煤的微观结构对瓦斯放散特性的影响研究

王月红，陈庆亚

(河北联合大学，河北 唐山 063009)

0 引言

煤是由植物遗体经过复杂的生物化学、物理化学作用转变而成的，在经过变质作用，褐煤变为烟煤至无烟煤，而腐泥煤变质程度不断增高[3]。煤是一种无序的非均质孔隙介质[4]。煤中的孔隙从纳米级到毫米级均有分布。煤层的孔隙性是煤层储集层最根本的特征[5-6]。

为了研究瓦斯突出的影响因素，从全国范围内有选择性地采集了不同变质程度的典型煤样，进行了各种实验得出煤的微观结构对瓦斯放散特性的影响，得出了相关的结论：挥发分是衡量煤的变质程度的指标之一，挥发分含量越大，瓦斯放散初速度越小，越不容易发生瓦斯突出；随着碳氢比的增加，瓦斯放散初速度呈指数式增长，对瓦斯突出的影响起着重要作用；在不同变质程度的煤中，中孔的百分含量较少，对瓦斯突出的影响不大。大孔、过渡孔、微孔百分含量较多，对瓦斯突出的影响起着主导作用。

1 瓦斯放散特性的影响因素研究

影响瓦斯放散特性的因素有很多，故用工业分析参数、元素分析参数、显微结构、孔隙结构和瓦斯放散初速度进行对比分析，得出对瓦斯突出的影响因素。

1.1 实验设备及目的

瓦斯放散特性实验采用的是WFC-2型瓦斯放散初速度测定仪。实验对所采煤样进行瓦斯放散特性实验，测得瓦斯放散初速度ΔP，可以根据其大小来判断出瓦斯突出程度。

煤的瓦斯放散初速度指标是煤自身的煤质指标之一，表征了煤的微观结构。它不仅反映了煤的放散瓦斯能力，还反映出瓦斯渗透流动的规律，在突出区域预测中起着重要的作用。突出煤体处于原始高压瓦斯吸附饱和状态时，积蓄着高压瓦斯潜能。当外力的作用突然揭开煤层时，煤体内大量瓦斯在压力梯度的作用下，短时间内从煤内部高压区向采掘空间低压区放散出来，瓦斯潜能得到释放。煤的这种放散瓦斯的能力大小与突出的发生有直接的关系。

通过瓦斯放散初速度的实验测定得出瓦斯放散初速度，通过分析实验指标来得出影响瓦斯突出的因素。

表1 瓦斯放散初速度数据

1.2 瓦斯放散特性的影响因素

1.2.1 工业分析参数对瓦斯放散初速度的影响

1) 水分Mad对ΔP的影响

图1 水分与ΔP的关系

从上图中可以知道随着水分的增加，瓦斯放散初速度不断减小。通过线性回归得出水分与瓦斯放散初速度大致呈线性关系，线性方程为：

y=-2.3837x+13.526

(1)

1#煤样可能由于煤样自身赋存瓦斯量大导致瓦斯放散初速度较大，煤样点离曲线较远。

2) 挥发分Vad对ΔP的影响

图2 挥发分与ΔP的关系

从上图中可以看出随着煤的挥发分的增加，煤的瓦斯放散初速度大体呈减小趋势，经过线性回归可得出挥发分对瓦斯放散初速度呈指数式关系，方程如下：

y=30.871e-0.047xr2=0.5241

(2)

挥发分越小，瓦斯放散初速度越大，越容易引起瓦斯突出，因为7#煤样自身的赋存状况导致点距曲线较远。

3) 灰分Aad对ΔP的影响

图3 灰分与ΔP的关系

从上图中可以看出随着煤样灰分的增加，煤的瓦斯放散初速度先减小后增大。经过线性回归得出灰分对瓦斯放散初速度的影响呈二次曲线关系，线性方程：

y=0.1463x2-3.2259x+23.953

(3)

当灰分大于10时，随着灰分的增加，瓦斯突出危险倾向性就越大，越容易引起瓦斯突出。

1.2.2 元素分析参数对瓦斯放散初速度的影响

随着煤的变质程度的增加，碳氢元素的变化较明显，故使用碳氢比和瓦斯放散初速度进行对比。

图4 碳氢比与ΔP的关系

煤样编号1#2#3#4#5#6#7#碳氢比(C/H)28.23419.55819.17915.8416.06916.29618.021煤样编号8#9#10#11#12#13#14#碳氢比(C/H)16.40015.74115.34615.27313.70016.07214.253

从上图中可以看出随着碳氢比的增加，瓦斯放散初速度也增加，经过线性回归得出碳氢比与瓦斯放散初速度呈指数关系，其指数方程：

y=1.4699e0.0981xr2=0.4432

(4)

瓦斯放散初速度随着碳氢比的变化较大，对瓦斯突出起重要作用。

1.2.3 煤的显微结构对瓦斯放散初速度的影响

煤的岩相组分中镜质组和惰质组含量占组分中的大多数，所以主要研究镜质组和惰质组对瓦斯放散初速度的影响。

1) 镜质组含量对ΔP的影响

图5 镜质组含量与ΔP的关系

从上图可以看出随着镜质组含量的增大，瓦斯放散初速度先增加后减少，经过线性回归得出，镜质组含量与瓦斯放散初速度大体呈现二次曲线的关系，其公式为：

y=-0.0052x2+0.7577x-19.462

(5)

可能因为煤样中所含均质镜质体和基质镜质体的含量不同或者是实验误差原因，使得部分煤样点离趋势线较远。

2) 惰质组中半丝质体含量对ΔP的影响

由于在惰质组中，半丝质体含量占大多数，更加容易进行影响性分析，故用半丝质体含量与瓦斯放散初速度进行分析。

图6 半丝质体含量与ΔP的关系

从上图可以看出半丝质体含量对瓦斯放散初速度的影响大体呈二次曲线式，但是曲线趋于平缓，煤样点较分散，对瓦斯放散初速度影响不大，故对瓦斯突出的影响也不大。

1.2.4 煤的孔隙结构对瓦斯放散初速度的影响

目前，对煤中孔隙的分类，还很不统一，一般采用XoдoT的划分方法，将孔分为四个级别：大孔(>1000 nm)、中孔(100 nm～1000 nm)、过渡孔(10 nm～100 nm)、微孔(<10nm)[7-8]。

1) 大孔含量对ΔP的影响

随着大孔的比重增加，瓦斯放散初速度减小，经过线性回归得出煤的瓦斯放散初速度呈指数式关系，指数方程为：

y=21.616e-0.0282xr2=0.3656

(6)

图7 大孔含量与ΔP的关系

煤的瓦斯放散初速度随着大孔所占的体积数的增加而减少，可见大孔所占的体积数对于瓦斯放散初速度的影响起主导作用，可能由于煤样自身的赋存瓦斯量大导致有些煤样点离曲线较远。

2) 中孔含量对ΔP的影响

图8 中孔含量与ΔP的关系

从上图可以看出煤的瓦斯放散初速度与中孔所占体积数大体呈线性关系，但趋于平缓，煤样点较分散，又因为中孔所占体积数也不大，对瓦斯放散初速度的影响不大，对瓦斯突出危险倾向性的影响不起主导作用。

3) 过渡孔含量对ΔP的影响

图9 过渡孔含量与ΔP的关系

从上图可以看出随着过渡孔所占体积数的增加，瓦斯放散初速度也增加，经过线性回归得出过渡孔比重与瓦斯放散初速度呈线性关系，其公式为：

y=0.176x+4.5584

(7)

过渡孔所占体积数集中在30%～45%之间，对瓦斯放散初速度的影响起主导作用，故对瓦斯突出危险倾向性的影响也起主导作用。

4) 微孔含量对ΔP的影响

图10 微孔含量与ΔP的关系

从图10可以看出随着微孔所占体积数的增加，煤的瓦斯放散初速度逐渐增加，经过线性回归得出煤的瓦斯放散初速度与微孔所占体积数呈线性关系，其线性方程为：

y=0.1387x+6.4223

(8)

微孔所占体积数集中在15%-35%之间，对瓦斯放散初速度的影响起着重要的作用，对瓦斯突出的影响也就起着重要的作用。

2 结论

通过一系列的实验研究对煤的孔隙结构、煤的自身基本性质和煤岩组分与瓦斯突出的影响研究得出以下结论：

1) 挥发分是衡量煤的变质程度的指标，随着煤的变质程度的增加，挥发分不断减小，而瓦斯放散初速度随着挥发分的减少呈指数式递增。也就是说挥发分越大，瓦斯放散初速度越小，越不容易发生瓦斯突出。

水分与瓦斯放散初速度大体呈线性关系，但是图中煤样点离趋势线较远，故对瓦斯突出的影响不大。灰分与瓦斯放散初速度呈二次曲线关系，随着灰分的增加，瓦斯放散初速度会先减小后增加，对瓦斯突出有一定的影响。

2) 在煤样中，碳元素含量较多但是变化不规律，故用碳氢比作为实验指标，随着碳氢比的增加，瓦斯放散初速度呈指数式增长，对瓦斯突出的影响起着重要作用。

3) 镜质组含量与瓦斯放散初速度呈良好的二次曲线，而惰质组含量比较分散，故镜质组对瓦斯突出的影响比惰质组的大。

4) 大孔的百分含量与瓦斯放散初速度有着良好的指数式关系；而中孔的百分含量在煤中较少，与煤的瓦斯放散初速度大体呈线性关系，但趋于平缓，对瓦斯放散初速度的影响不大，对瓦斯突出危险倾向性的影响不起主导作用；过渡孔的百分含量与瓦斯放散初速度呈线性关系，随着过渡孔含量的增加，放散初速度也增加；微孔的百分含量与瓦斯放散初速度的影响呈良好的线性关系，随着微孔含量的增加，瓦斯放散初速度也不断增加。在不同变质程度的煤中，中孔的百分含量较少，对瓦斯突出的影响不大。大孔、过渡孔、微孔百分含量较多，对瓦斯突出的影响起着主导作用。

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