含水量對瓦斯放散初速度影響規(guī)律的實驗研究

張九零，范酒源

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

含水量對瓦斯放散初速度影響規(guī)律的實驗研究

張九零1,2，范酒源1,2

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

通過實驗室實驗的方法來分析煤中水分含量對瓦斯放散初速度的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明，注水對瓦斯放散初速度起到了明顯的抑制效應(yīng)，煤中水分含量與瓦斯放散初速度符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，當煤中水分含量在1.4%～7.9%時對瓦斯放散初速度的影響最大，當煤中水分含量在大于7.9%時，對瓦斯放散初速度的影響逐漸變小，實驗結(jié)果對現(xiàn)場進行煤層注水具有一定的參考價值。

瓦斯放散初速度；影響規(guī)律；水分含量；關(guān)系

煤層注水作為一項預(yù)防煤與瓦斯突出的措施最早在前蘇聯(lián)煤礦應(yīng)用。20世紀40年代，法國、西徳、波蘭、美國、比利時等國家先后進行了煤層注水預(yù)防煤與瓦斯突出的工業(yè)試驗，并取得顯著的效果。20世紀60年代，煤層注水技術(shù)逐漸在我國開始推廣。為了預(yù)防煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，大量的預(yù)測指標被提出，其中煤的瓦斯放散初速度指標 (ΔP)作為一個重要的突出預(yù)測指標得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

煤的瓦斯放散初速度ΔP值表示煤體放散瓦斯能力的大小，許多學(xué)者研究水分對瓦斯放散初速度的影響規(guī)律[2]。林海飛等[3]認為水分與瓦斯放散初速度呈一次線性關(guān)系；史吉勝等[4]認為水分含量與瓦斯放散初速度呈反比例關(guān)系，水分含量增大，瓦斯放散初速度隨之減小；陳向軍等[5]研究了水分對不同變質(zhì)程度的煤的瓦斯放散初速度的影響，得出了水分對無煙煤的瓦斯放散初速度影響最大，對焦煤的影響最小，長焰煤的影響處于中間位置的結(jié)論；牟俊慧等[6]研究了注水對瓦斯放散特性的影響，得出了當煤含水量在2%～7%時，對瓦斯放散初速度的影響最大，當煤層含水量超過10%時，對瓦斯放散初速度的影響相對較小。

本文在前人對瓦斯放散初速度研究的基礎(chǔ)上，分析呂家坨煤礦5424Z工作面煤樣增加不同含量的水對瓦斯放散初速度的影響。

1 含水煤樣瓦斯放散初速度的研究

1.1 試驗煤樣的基本參數(shù)

5424Z工作面位于-800m四采區(qū)中12煤層，軌道巷長615m，膠帶巷長690m，工作面長159.6m，煤層厚度在1.8～3.5m之間，平均煤厚2.5m，為穩(wěn)定中厚煤層，煤層以亮煤為主，煤層平均傾角12°，相對瓦斯涌出量0.95m3/t，試驗所用煤樣為焦煤，其煤樣基本參數(shù)如表1所示。

1.2 實驗過程

在呂家坨礦5424Z新暴露煤層面上采取間距為20，40，60，80，100，120m的新鮮煤樣，每個采樣點采取500g，用密封瓶密封，分別標記為1，2，3，4，5，6號煤樣。將所采煤樣按瓦斯放散初速度實驗要求進行制樣，首先，將煤樣進行粉碎、篩分出粒徑為0.2～0.25mm，然后，用真空干燥箱干燥，去除煤樣中所含原生水分，每個煤樣制取8份，每份重3.5g。

表1 試驗煤樣基本參數(shù)

用量程為0.5mL膠頭滴管和實驗室電動攪拌器進行加水煤樣的制備，每個煤樣制取8份不同含水量的煤樣，因膠頭滴管每一滴水的體積為0.05mL，質(zhì)量為0.05g，所以，一個煤樣的8份不同含水煤樣的制備是向每份煤樣中分別加入0滴、1滴、2滴、3滴、4滴、5滴、6滴、7滴的水。為了減少實驗誤差和使煤樣與水分混合均勻，將煤樣放在小燒杯中，用膠頭滴管向加入煤樣的小燒杯中滴水滴，然后，用電動攪拌器的夾具固定小燒杯，加入攪拌子。接通電源，調(diào)節(jié)調(diào)速按鈕，由慢至快調(diào)節(jié)到適當速度，不斷攪拌，使煤樣與水分混合均勻，制成不同含水量的煤樣。表2所示為1號煤樣的不同含水量煤樣。

表2 1號煤樣的不同含水量煤樣

實驗采用WT-1型瓦斯擴散速度測定儀進行不同含水煤樣瓦斯放散初速度的測定，將制取好的1～6號煤樣的48個不同含水量煤樣進行瓦斯放散初速度的測定。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

在WT-1型瓦斯擴散速度測定儀上對不同含水煤樣進行測試，得出呂家坨礦5424Z工作面不同水分含量瓦斯放散初速度的數(shù)據(jù)(表3)，利用origin8.6做出瓦斯放散初速度隨水分含量變化曲線圖，如圖1所示。

表3 不同含水量瓦斯放散初速度的數(shù)據(jù)

圖1 瓦斯放散初速度隨水分含量變化曲線

由表3可知，當水分含量在0%～9.1%時，瓦斯放散初速度的變化區(qū)間為2～5.4mL/s。由圖1可知，瓦斯放散初速度隨著煤中含水量的增加，呈現(xiàn)逐漸降低到趨于平緩的趨勢。當煤樣中含水量在1.4%～7.9%之間時，瓦斯放散初速度變化范圍最大，隨著煤中水分含量的增加，當煤樣中含水量大于7.9%時，瓦斯放散初速度隨水分含量的變化逐漸變得平緩。結(jié)果表明，注水對煤層瓦斯放散初速度起到了明顯的抑制效應(yīng)。

用origin8.6對6個煤樣的瓦斯放散初速度隨水分含量的變化規(guī)律進行數(shù)值擬合，擬合結(jié)果如表4所示。

表4 瓦斯放散初速度和水分含量的關(guān)系式

由表4可知，瓦斯放散初速度和水分含量符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式所示如下：

y=a+bln(x)

(1)

式中，a，b為待定系數(shù)；x為煤樣的水分含量，%；y為瓦斯放散初速度，mL/s。

對擬合曲線進行一階函數(shù)求導(dǎo)，得出瓦斯放散初速度變化率與水分含量的關(guān)系式，其關(guān)系式如式(2)所示。然后，畫出放散初速度變化率與水分含量圖，如圖2所示。

(2)

式中，c為待定系數(shù)；x為煤樣的水分含量，%；y’為瓦斯放散初速度變化率。

由圖2可知，瓦斯放散初速度變化率隨煤中水分含量的增加呈現(xiàn)先增加后趨于平衡的趨勢。說明

圖2 瓦斯放散初速度變化率和水分含量的關(guān)系

煤中水分含量越高，瓦斯放散初速度的變化率越小。同時，可以得出結(jié)論，煤中水分含量在1.4%～7.9%之間時，瓦斯放散初速度的變化率呈現(xiàn)增加趨勢，煤中水分含量大于7.9%時，瓦斯放散初速度的變化率趨于平衡。

2 結(jié) 論

(1)瓦斯放散初速度與煤中水分含量符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，當煤中含水量在1.4%～7.9%之間時，對瓦斯放散初速度的影響較大，隨著煤中水分含量的增加，瓦斯放散初速度最終趨于平衡。

(2)煤層注水時，其注入煤層中的水分含量在大于7.9%時，瓦斯放散初速度的值和變化率處于穩(wěn)定的范圍。

(3)增加煤中水分含量抑制煤瓦斯放散初速度，使煤釋放瓦斯的含量越來越小，最后達到一個穩(wěn)定的值。

[1]吳繼周.略論煤層注水[J].煤礦安全，1982，13(2)：1-6.

[2]尚顯光.瓦斯放散初速度影響因素實驗研究[D].河南：河南理工大學(xué)，2016.

[3]林海飛,趙鵬翔,李樹剛,等.水分對瓦斯吸附常數(shù)及放散初速度影響的實驗研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(2)：16-19.

[4]史吉勝,蔣承林,李曉偉,等.煤樣水分對煤與瓦斯突出預(yù)測參數(shù)測定的影響[J].煤礦安全，2014，45(5)：138-140.

[5]陳向軍,程遠平,王 林.水分對不同煤階煤瓦斯放散初速度的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(12)：62-65.

[6]牟俊惠,程遠平,劉輝輝.注水煤瓦斯放散特性的研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2012，29(5)：746-749.

[7]張 洲.煤與瓦斯突出礦井鑒定各單向指標關(guān)聯(lián)度研究[D].河南：河南理工大學(xué)，2016.

[8]尚顯光，溫志輝，孫永超.構(gòu)造煤瓦斯放散特性及其影響因素分析[J].煤，2011(6)：31-32，39.

[9]潘紅宇，李樹剛，李志梁，等.瓦斯放散初速度影響因素實驗研究[J].煤礦安全，2013，44(6)：15-17，21.

[10]牟俊惠，程遠平，劉輝輝.注水煤瓦斯放散特性的研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2012，29(9)：746-749.

[責(zé)任編輯：李 青]

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

ZHANG Jiu-ling1，2，F(xiàn)AN 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

國家自然科學(xué)基金項目(51504077，51404086)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2016209056)；河北省科技計劃項目(15274112)；華北理工大學(xué)杰出青年基金(jp201509)

張九零(1979-)，男，河北河間人，博士研究生，副教授，主要從事礦山安全方面的研究。

張九零，范酒源.含水量對瓦斯放散初速度影響規(guī)律的實驗研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：100-101，105.

TD712.52

A

1006-6225(2017)02-0100-02