               (1)

式中Q3～5为3～5min时间段内的瓦斯解吸量，mL／g。

由煤样的解吸数据可以研究任意时刻Dh2和瓦斯含量的关系，方法如下：①由解吸试验可以获得t时刻后3～5min时间段内的瓦斯解吸量，按照式(1)可以计算出t时刻的Dh2；②由t时刻后的瓦斯解吸量和残存瓦斯含量可以获得不同时刻煤样的瓦斯含量。表4为龙山矿和大众矿瓦斯含量和钻屑解吸指标Dh2的拟合结果。

 

从表4可以看出，龙山矿无烟煤Dh2为200 Pa对应的瓦斯含量为10.8～14.0m3／t，平均为l2.4m3／t；大众矿贫煤对应的瓦斯含量为9.3～10.4m3／t，平均为9.9m3／t。从实验结果来看，龙山矿瓦斯含量在10.8m3／t就有百丁能具有突出危险性；而大众矿瓦斯含量在9．3m3／t就可能发生突出。

2．5　瓦斯含量临界值的确定

在煤的吸附特性研究的基础上，综合分析瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标Dh2的关系，考虑构造煤的发育情况，增加一定的安全系数，确定龙山矿无烟煤的瓦斯含量临界值为l0.0m3／t，大众矿的瓦斯含量临界值为8.0m3／t。主要依据如下：

1)龙山矿煤质为无烟煤，挥发分为6.21％～6.85％，吸附常数a值为43.224～45.013m3／t，平均为44.07m3／t；大众矿贫煤的挥发分为11.25％～12.79％，吸附常数以值为30.813～33.85m3／t，平均为32.68m3／t。龙山矿无烟煤具有更强的吸附能力。

2)按照朗格缪尔方程间接计算了瓦斯压力0.74MPa的瓦斯含量，龙山矿无烟煤0.74MPa瓦斯压力对应的瓦斯含量为l2.63～13.89m3／t，最低为l2.63m3／t；大众矿贫煤对应的瓦斯含量为9.58～11.39m3／t，最低为9.58m3／t。

3)实验室研究了瓦斯含量和瓦斯压力的相互关系，龙山矿无烟煤瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量为l0.9～12.6m3／t，最低为l0.9m3／t；大众矿贫煤对应的瓦斯含量为9.04～10.7m3／t，最低为9.04m3／t。

4)实验室研究了瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标Ah。的关系，龙山矿无烟煤Dh2为200Pa对应的瓦斯含量为10.8～14.0m3／t，最低为l0.8m3／t；大众矿贫煤对应的瓦斯含量为9.3～10.4m3／t，最低为9.3m3／t。

5)从井下观测和煤体结构参数测试结果来看，龙山矿煤质总体较硬，仅局部构造带附近发育一层软煤；大众矿构造煤普遍发育，在相同的瓦斯压力情况发生突出的可能性更大。

3　生产验证

在龙山矿和大众矿煤巷掘进过程中，跟踪测试了瓦斯含量和工作面预测指标，并观测了施工钻孔过程中的动力现象，以便对确定的瓦斯含量临界值进行生产验证。

龙山矿跟踪测试了l4组瓦斯含量和工作面预测指标Dh2、qmax值和Smax值，仅有3组数据预测指标超标，对应的瓦斯含量为ll.82m3／t、l8.93m3／t和22.12m3／t，表明当瓦斯含量大于ll.82m3／t时，试验地点具有突出危险。当瓦斯含量小于10.0m3／t时，预测指标无超标现象，钻孔施工过程未出现动力现象，表明瓦斯含量临界值定为10.0m3／t是可靠的。

大众矿在跟踪测试瓦斯含量和工作面预测指标Dh2、qmax值和Smax值的过程中，有3组数据发生了不同程度的喷孔现象，测试的瓦斯含量分别为l0.26m3／t、9.38m3／t和10.51m3／t，表明当瓦斯含量大于9.38m3／t就具有突出危险性。测试的瓦斯含量最低为9.23m3／t时，就发生了工作面预测指标超标现象。当瓦斯含量小于8.0m3／t时，未发生动力现象和预测指标超标现象，表明大众矿瓦斯含量临界值定为8.0m3／t是可靠的。

4　结论

1)制订了瓦斯含量临界值的确定方法，即在煤吸附特性研究的基础上，间接计算瓦斯压力为0.74MPa对应的瓦斯含量，试验研究瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标Dh2的关系，分析瓦斯压力0.74MPa和Dh2为200Pa的瓦斯含量，在考虑构造煤发育的基础上确定瓦斯含量临界值。

2)龙山矿煤质为无烟煤，挥发分为6.21％～6.85％，吸附常数a值为43.224～45.0l3m3／t，间接计算0.74MPa瓦斯压力对应的瓦斯含量为l2.63～13.89m3／t；试验研究该矿瓦斯含量、瓦斯压力和Dh2的关系，考虑到该矿煤质较硬，确定其瓦斯含量临界值为10.0m3／t。

3)大众矿贫煤的挥发分为ll.25％～l2.79％，吸附常数a值为30.813～33.850m3／t，0.74MPa瓦斯压力对应的瓦斯含量为9.58～ll.39m3／t，试验研究该矿瓦斯含量、瓦斯压力和Dh2的关系，考虑到该矿煤质松软，确定其瓦斯含量临界值为8.0m3／t。

4)影响瓦斯含量临界值的主要冈素是煤的变质程度，煤的变质程度越高，煤吸附甲烷的能力越强，区域预测瓦斯含量临界值越高。

 

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本文作者：孙丽娟  聂百胜  郝富昌

作者单位：中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室

  中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院

  河南理工大学·河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点

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