含水量对瓦斯放散初速度影响规律的实验研究

张九零，范酒源

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿山开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

含水量对瓦斯放散初速度影响规律的实验研究

张九零1,2，范酒源1,2

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿山开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

通过实验室实验的方法来分析煤中水分含量对瓦斯放散初速度的影响规律。实验结果表明，注水对瓦斯放散初速度起到了明显的抑制效应，煤中水分含量与瓦斯放散初速度符合对数函数关系，当煤中水分含量在1.4%～7.9%时对瓦斯放散初速度的影响最大，当煤中水分含量在大于7.9%时，对瓦斯放散初速度的影响逐渐变小，实验结果对现场进行煤层注水具有一定的参考价值。

瓦斯放散初速度；影响规律；水分含量；关系

煤层注水作为一项预防煤与瓦斯突出的措施最早在前苏联煤矿应用。20世纪40年代，法国、西徳、波兰、美国、比利时等国家先后进行了煤层注水预防煤与瓦斯突出的工业试验，并取得显著的效果。20世纪60年代，煤层注水技术逐渐在我国开始推广。为了预防煤与瓦斯突出事故的发生，大量的预测指标被提出，其中煤的瓦斯放散初速度指标 (ΔP)作为一个重要的突出预测指标得到了广泛的应用[1]。

煤的瓦斯放散初速度ΔP值表示煤体放散瓦斯能力的大小，许多学者研究水分对瓦斯放散初速度的影响规律[2]。林海飞等[3]认为水分与瓦斯放散初速度呈一次线性关系；史吉胜等[4]认为水分含量与瓦斯放散初速度呈反比例关系，水分含量增大，瓦斯放散初速度随之减小；陈向军等[5]研究了水分对不同变质程度的煤的瓦斯放散初速度的影响，得出了水分对无烟煤的瓦斯放散初速度影响最大，对焦煤的影响最小，长焰煤的影响处于中间位置的结论；牟俊慧等[6]研究了注水对瓦斯放散特性的影响，得出了当煤含水量在2%～7%时，对瓦斯放散初速度的影响最大，当煤层含水量超过10%时，对瓦斯放散初速度的影响相对较小。

本文在前人对瓦斯放散初速度研究的基础上，分析吕家坨煤矿5424Z工作面煤样增加不同含量的水对瓦斯放散初速度的影响。

1 含水煤样瓦斯放散初速度的研究

1.1 试验煤样的基本参数

5424Z工作面位于-800m四采区中12煤层，轨道巷长615m，胶带巷长690m，工作面长159.6m，煤层厚度在1.8～3.5m之间，平均煤厚2.5m，为稳定中厚煤层，煤层以亮煤为主，煤层平均倾角12°，相对瓦斯涌出量0.95m3/t，试验所用煤样为焦煤，其煤样基本参数如表1所示。

1.2 实验过程

在吕家坨矿5424Z新暴露煤层面上采取间距为20，40，60，80，100，120m的新鲜煤样，每个采样点采取500g，用密封瓶密封，分别标记为1，2，3，4，5，6号煤样。将所采煤样按瓦斯放散初速度实验要求进行制样，首先，将煤样进行粉碎、筛分出粒径为0.2～0.25mm，然后，用真空干燥箱干燥，去除煤样中所含原生水分，每个煤样制取8份，每份重3.5g。

表1 试验煤样基本参数

用量程为0.5mL胶头滴管和实验室电动搅拌器进行加水煤样的制备，每个煤样制取8份不同含水量的煤样，因胶头滴管每一滴水的体积为0.05mL，质量为0.05g，所以，一个煤样的8份不同含水煤样的制备是向每份煤样中分别加入0滴、1滴、2滴、3滴、4滴、5滴、6滴、7滴的水。为了减少实验误差和使煤样与水分混合均匀，将煤样放在小烧杯中，用胶头滴管向加入煤样的小烧杯中滴水滴，然后，用电动搅拌器的夹具固定小烧杯，加入搅拌子。接通电源，调节调速按钮，由慢至快调节到适当速度，不断搅拌，使煤样与水分混合均匀，制成不同含水量的煤样。表2所示为1号煤样的不同含水量煤样。

表2 1号煤样的不同含水量煤样

实验采用WT-1型瓦斯扩散速度测定仪进行不同含水煤样瓦斯放散初速度的测定，将制取好的1～6号煤样的48个不同含水量煤样进行瓦斯放散初速度的测定。

1.3 实验数据处理及分析

在WT-1型瓦斯扩散速度测定仪上对不同含水煤样进行测试，得出吕家坨矿5424Z工作面不同水分含量瓦斯放散初速度的数据(表3)，利用origin8.6做出瓦斯放散初速度随水分含量变化曲线图，如图1所示。

表3 不同含水量瓦斯放散初速度的数据

图1 瓦斯放散初速度随水分含量变化曲线

由表3可知，当水分含量在0%～9.1%时，瓦斯放散初速度的变化区间为2～5.4mL/s。由图1可知，瓦斯放散初速度随着煤中含水量的增加，呈现逐渐降低到趋于平缓的趋势。当煤样中含水量在1.4%～7.9%之间时，瓦斯放散初速度变化范围最大，随着煤中水分含量的增加，当煤样中含水量大于7.9%时，瓦斯放散初速度随水分含量的变化逐渐变得平缓。结果表明，注水对煤层瓦斯放散初速度起到了明显的抑制效应。

用origin8.6对6个煤样的瓦斯放散初速度随水分含量的变化规律进行数值拟合，拟合结果如表4所示。

表4 瓦斯放散初速度和水分含量的关系式

由表4可知，瓦斯放散初速度和水分含量符合对数函数关系，其关系式所示如下：

y=a+bln(x)

(1)

式中，a，b为待定系数；x为煤样的水分含量，%；y为瓦斯放散初速度，mL/s。

对拟合曲线进行一阶函数求导，得出瓦斯放散初速度变化率与水分含量的关系式，其关系式如式(2)所示。然后，画出放散初速度变化率与水分含量图，如图2所示。

(2)

式中，c为待定系数；x为煤样的水分含量，%；y’为瓦斯放散初速度变化率。

由图2可知，瓦斯放散初速度变化率随煤中水分含量的增加呈现先增加后趋于平衡的趋势。说明

图2 瓦斯放散初速度变化率和水分含量的关系

煤中水分含量越高，瓦斯放散初速度的变化率越小。同时，可以得出结论，煤中水分含量在1.4%～7.9%之间时，瓦斯放散初速度的变化率呈现增加趋势，煤中水分含量大于7.9%时，瓦斯放散初速度的变化率趋于平衡。

2 结 论

(1)瓦斯放散初速度与煤中水分含量符合对数函数关系，当煤中含水量在1.4%～7.9%之间时，对瓦斯放散初速度的影响较大，随着煤中水分含量的增加，瓦斯放散初速度最终趋于平衡。

(2)煤层注水时，其注入煤层中的水分含量在大于7.9%时，瓦斯放散初速度的值和变化率处于稳定的范围。

(3)增加煤中水分含量抑制煤瓦斯放散初速度，使煤释放瓦斯的含量越来越小，最后达到一个稳定的值。

[1]吴继周.略论煤层注水[J].煤矿安全，1982，13(2)：1-6.

[2]尚显光.瓦斯放散初速度影响因素实验研究[D].河南：河南理工大学，2016.

[3]林海飞,赵鹏翔,李树刚,等.水分对瓦斯吸附常数及放散初速度影响的实验研究[J].矿业安全与环保，2014，41(2)：16-19.

[4]史吉胜,蒋承林,李晓伟,等.煤样水分对煤与瓦斯突出预测参数测定的影响[J].煤矿安全，2014，45(5)：138-140.

[5]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.

[6]牟俊惠,程远平,刘辉辉.注水煤瓦斯放散特性的研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(5)：746-749.

[7]张 洲.煤与瓦斯突出矿井鉴定各单向指标关联度研究[D].河南：河南理工大学，2016.

[8]尚显光，温志辉，孙永超.构造煤瓦斯放散特性及其影响因素分析[J].煤，2011(6)：31-32，39.

[9]潘红宇，李树刚，李志梁，等.瓦斯放散初速度影响因素实验研究[J].煤矿安全，2013，44(6)：15-17，21.

[10]牟俊惠，程远平，刘辉辉.注水煤瓦斯放散特性的研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(9)：746-749.

[责任编辑：李 青]

Experimental Study of Influence Law of Water Content to Gas Diffuse Velocity

ZHANG Jiu-ling1，2，FAN Jiu-yuan1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science & Technology，Tangshan 063009，China；2.Hebei Province Key Laboratory of Mine Development and Safety Technology，Tangshan 063009，China)

The influence law that water content in coal to gas diffuse initial velocity was studied by experimental method.The experimental results showed that gas diffuse initial velocity was restrained obviously by water injection，the function relation between water content and gas diffuse initial velocity was logarithmic function，when water content was 1.4%～7.9%，the influence was the maximal to gas diffuse initial velocity，when water content more than about 7.9%，the influence that to gas diffuse initial velocity became smaller and smaller，the experimental results referencing for practical.

gas diffuse initial velocity；influence law；water content；relationship

2016-08-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.025

国家自然科学基金项目(51504077，51404086)；河北省自然科学基金资助项目(E2016209056)；河北省科技计划项目(15274112)；华北理工大学杰出青年基金(jp201509)

张九零(1979-)，男，河北河间人，博士研究生，副教授，主要从事矿山安全方面的研究。

张九零，范酒源.含水量对瓦斯放散初速度影响规律的实验研究[J].煤矿开采，2017，22(2)：100-101，105.

TD712.52

A

1006-6225(2017)02-0100-02