湿煤样钻屑瓦斯解吸指标临界值研究及应用

刘志伟

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037)

煤的钻屑瓦斯解吸指标综合反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小，表征一定量的钻屑在一定时间内释放瓦斯的能力。钻屑瓦斯解吸指标法是我国突出矿井广泛应用的区域验证或工作面预测方法，能够有效预测工作面前方突出危险性，对我国煤矿煤与瓦斯突出防治起到了重要作用。随着我国煤矿采掘深度的不断增加，瓦斯防治的难度日趋增大，在我国煤矿低透气性煤层瓦斯防治中，水力化措施作为一种高效的煤层增透措施已被煤矿广泛应用，如水力压裂、水力割缝、水力冲孔等，但在煤层中残留了大量的水，相对于原始煤体来说，煤层含水率大大增加。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》(2009)(以下简称《防突规定》)中对干、湿煤样钻屑瓦斯解吸指标Δh2临界值分别规定为200 Pa、160 Pa。研究表明，外加水分对煤的瓦斯解吸有抑制作用，水分会占据煤样的一部分孔隙体积，阻塞瓦斯扩散和渗透的通道，减小瓦斯解吸速度和解吸量，不同含水率条件下测试钻屑瓦斯解吸指标测值也不同。

因此，在采用水力化措施增透后的煤层进行区域验证或工作面预测时，应对其临界值进行考察确定，才能真实反映不同含水率条件下工作面突出危险性。文中以铁法矿区大隆煤矿13#煤层为研究对象，通过实验室研究及现场考察应用，确定13#煤层湿煤样钻屑瓦斯解吸指标Δh2的临界值，对煤层的突出危险性准确预测具有重要意义。

1 水分对煤体瓦斯解吸的影响

从吸附化学的角度来讲，水分子具有明显的极性，比甲烷分子更容易被煤体吸附，水分子首先是在煤体裂隙和大孔径中运移，然后由于毛细作用和扩散作用可以进入直径小于5 nm的孔隙中，以多分子层的形式吸附在煤体中，并与煤的内表面牢固联系。因此从微观上来看，水分的存在主要通过3方面影响煤体的解吸，一是部分自由水通过润湿作用和煤表面相结合，在煤的表面形成一层致密的水膜，在一定程度上阻碍了煤体内瓦斯的解吸；二是在未湿润的煤表面和自由水不能到达微孔隙内，由于水具有一定的蒸汽压，少量的水分子以气态形式游离于煤的微孔隙中，阻碍了煤体瓦斯的解吸；三是水的存在会在煤体孔隙内产生毛细现象，进而形成毛细管阻力，阻塞煤体内孔隙的通道，而煤体孔隙的内表面积是吸附瓦斯的主要载体，瓦斯在解吸过程中，首先应突破水在煤孔隙中产生的毛细阻力，减缓瓦斯的解吸速度。

2 湿煤样Δh2指标测定试验方案

试验用煤样取自于大隆煤矿13#煤层，现场采用刻槽法取得全层煤样，并就地进行封蜡处理，运抵实验室后，制取1～3 mm粒径的煤样100 g，在150℃条件下干燥5 h放入干燥皿中准备试验。

将干燥过后的煤样放入图1所示的试验装置内，然后采用减压阀平衡压力，对每个煤样分别充入0.84 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa的瓦斯压力，待煤样吸附平衡后，按照煤样质量和外加水分的比例分别注入一定量的水，并搅拌均匀；然后取出煤样，利用MD-II钻屑瓦斯解吸指标测定仪进行Δh2的测定。

1-高压CH4；2-减压阀；3-参考罐；4-真空泵；5-平流泵；7-恒温油浴；8-煤样罐；9-搅拌电机；10-搅拌装置；11-注水和进气口；12-出气口；13-搅拌叶片；a～e-压力表；f～i-阀门；j-四通接头；k-三通接头图1 试验装置原理示意图

3 试验数据分析

采取大隆煤矿13#煤层湿煤样，实验室测定了不同瓦斯压力、不同含水率条件下该煤层钻屑解吸指标Δh2，剔除试验测定中的异常数据，整理后得到实验室测定的详细数据如表1所示。

表1 不同瓦斯压力时外加水分对Δh2的影响 Pa

对表1中同一瓦斯压力条件下钻屑瓦斯解吸指标Δh2与煤样外加水分含量数据进行拟合，得出在相同瓦斯压力条件下Δh2随煤样含水率变化曲线，如图2所示。

由上述不同瓦斯压力随含水率变化曲线得出，初始时曲线的曲率较大，随着煤样含水率的增加，曲线的曲率变得平缓，且在3个压力条件下，煤样含水率对钻屑瓦斯解吸指标Δh2的测定值影响变化趋势是一致的。

结合在0.84 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa瓦斯压力条件下的Δh2随煤样含水率变化规律进行了数值拟合，其拟合的结果见表2。

图2 不同瓦斯压力时Δh2随煤样含水率变化曲线

表2 煤样含水率和钻屑瓦斯解吸指标Δh2关系

通过分析数据拟合的结果，发现在同一瓦斯压力条件下，钻屑解吸指标Δh2与煤体内的含水率均符合对数关系，可采用式(1)表示，且该函数符合单调递减关系，即在同样的瓦斯压力条件下，Δh2随煤体内含水率的增加而减少。

y=alnx+b

(1)

式中：y——钻屑解吸指标Δh2；

a、b——待定系数；

x——煤样的含水率。

4 现场应用

大隆煤矿13#煤层为突出煤层，该煤层采用水力化措施进行瓦斯治理，在区域验证或工作面预测时，煤样含水率较高，鉴于煤体含水率对煤的钻屑瓦斯解吸指标有重要影响。因此，为准确预测其采掘工作面的突出危险性，矿井委托具有突出鉴定的资质单位对工作面预测钻屑瓦斯解吸指标Δh2的临界值进行现场考察。

根据《防突规定》第四十三条，煤层瓦斯压力或者瓦斯含量进行区域预测的临界值应当由具有突出危险性鉴定资质的单位进行试验考察；经资质单位现场考察确定大隆煤矿13#煤层区域预测指标的瓦斯压力的临界值为1.5 MPa。

考察过程中采取大隆煤矿13#煤层采掘工作面多组煤样在实验室对其煤样的含水率进行测定，统计分析得出80%以上的13#煤层煤样含水率均分布在16%左右。

针对大隆煤矿13#煤层实验室测定了在瓦斯压力1.5 MPa时煤样含水率和钻屑瓦斯解吸指标Δh2，并对其进行数据拟合如下：

y=-208.8lnx+777.35R2=0.9918

(2)

将13#煤层湿煤样含水率16%代入式(2)，得出Δh2值为198 Pa，因此大隆煤矿13#煤层湿煤样钻屑瓦斯解吸指标Δh2的临界值初步定为198 Pa。

以现场考察和实验室研究确定的大隆煤矿13#煤层湿煤样钻屑瓦斯解吸指标临界值198 Pa为区域验证或工作面预测的临界初值，在13#煤层煤巷掘进巷道进行现场扩大应用实践，在施工探钻孔、预测钻孔过程中未发生喷孔、顶钻等突出预兆，在煤巷掘进过程中回风瓦斯浓度未超限，未出现工作面预测的误报。

5 结论

(1)相同瓦斯压力时湿煤样钻屑瓦斯解吸指标Δh2与煤样含水率符合对数函数关系，随着煤样含水率的逐渐增大而减小。

(2)基于外加水分含水率与钻屑瓦斯解吸指标Δh2的关系及区域预测瓦斯压力的临界值，得出大隆煤矿13#煤层的湿煤样Δh2临界值为198 Pa。