不同变质程度煤的瓦斯放散特性实验研究

陈学习，张 凯，张 亮，吉丹妮

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

不同变质程度煤的瓦斯放散特性实验研究

陈学习，张 凯，张 亮，吉丹妮

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

为了研究煤的变质程度对瓦斯放散特性的影响，采用现场取样、实验室测试的方法，对9种不同煤样的瓦斯放散初速度和孔径分布进行了测试，测试结果表明：煤的变质程度越高，瓦斯放散初速度越大，瓦斯放散初速度随着变质程度的降低呈现出负指数减小的趋势；煤的微孔比表面积越大，瓦斯放散初速度越大，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，根本原因是微孔比表面积的增加为瓦斯吸附提供了更多的吸附位，增大了瓦斯吸附量。

变质程度；挥发分；瓦斯放散初速度；微孔比表面积

0 引言

煤的瓦斯放散初速度(△P)是指3.5g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△P(mmHg)表示的10～60 s时间内释放出瓦斯量指标[1]，它是用于衡量含瓦斯煤体暴露时瓦斯从吸附状态转化为游离状态速度的快慢，同时也反映瓦斯渗透和流动的规律，其作为判断煤与瓦斯突出危险程度的单项指标之一，在煤层的突出危险性鉴定、突出危险区域划分和煤层突出危险性预测中得到了广泛的应用[2]。

《防治煤与瓦斯突出规定》中要求突出煤层的瓦斯放散初速度(△P)均大于或等于10，但是，在以往的生产实践中，也曾经发生过该指标低值状态下的突出事故。虽然瓦斯放散初速度根据AQ1080-2009《煤的瓦斯放散初速度指标(△P)测定方法》进行测定，但是对于不同变质程度煤样△P的测定，该标准中并没有明确的体现。如果能通过实验研究出不同变质程度煤的瓦斯放散特性，这对于准确测定煤的瓦斯放散初速度、准确鉴定和评价煤层突出危险性等具有重要的指导意义。

目前，许多学者分别从煤的自身特性(如变质程度、煤样粒径、孔隙结构)和外部因素(如温度、静电场、声波、外加水分)等方面对瓦斯放散初速度的影响进行了研究[3-9]，煤的孔隙结构特征不仅会对孔隙中流体的运移规律造成影响，而且对煤层气的渗透与富集也有积极的作用，因此，研究煤的变质程度和孔隙结构与瓦斯放散初速度的关系很有必要。刘军等人通过实验研究了煤的孔隙率与瓦斯放散初速度的关系，但很少有人从孔比表面积的角度来说明孔隙结构对瓦斯放散初速度的影响，本文通过实验主要研究了煤的变质程度和微孔比表面积对瓦斯放散初速度的影响。

1 煤瓦斯放散初速度的测试与分析

1.1 实验煤样的选取

选取北阳庄煤矿5#煤、嘉阳煤矿K7煤、柳树青煤矿15#煤、夏店煤矿3#煤、恒祥煤业二1煤、桧树亭煤矿二1煤、超化煤矿二1煤、嵘昌煤矿二1煤、建山颖新煤矿枫顺井B6煤作为实验煤样。利用TGA-2000全自动工业分析仪对所取煤样进行工业分析，得出各煤样的基本参数，见下表1。

表1 实验煤样基本参数

煤的变质程度是指在温度、压力等因素作用下，煤的物理、化学性质变化的程度。煤的变质程度由干燥无灰基挥发分来表征，挥发分越大，煤的变质程度越低；挥发分越小，煤的变质程度越高。由表1可知，无烟煤的变质程度最高，变质程度由高到低依次是贫煤、焦煤和气煤，长焰煤的变质程度最低。

1.2 测试仪器

瓦斯放散初速度的测定按照AQ1080-2009《煤的瓦斯放散初速度指标(△P)测定方法》，利用WT—1型瓦斯放散初速度测定仪进行测定，实验装置原理如图1所示。

图1 WT-1型瓦斯放散初速度测定仪1—真空泵；2—甲烷气体；3—电磁阀；4—煤样罐；5—传感器；6—计算机

1.3 测试结果与分析

按照上述测试方法，对所取的9种煤样的瓦斯放散初速度进行了测试，然后将挥发分与对应的瓦斯放散初速度分别在坐标系中描点，以挥发分为横坐标，瓦斯放散初速度为纵坐标，然后利用Origin对不同变质程度煤的瓦斯放散初速度进行回归分析，回归分析结果见下表2，其中利用指数模型进行拟合得出的曲线如图2所示。

表2 不同变质程度煤瓦斯放散初速度回归分析结果

回归分析的结果说明，不同变质程度煤的瓦斯放散初速度随挥发分的增加较好的服从指数式减小，即变质程度越高的煤瓦斯放散初速度越大。指数模型的一般形式为Δp=B+Ae-αVdaf，其中α为瓦斯放散初速度衰减系数，其值表示挥发分影响瓦斯放散初速度的降低速度；A为影响系数，表示挥发分对瓦斯放散初速度的影响程度；B为常数。

图2 挥发分与瓦斯放散初速度的关系

2 煤的孔隙结构测试与分析

煤的孔隙结构是指煤中孔隙和喉道的大小分布、集合形状及其相互连通关系，是煤物理结构的主要部分。煤层中的孔隙和裂隙是煤层瓦斯储存的空间和扩散运移的通道，其结构特征(孔径分布、孔容、孔比表面积、孔隙率等)决定了煤的吸附、扩散和渗流特性。现如今对煤的孔径分类有很多种方法，B.B霍多特的划分方法为多数学者所通用，他根据固体孔径范围和固气作用效应将煤的孔隙分为4类：微孔(<10 nm，构成煤中的吸附容积)、小孔或过渡孔(10～100 nm，构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间)、中孔(100～1000 nm，构成瓦斯缓慢层流渗透空间)和大孔(>1000 nm，构成强烈的层流渗透区间)[10-11]。

煤比表面积的大小取决于煤中微孔的体积，它们呈正相关；煤对CH4的吸附能力与总比表面积、微孔比表面积也呈正相关[12]；部分学者通过研究表明煤的变质程度对小孔、纳米级孔的比表面积和总比表面积影响较大，对微孔的比表面积影响最大，并且由于煤中瓦斯吸附和扩散主要发生在纳米级孔中，而且纳米级孔的比表面积是吸附甲烷的主要载体，其比表面积越大，能够吸附的甲烷就越多[13]，所以不同变质程度煤的瓦斯吸附能力会存在较大差别，进而会影响煤的瓦斯放散速度的大小。

在煤的孔径测试中，最为常用的是压汞法，本次试验采用的是美国康塔PoreMaster—60型全自动压汞仪对所选取煤样的孔径进行测试，测试结果如表3所示。然后分别将煤的微孔比表面积和对应的瓦斯放散初速度在坐标系中描点，以微孔比表面积为横坐标，瓦斯放散初速度为纵坐标，利用Origin进行拟合，可得结果见图3。由拟合曲线可知，煤的微孔比表面积与瓦斯放散初速度之间存在线性关系，

Δp=5.48Sw-22.20(R2=0.7660)

式中Sw为微孔比表面积，m2·g-1。

由拟合曲线和公式可以看出，瓦斯放散初速度随微孔比表面积的增加而增大，造成瓦斯放散初速度增大的根本原因是微孔比表面积的增加增大了煤样的瓦斯吸附量。这是因为微孔的内表面是煤吸附瓦斯的主要载体，其比表面积越大，提供的瓦斯吸附位越多，能够吸附的瓦斯量也就越多。

表3 煤的比表面积分布

图3 微孔比表面积与瓦斯放散初速度的关系

3 结论

(1) 煤的变质程度越高，瓦斯放散初速度越大，变质程度越低，瓦斯放散初速度越小。瓦斯放散初速度随挥发分的增加较好的服从指数式减小。

(2) 压汞实验结果表明，煤的瓦斯放散初速度随着微孔比表面积的增加呈线性增加的趋势，即微孔比表面积越大，瓦斯放散初速度越大。

(3) 微孔比表面积的大小之所以会影响煤的瓦斯放散初速度，根本原因是其影响了瓦斯的吸附量，因为微孔的内表面是瓦斯吸附的主要载体。

[1] 国家安全生产监督管理总局.煤的瓦斯放散初速度指标(△P)测定方法[S].北京：煤炭工业出版社，2010.

[2] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[S].北京：煤炭工业出版社，2009.

[3] 陈向军，程远平，王林.水分对不同煤阶煤瓦斯放散初速度的影响[J].煤炭科学技术，2012，40(12)：62-65.

[4] 李晓伟，蒋承林.温度对瓦斯放散初速度测定的影响研究[J].煤矿安全，2009(1)：1-3.

[5] 李建楼.声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究[D].淮南：安徽理工大学，2010.

[6] 李成武，雷东记.静电场对煤放散瓦斯特性影响的实验研究[J].煤炭学报，2012，37(6)：962-966.

[7] 李一波，郑万成，王凤双.煤样粒径对吸附常数及瓦斯放散初速度的影响[J].煤矿安全，2013，44(1)：5-8.

[8] 刘军，王兆丰.煤变质程度对瓦斯放散初速度的影响[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2013，32(6)：745-748.

[9] 王月红，李靖，张九零.采用主成分分析法的孔隙结构与瓦斯扩散[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2014，33(11)：1457-1460.

[10] 肖知国.煤层注水抑制瓦斯解吸效应实验研究与应用[D].焦作：河南理工大学，2010.

[11] 孟召平，刘珊珊，王保玉，等.不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征[J].煤炭学报，2015，40(8)：1865-1870.

[12] 钟玲文，张慧，员争荣，等.煤的比表面积、孔体积及其对煤吸附能力的影响[J].煤田地质与勘探，2002，30(3)：26-29.

[13] 陈向军，刘军，王林，等.不同变质程度煤的孔径分布及其对吸附常数的影响[J].煤炭学报，2013，38(2)：294-300.

Experimental Study on Gas Diffusion Characteristic of Different Metamorphic Grade of Coal

CHEN Xue-xi,ZHANG Kai,ZHANG Liang,JI Dan-ni

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to study the influence of metamorphic grade of coal on gas diffusion characteristic,this study adopted the on-site coal sampling coupled with lab testing and initial velocity of gas diffusion and pore diameter distribution were tested.The results show that the metamorphic grade of coal is higher,the initial velocity of gas diffusion is bigger.The initial velocity of gas diffusion would be decreased with the reduction of coal metamorphic grade in index.The metamorphic grade of coal is higher,the specific surface area of micropore is bigger.The initial velocity of gas diffusion has linear increasing trend along with the increase of coal metamorphic grade.The fundamental cause is that the increase of micropore’s specific surface area is provide more adsorption sites for gas adsorption and it increase the adsorbed quantity of gas.

metamorphic grade; coal volatile; initial velocity of gas diffusion; specific surface area of micropore

2016-06-18

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015020,3142015134,3142015135)。

陈学习(1972-)，男，江苏邳州人，博士，教授，华北科技学院安全工程学院副院长，研究方向：煤矿瓦斯治理。E-mail：xuexichen1210@163.com

TD823

A

1672-7169(2016)05-0001-04