基于煤中瓦斯检测及实验分析

[摘要]　本文作者结合多年工作经验，通过对煤中瓦斯解吸实验分析，研究了解吸速率与煤样粒度之间的关系规律。并有效的建立了煤的瓦斯解吸量的数学模型与措施。供同行参考。

[关键字]　煤中瓦斯　吸附　解吸　数字模型　实验分析

[中图分类号]　TQ517 [文献码]　B [文章编号]　1000-405X（2012）-11-76-2

0引　言

近年来，随着我国煤炭产量和开采深度的增加，而瓦斯又是煤层在地质历史时期形成的伴生物。煤炭生产的各个不同阶段（勘探、设计、建井和生产）都会遇到瓦斯问题，如瓦斯爆炸、瓦斯突出[1-3]。瓦斯爆炸常常造成极其严重的人身伤亡和巨大的经济损失。中国煤炭生产主要为地下作业，煤炭赋存的地质条件复杂多变，煤与瓦斯突出现象也相当频繁。据统计，中国煤矿2000-2006　年间发生的7255　起各类事故，瓦斯事故的伤亡最为惨重，虽然瓦斯事故发生起数为1362　起，占事故总起数的18.77%，但是因瓦斯事故而死亡的人数却较多，共计死亡7724　人，占统计事故总死亡人数的42.85%[4]。因此，防治瓦斯已经成为保证煤矿安全生产的首要任务。我国高瓦斯含量的煤层普遍具有较高的吸附能力[5]。这种窒息性和爆炸性的气体往往又是造成煤矿井下发生重大瓦斯爆炸事故的根源，当其直接向空气中排放时既浪费资源又会引起严重的环境污染。瓦斯吸附解吸和渗透规律是瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的基础。本研究对于改进现有的抽采方法并提高抽采水平、对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有重要的理论意义和实际应用价值。以下作者谈谈个人的一些经验。

1瓦斯定压动态解吸实验

该实验的目的是研究恒定压力下的煤体瓦斯动态解吸规律，以便研究煤的尺度效应，并建立煤的瓦斯解吸量的数学模型。本实验中，研制了取自同一煤层的三种不同粒度在煤样，让它们分别在个不同初始压力点下进行实验，然后分组分类进行分析比较，以便于分别找出压力、吸附解吸量、吸附解吸速率、煤样粒度与时间之间的定量或定性的关系。在每一个实验压力点下，由于样品罐自由空间含有大量瓦斯且解吸量较大，无法测量，所以首先将样品罐与外界大气贯通，迅速将阀门关闭。每当样品罐内初始压力升高了微小值P　时，样品罐与参考罐连通，使其压力回复到初始压力继续解吸，然后参考罐与大气贯通，如此循环排气n　次，计算在此过程中的累计瓦斯解吸量。

2建立解吸量的数学模型

通过数据处理，发现在各个压力点下（0.55MPa、1.5MPa、4.5MPa）动态解吸量与吸附时间t　存在这样的函数关系f（t）=a{1-exp[-（t/b）0.4]}（简称"时间函333　数"），不同的压力点下、不同的煤样，a、b　的取值不同，篇幅所限，只列出1　号煤样在0.55MPa　情况下的拟合图如图1。

由图中可以看出，解吸量随时间变化的实测曲线Q-T　与时间函数f（t）曲线吻合较好，作者得到解吸量Q与时间函数f（t）线性相关系数R2　达到0.9978以上，说明解吸量Q-T　实测曲线与时间函数f（t）曲线拟合程度较高。由此，得出瓦斯解吸数学模型

此模型与吸附数学模型一致，且数学模型中个参数所表示物理量相同，引入参数Qmax将公式（1）修正为

式中，Q为解吸量，ml.g-1；Qmax为最大解吸量，ml.g-1；　t　为解吸时间，　s　；b　为解吸参数。

3解吸量和解吸速率对比分析

3.1　不同粒度相同初始压力下解吸速率对比分析

为便于找出参数b　与粒度大小、解吸速率的关系，现将参数b　值对比表、参数b　随粒度变化图、不同粒度的煤样在相同压力下的解吸量与时间的函数曲线列出，图2、图3。

由图2、图3　可以看出，粒度的大小影响解吸趋于停止的所用时间长短，即影响解吸速率大小，粒度越小，解吸趋于停止所用时间越短，吸附速率越快，b　值越小；反之，解吸趋于停止所用时间越长，解吸速率越慢，b　值越大。这是由于煤样粒度越小，煤的比表面积就越大，同时参与解吸的甲烷分子数目越多，解吸速率就越大，所以可以推断，与吸附试验一样，b　值是与煤的粒度正相关的物理量，与解吸速率负相关物理量。

3.2　不同初始压力相同粒度解吸量对比分析

为便于找出参数a　与解吸量大小的关系，现将参数a　值对比表、a　值随压力变化图、相同粒度的煤样在不同压力下的解吸量与时间的函数曲线列出，　图4、图5　。

由表2、图4、图5　可以看出相同煤样的初始压力越大，a　值越大，最大解吸量越大，即Qmax越大，表明Qmax与解吸初始压力相关的物理量，且它们之间是正相关关系。随着煤层深度增加，地应力和运移距离增大等等原因，使瓦斯压力增加，造成煤层中吸附瓦斯量大，由于采动影响外界压力降低，形成较大压力梯度，煤层中吸附瓦斯开始解吸，所以易发生瓦斯突出或瓦斯涌出量大。

4结　论

综上所述，通过设计了瓦斯吸附解吸的实验系统，实验研究了在一个标准大气压和温度30℃条件下瓦斯的解吸规律。采用动态定压解吸法进行瓦斯解吸实验，指出了解吸速率与煤样粒度之间关系的规律。通过对三种不同煤样的解吸的对比分析，提出了瓦斯解吸量与时间之间的关系式，建立了煤的瓦斯解吸量的数学模型。由煤样在相同压力下不同粒度的煤样的解吸量与时间的函数曲线对比图可知，煤样粒度越小，解吸速率越大，解吸速率具有尺度效应。煤的粒度越小，孔隙越多，煤的表面积大，同时参与吸附解吸瓦斯分子多，所以粒度越小，瓦斯吸附解吸过程越快，吸附解吸速率越大。在解吸实验中，由于煤样初始解吸量比较大，无法测量，所以排入大气。造成少量初始解吸气体的遗失，解吸实验所采集的数据是解吸相对平缓状态下的解吸量，所以经实验数据所建立的数学模型适用于矿井下破碎煤体的瓦斯相对缓慢的涌出。随着煤层深度增加，地应力和运移距离增大等等原因，使瓦斯压力增加，造成煤层中吸附瓦斯量大，由于采动影响外界压力降低，形成较大压力梯度，煤层中吸附瓦斯开始解吸，所以易发生瓦斯突出或瓦斯涌出量大。

参考文献

[1]　于不凡，王佑安等.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]北京：.煤炭工业出版社，2000.

[2]　俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[3]　周薄岗，李圆江.特殊煤层综放开采抽放瓦斯技术分析[J].煤矿安全，2003（6）：123-125.

[4]　房耀洲，刘明举，魏建平，刘秋菊　我国煤矿事故特征及对策研究[J].煤炭技术，2007（12）：3-5.

[5]　周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1999.