构造煤瓦斯放散特性及其影响因素分析

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为了定量考查构造煤瓦斯放散特性与煤体破坏 程度的关系, 笔者在鹤壁五矿和义马新安矿分别采 集了 10组不同破坏程度的煤样, 采用 落锤法 对 煤样的坚固性系数 ( f ) 进行了测定, 利用煤炭科学研 究总院抚顺分院研制的 WT - 1型瓦斯扩散速度测 定仪, 对煤样的瓦斯放散初速度 ( P ) 进行了测定, 测定结果见表 1和表 2。
5号 3302 外上巷距上巷开口 90 m 硬煤
6号 3302 外上巷距上巷开口 106 m 软煤
7号 3302 上巷外段距中切眼 40 m 软煤
8号 3302 上巷外段距上巷开口 40 m 软煤
9号 3302 上巷外段距上巷开口 35 m 软煤
10号 3302 上巷外段 9号钻场
软煤
P /Pa f 值 795. 34 0. 82 813. 96 0. 78 1 238. 23 0. 60 1 025. 43 0. 54 1 210. 30 0. 52 1 330. 00 0. 44 1 335. 32 0. 38 1 582. 70 0. 36 1 989. 68 0. 22 1 596. 00 0. 22
鹤壁五矿 10个实验煤样中, 取硬煤 5 组, 其 f 值均 大 于 0. 5, 平 均 值 为 0. 65; P < 1 330 Pa ( 10 mm汞柱 ) , 平均 值为 1 016. 12 Pa。取 软 煤 5 组, 其 f 值 均 小 于 0. 5, 平 均 值 为 0. 32; P > 1 330 P a( 10 mm 汞柱 ) , 平均值为 1 556. 1 P a。
序号
采样百度文库点
煤样类型 P /Pa f 值
1号 14181 上巷开口以里 490 m 硬煤 1 019. 75 0. 48
2号 14181 上巷开口以里 192 m 硬煤 1 143. 71 0. 40
3号 14181 下巷开口以里 300 m 软煤 1 524. 95 0. 34
4号 14181 上巷开口以里 95 m
1 瓦斯放散初速度 P
我国一直采用瓦斯放散初速度指标 P 来对煤
的瓦斯放散能力进行评价, 并结合煤的坚固性系数
f, 形成了综合指标 K = P /f, 在区域预测中被广泛 采用, 取得了很好的应用效果 [ 3] 。瓦斯放散初速度
指标 P 按下式计算:
P = p2 - p1
( 1)
式中: p 1 为 10 s末汞柱 两端液面差, P a; p2 为 60 s末汞柱两端液面差, P a。
2 实验煤样瓦斯放散初速度 ( P )和坚固 性系数 (f )的测定
瓦斯突出参数 ( P、f 值 ) 是通过煤矿井下采取 煤样在实验室测定获得的相对指标, 是目前国内外 广泛采用的预测瓦斯突出的物理量, 其值大小不仅 能够客观地反映煤体强度和破坏程度, 还能很好地 定量表征煤样的瓦斯放散特性和发生瓦斯突出的气 体介质条件。
构、孔隙表面性质和孔隙度的大小有关。不同破坏
类型的构造煤具有不同的物 理力学特征和变 形过
程, 破坏程度不同其孔隙度也不同。构造煤的发育
导致煤体孔隙度大, 渗透性差而成为良好的瓦斯富 集带和高压瓦斯区。因此, 积聚了大量的瓦斯和发
育有大量孔隙的构造煤, 具有瓦斯含量高、瓦斯解吸
快、瓦斯放散快的特性。
[ 2] 张子敏, 张玉 贵, 汤达 祯, 等. 瓦斯 地质 学 [M ]. 徐 州: 中国矿业大学出版社, 2009.
[ 3] 王轶波, 陈 彦飞, 王 凯, 等 . 煤层 瓦斯 压力 测定 钻孔 新型封孔技术 [ J]. 煤炭科技, 2003( 2): 17- 19.
发现, 煤样的放散速度曲线比较符合文特式:
v = vl t- a
( 2)
式中: v为放散速度, mL / s; v1 为第 1s时的放散
速度, m L / s; t为时间, s; a为衰减系数。
从表 1和表 2中可以看出, 尽管 P 绝对值随
矿区不同而有所变化, 但对于同一矿区、同一煤层来 说, 其数值特征宏观上主要取决于煤体的破坏程度。
软煤 1 692. 91 0. 30
5号 14181 上巷开口以里 220 m 软煤 2 251. 44 0. 22
6号 14181 下巷开口以里 200 m 软煤 1 639. 59 0. 20
7号 14181 下巷开口以里 600 m 软煤 1 843. 54 0. 20
8号 14181 上巷开口以里 595 m 软煤 2 596. 68 0. 16
P 值随 f 值减小而降低; 表 1中的 9、10号煤样, 表 2中的 6、7 号煤样以及 8、9号煤样, f 值虽然相同, 但 P 值却不相等, 这说明构造煤的瓦斯放散特性 还受其他因素的影响和控制, 因此有必要对影响构 造煤瓦斯放散的主要因素做进一步的分析和研究。
表 2 义马新安矿煤样 P、f 值测定结果
2) 煤体 水分是影响构造煤放散特性的 主要
因素。随煤体水分的增加, 瓦斯放散初速度则显著
降低。煤中的水分不仅堵塞煤中的孔隙使渗透率降
低, 而且由于煤中含有水分, 使煤的弹性减小, 塑性
增强, 煤颗粒之间易 固结 , 煤孔隙间连通性减弱,
可见水分对煤体内吸附瓦斯向游离瓦斯的转化通道
具有阻碍作用, 使吸附状态的瓦斯放散释放时间延
总体而言, 构造煤的瓦斯放散初速度随着煤体破坏 程度的升高 ( f 值减小 )而增加 [ 2] , 数值上表现为 P
值的增大。
从图 1可以看出, 构造软煤 较硬煤 ( 原生结构 煤 ) 具有快速放散瓦斯的能力, 在短时间内能够释 放大量的瓦斯内能, 产生强烈的气体动力效应 [ 4] 。
通过上述实验结果可知, 构造煤的瓦斯放散特
迟, 从而使得瓦斯放散初速度大大降低。选取了鹤
壁五矿和义马新安矿试验煤样中的 2个煤样进行了 不同水分煤样瓦斯放散初速度的对比, 实验结果如
表 3所示。
3) 煤样 粒度也是影响构造煤放散特性 的主 要因素。研究 [ 5] 指出, 煤层是由极限煤粒组成的集
合体, 当煤破碎到一定粒度后,
( 下转第 39页 )
1 330 Pa( 10 mm 汞柱 ), 平均值为 2 039. 49 Pa。
表 1 鹤壁五矿煤样 P、f 值测定结果
序号
采样地点
煤样类型
1号 3302 上巷外段距中切眼 142 m 硬煤
2号 3107 上巷距回风巷开口 90 m 硬煤
3号 3107 下巷距下巷开口 90 m
硬煤
4号 3302 上巷外段距中切眼 89 m 硬煤
31
2011年 6月
尚 显光等: 构造煤瓦斯放散特性及其影响因素分析
第 20卷第 6期
值均 大 于 0. 4, 平 均 值 为 0. 44; P < 1 330 P a ( 10 mm汞柱 ) , 平 均值 为 1 075. 73 P a。取 软煤 8 组, 其 f 值 均 小 于 0. 4, 平 均 值 为 0. 21; P >
2011年 6月
郭 志企等: 瓦斯压力测定技术现状及新技术探讨
第 20卷第 6期
研究磁、电、波、场等非接触性物质与煤层瓦斯 压力之间的内在联系是技术难点, 这方面已有不少 的研究, 例如康建宁等 [ 6] 的研究发现煤的导电率与 瓦斯压力的关系可以表述为:
= a ( 1+ bp ) c + A eBp。 式中: 为电导率; a为瓦斯极限吸附量, m 3 / ;t b 为朗格缪尔吸附 常数, 1 /MP a; p 为吸附平衡时的 瓦斯压力, MP a; c, A, B 为系数。 煤体在一定的吸附平衡瓦斯压力下, 游离瓦斯 和吸附瓦斯对煤的电导率的影响不同, 一方面随吸 附瓦斯量的增加而升高, 另一方面随游离瓦斯压力 的升高而降低 (离子导电 ) 或升高 (电子导电 )。
性主要取决于煤体的破 坏程度。但从 实验数据上
看, 表 1中的 3、4 号煤样和 表 2 中的 5、6 号煤样,
32
图 1 典型煤样实验结果示意 [ 3]
4 影响构造煤瓦斯放散特性的因素
1) 煤体 的破坏程度是影响构造煤放散 特性 的主要因素。煤体破坏程度越高, 煤的瓦斯放散初
速度越高。瓦斯放散初速度的 大小与煤的孔 隙结
作为煤质指标之一, 煤的瓦斯放 散初速度 P
是由煤的物理化学性质决定的, 该值表征了煤的微
观结构, 并反映了煤放散瓦斯的能力以及瓦斯渗透
和流动的规律, 煤体处于原始高压瓦斯吸附饱和状 态时, 储存了高压瓦斯潜能。当外力的作用或采动 影响煤层时, 煤体内大量的瓦斯在瓦斯压力梯度的 作用下, 短时间内从煤体内部高压区向采掘空间低 压区内放散出来, 瓦斯潜能得到释放, 煤放散瓦斯的 能力大小和速度与突出的发生有直接关系 [ 3 ] 。
煤瓦斯放散特性的主要因素。
关键词: 构造煤; 放散初速度; 破坏程度; 坚固性系数; 影响因素
中图分类号: TD 713
文献标识码: B
文章编号: 1005 2798( 2011) 06 0031 02
研究表明, 一 定厚度构造软煤的存在是发生 煤与瓦斯突出的必要条件 [ 1] 。构造煤 [ 2 ] 是煤层受 到构造强烈挤压和剪切破坏作用的产物, 由于受力 大小、作用范围和受力状态的非均衡性, 煤层中范围 和厚度大小不同的自然分层发生变形, 丧失了原来 的均质、层理清晰的条带状结构, 而形成破碎的颗粒 或粉状的构造破坏煤。
构造煤的高空隙率、低透气性保持了较高的瓦 斯压力和瓦斯含量, 为发生突出储存了潜能; 构造煤 较低的强度, 很难抵抗较强的外力作用, 降低了突出 发生的 门槛 , 使得构造煤最容易被破坏和抛出, 因此研究并掌握构造煤瓦斯放散规律, 对于煤与瓦 斯突出预测、煤层瓦斯压力和含量的预测以及估算 采动落煤的瓦斯涌出等都有着重大的理论指导意义 与现实意义。
9号 14181 下巷开口以里 290 m 软煤 1 914. 19 0. 16
10号 14181 下巷开口以里 400 m 软煤 2 863. 28 0. 13
3 实验结果分析
选取了典型煤样进行了瓦斯放散量累积过程的
考察, 并拟 合了瓦 斯放散 速度 曲线, 典型煤 样 ( 硬 煤、软煤 )瓦斯放散特性实验结果如图 1。经过分析
3结 论
瓦斯压力测定浪费大量的人力、物力、财力和时 间, 这与现代矿井的高产、高效极不相符。因此现有 瓦斯压力测定技术必须改革, 瓦斯压力测定技术发 展原则是: 准确可靠、快速高效。
1) 准确可靠。瓦斯压力是瓦斯涌出、煤和瓦 斯突出等事故灾害的动力之一。准确测定瓦斯压力 对矿井有效而合理的防治瓦斯灾害, 预测预报煤与 瓦斯突出危险性, 合理制订防突消突措施等均具有 十分重要的意义 [ 1] 。由于技术和人为等因素, 瓦斯
摘 要: 构造煤的发 育是发生煤 与瓦斯突 出的必要条 件, 利 用 W T - 1 型瓦斯扩散 速度测定仪 测定了不 同
破坏程度构造煤的瓦斯放散初速度, 结合试验煤样的坚固性系数, 总结 出构造煤的 瓦斯放散初 速度随着 煤
体破坏程度的升高 ( f 值减小 ) 而增加的结论; 得出了 构造煤具有 快速放散 瓦斯的特 性; 并 分析了 影响构 造
问题探讨
总 第 141期
do:i 10. 3969/ .j issn. 1005- 2798. 2011. 06. 011
构造煤瓦斯放散特性及其影响因素分析
尚显光 1, 温志辉1, 陈永超2
( 1. 河南理工大学 安全科学与工程学院, 河南 焦作 454003; 2. 河北理工大学 轻工学院, 河北 唐山 063020)
义马新安矿 10个实验煤样中, 取硬煤 2组, 其 f
收稿日期: 2011 03 16 基金项目: 新世纪优秀人才支持计划资助项目 ( N CET - 07- 0257) ; 河南理工大 学 2010年度青 年基金项目 资助 ( Q2010 -
47a) 作者简介: 尚显光 ( 1976- ), 男, 河南社旗人, 讲师, 在读硕士研究生, 主要从事煤矿瓦斯灾害预测与防治等方面的研究。
压力测定的准确性存在很大的问题, 有的甚至误差 很大, 最终酿成大的灾难。要求瓦斯压力测定数据 必须准确可靠。
2) 快速高效。现代矿井 机械化程度越 来越 高; 高效矿井的前期工作建立在一大堆基础数据之 上; 煤层瓦斯压力是最基础、最重要的数据之一。因 此测定煤层瓦斯压力也要快速高效。
参考文献:
[ 1] 俞启香. 矿井瓦斯防 治 [ M ]. 徐州: 中国 矿业大 学出版 社, 1992.
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