变质程度对煤样瓦斯解吸特征参数V1值的影响实验研究

马金魁，陈 勇

（1．煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2．煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；3．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

煤的解吸特性尤其是解吸特征参数V1值，在一定程度上反映了煤本身的孔隙特征和破坏程度，而破坏程度和孔隙特征是决定煤是否具有突出危险性根本因素，煤的瓦斯解吸特性尤其是解吸特征参数V1值在某种程度上能够反映煤的突出危险性；煤中瓦斯解吸速度特征值V1与含量具有很好的线性关系，可以用来确定煤的瓦斯含量[1-3]。不同学者从不同的出发点对V1值有不同界定[4-7]。在前人研究的基础上，通过等温吸附-解吸实验对不同变质程度非构造煤的解吸规律进行研究，从微观上分析研究各因素对V1的影响效应，基于V1值对影响因素的适用性对后期煤层瓦斯含量测定提供基础。定义煤中瓦斯解吸特征参数V1值为煤样脱离煤体后第1 min 的瓦斯解吸速度，cm3/（g·min）[8-10]。

1 不同变质程度煤样等温常压解吸实验

为考察煤变质程度对煤解吸特征参数V1值的影响效应，设计了不同变质程度煤样在恒定（30±0.5）°C 下等温吸-附解吸试验。采集焦作九里山矿非构造无烟煤（WY）、寿阳新元矿非构造贫煤（PM）、义马矿区的非构造长焰煤（CY），分别筛选直径为0.17～0.25 mm、1～3 mm 和自然粒度3 种煤样，测试煤样在瓦斯吸附平衡压力3、1.7、0.5 MPa 下的解吸 规律，不同变质程度煤样解吸曲线如图1。

图1 不同变质程度煤样解吸曲线

根据图1 分析可知：同一煤种的煤样在温度、破坏类型和吸附平衡压力相同的情况下，煤样粒度越小，最初30 min 的累计解吸量越大；其他条件都相同，变质程度越高，最初30 min 的累计解吸量越大。

2 变质程度对瓦斯解吸参数V1值的影响

根据定义：煤中瓦斯解吸特征参数V1值为煤样脱离煤体后第1 min 的瓦斯解吸速度，为准确分析变质程度对瓦斯解吸参数V1值的影响，以及为了验证根据V1值推算瓦斯含量的准确性，进行了综合对比实验。

对不同时段内（0~3 min、0~5 min、0~8 min、0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~45.5 min）回归得到的回归V1值与实际V1值进行比较：0~15 min、0~20 min、0~30 min 和0~44.5 min 4 个时段的回归V1值的相对误差平均值在34.28%～70.82%，不能满足工程应用需求；0~3 min、0~5 min 和0~8 min 时段进一步对比，0~5 min 时段内3 个变质程度煤得到的回归V1值都与实际V1很接近，相对误差平均值最低，在8.29～13.85 之间，说明在0~5 min 时段瓦斯解吸更稳定，用该时段的解吸数据回归得到的V1值更接近实际值，且回归相关系数均在0.90 以上，满足工程应用的需求。选用0～5 min 的解吸数据进行变质程度对瓦斯解吸参数V1值的影响研究。不同吸附压力下不同变质程度非构造煤的瓦斯解吸参数V1值变化曲线如图2。

图2 不同吸附压力下不同变质程度非构造煤的瓦斯解吸参数V1 值变化曲线

随着变质程度的升高，煤层瓦斯含量增大，解吸速度跟瓦斯含量成正比关系，同样V1值也与瓦斯含量正相关。在其它条件都相同的情况下，变质程度越高解吸速度V1值越大。

3 V1值与瓦斯含量的关系

瓦斯含量W 与V1值的线性关系如下：

式中：A、B 为常数。

利用式（1）拟合实验室测试的非构造煤无烟煤、贫煤、长焰煤的不同粒度下解吸数据，其V1值与瓦斯含量关系见表1~表3。

表1 非构造无烟煤V1 值与瓦斯含量关系

由表1～表3 可知：在0.17~0.25 mm、1~3 mm 和自然粒度下V1与含量的线性拟的拟合度很高，线性相关系数R2在0.915 7~0.999 4 之间。今后选用3个粒度中任何粒度都可以满足用V1值快速准确测定瓦斯含量的工程要求。但是，考虑到现场取样方便、易操作性，建议选用自然粒度，即钻屑。

表2 非构造贫煤V1 值与瓦斯含量关系

4 现场验证

基于变质程度对煤样瓦斯解吸特征参数V1值影响的实验结果，结合瓦斯解吸随时间的变化规律、瓦斯解吸速度公式、瓦斯解吸速度影响因素等得到了九里山煤矿非构造煤WY 煤、新元煤矿非构造煤PM 煤和耿村矿非构造煤CY 煤解吸特征参数V1值与含量W 的对应关系；选取焦作矿区某矿的WY 煤和寿阳矿区某矿PM 煤进行了现场验证。现场验证结果参数见表4。

根据推算得到的V1值与含量W 的线性函数与用传统的煤层井下瓦斯含量测定方法测定的瓦斯含量值存在一定误差，误差有的偏大有的偏小，但现场验证结果绝对误差在-0.63~1.25 之间，相对误差在1.23%到8.81%之间，现场验证结果满足工程要求的相对误差不超过10%、准确率不低于90%的规定。

表4 现场验证结果参数

5 结 论

1）在温度、破坏类型、吸附平衡压力和粒度相同情况下的不同变质程度的煤样，初始30 min 的累计解吸量、初始15 min 的瓦斯解吸速度、回归的瓦斯解吸特征参数V1值，随变质程度的增大而增大。

2）随着变质程度的升高，煤层瓦斯含量增大，解吸速度与瓦斯解吸特征参数V1值与瓦斯含量正相关；在其它条件相同的情况下，变质程度越高解吸速度V1值越大。

3）基于变质程度对瓦斯解吸特征参数V1值与含量W 的对应关系实验室拟合相关系数达0.915 7~0.999 4，现场验证结果的绝对误差-0.63~1.25，相对误差1.23%~8.81%，满足工程现场需求。