淺談煤階對瓦斯放散初速度及堅(jiān)固性系數(shù)的相關(guān)影響

摘 要：當(dāng)今社會能源的需求量越來越大，煤的開采量及質(zhì)量的要求越來越高。煤礦開采時如果遇到瓦斯氣體，不僅具有爆炸的危險性，同時威脅到開采人員的生命安全。因此對煤礦中的瓦斯應(yīng)予以重視。本文在煤階對瓦斯放散初速度及堅(jiān)固性系數(shù)的相關(guān)影響方面進(jìn)行研究。旨在給廣大煤礦作業(yè)者一些工作上的指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：煤階；瓦斯放散初速度；堅(jiān)固性系數(shù)

瓦斯作為一種無色無味的氣體，具有一定的可燃性。煤礦中的瓦斯含量增多很容易導(dǎo)致工作人員缺氧窒息。而且瓦斯含量增多，在井下極易發(fā)生爆炸，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的生命安全。由于瓦斯主要存在于煤層中，煤階代表了地層中煤化的成熟度，是表示煤層飽和狀態(tài)的參數(shù)。按照煤階的程度不同分為低階煤、中階煤、高階煤三類。其中低階煤分為褐煤、次煙煤；中階煤就是煙煤；高階煤則是人們常說的無煙煤。通過在煤階中對瓦斯的放散初速度和煤堅(jiān)固性系數(shù)的測量，能夠有效測算瓦斯的排放，從而能夠及時采取措施，來保障工作人員的安全。

一、煤階對瓦斯散放初速影響的分析

（一）瓦斯散放初速度的簡介

根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《煤的瓦斯散放初速度指標(biāo)（Δp）測定方法[1]》中的規(guī)定，瓦斯散放初速度是指符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)煤的粒度選取3.5克，在0.1MPa的壓力下，吸附瓦斯在真空空間釋放1060秒的時間，釋放出的瓦斯量。這個瓦斯釋放量用壓差Δp表示，單位（mmHg）。這個指標(biāo)主要反映煤放散瓦斯的能力，按照《瓦斯等級鑒定辦法[2]》中的規(guī)定要求，突出煤層的瓦斯散放初速度要大于等于1333.22Pa。與此指標(biāo)相關(guān)的因素有煤結(jié)構(gòu)、煤堅(jiān)固性系數(shù)、煤變質(zhì)等等?，F(xiàn)在試分析煤放散初速度的影響因素。

（二）相關(guān)影響因素的分析

1.煤堅(jiān)固系數(shù)對瓦斯散放初速度造成的影響

煤堅(jiān)固系數(shù)是反映煤堅(jiān)固的程度，值越大表示煤在瓦斯和地層應(yīng)力的作用下越穩(wěn)定，不易放散瓦斯。煤的堅(jiān)固系數(shù)能夠?qū)ν咚股⒎牌鸬筋A(yù)測的作用。選取不同地點(diǎn)的煤礦煤樣進(jìn)行瓦斯散放初速度的實(shí)驗(yàn)。以氣肥煤煤樣、貧瘦煤煤樣6個、無煙煤煤樣6個同時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)堅(jiān)固系數(shù)減小時瓦斯散放出速度相應(yīng)增大。氣肥煤是富含揮發(fā)成分及膠質(zhì)層的煤層，煤階值最低，在單獨(dú)煉焦時產(chǎn)生大量氣體和液體。貧瘦煤是非常易變質(zhì)的煙煤，煤階程度介于氣肥煤和無煙煤之間，煉焦時主要生成焦粉。無煙煤是煤化程度最高的煤，即煤階最大，其硬度高密度大，無膠質(zhì)層，燃燒時堅(jiān)硬、光滑、火力旺。就煤的變質(zhì)程度來說，貧瘦煤、氣肥煤、無煙煤中，以無煙煤的變質(zhì)程度最大。煤炭含量較為純粹，其他雜質(zhì)較少。氣肥煤中含氣量較多。開采時對于氣體的散放問題要格外注意。

2.煤樣空隙對瓦斯散放初速度造成的影響

煤化程度越高的煤樣，煤的質(zhì)地越緊實(shí)，空隙較??；相反，煤階程度低，結(jié)構(gòu)組織疏松，空隙較多。根據(jù)煤階中的干燥無灰揮發(fā)分及粘結(jié)指數(shù)的不同采集煤樣18個，依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量瓦斯初散放系數(shù)的值繪制曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)，據(jù)介于揮發(fā)分小于0.1的有9個，介于0.1～0.2之間的4個，介于0.2～0.37之間的4個，大于0.37的1個。由此可見，揮發(fā)分在增加時瓦斯散放初速度逐漸的降低。即煤階越高的煤樣變質(zhì)的程度越高，則瓦斯散放初速度越高，煤階較低則變質(zhì)程度相應(yīng)較低，故煤的瓦斯散放初速度也很低。如褐煤就屬于低級未變質(zhì)煤，它的瓦斯散放初速度就很低，可是氣肥煤、煙煤它們的變質(zhì)程度為中級，瓦斯散放初速度就比變質(zhì)程度為高級的無煙煤低。孔隙是煤的物理特性，變質(zhì)程度逐步增大，孔隙率由大變小，瓦斯散放初速度逐漸增大，待瓦斯散放趨于結(jié)束，孔隙逐漸變大并趨于穩(wěn)定。

二、煤階對煤堅(jiān)固系數(shù)的影響

（一）煤階中的水分對堅(jiān)固系數(shù)的影響

煤中存在瓦斯氣體、灰分、還有硅、鈣、鎂等氧化物、鹽類和水分。在開采煤礦的時候，水分進(jìn)入煤層，增加了煤的延性，使煤的脆性減弱。由于水的作用，煤的破碎力度較沒加水時的粒徑增大。這樣煤的堅(jiān)固性系數(shù)較之前的原值偏大。但是這樣就無法區(qū)分煤中的水分到底是自然還是人為因素造成的。影響原始煤層中關(guān)于水分的測定。因此，要預(yù)先測定煤階中的水分，以便為后續(xù)的開采工作提供參考。一般采用破碎法對煤階中的水分進(jìn)行測定。

選取四份煤樣250克，分別為硬煤和軟煤，將4份煤樣敲碎至10～15毫米的粒度。其中硬煤和軟煤的煤樣各兩份，抽取一份硬煤煤樣和一份軟煤煤樣進(jìn)行加水。四分煤樣均放在玻璃密封容器中，由于煤的的硬度不同，在敲碎時硬煤要多敲2次才能達(dá)到力度要求。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，在測定煤的堅(jiān)固性系數(shù)上，水分含量的增大，硬煤和軟煤的堅(jiān)固系數(shù)都相應(yīng)增大。即水分每增加1%，煤樣的堅(jiān)固系數(shù)就會相應(yīng)增加1%～7%。由此可見，煤樣中的水含量對煤的堅(jiān)固系數(shù)有直接影響。

一般地，煤階的指數(shù)越大，則煤階中的灰分、礦物質(zhì)越少，其力度越??；相反地，力度越大的煤，夾雜礦物質(zhì)越多，煤的均勻性也就越差，煤階則越低。如果在進(jìn)行煤層撞擊時，沖擊力逐漸加大，粒度固然會越來越小。粒度越小，沖擊力的平均值就會越小，后期產(chǎn)生煤粉的數(shù)量就會減小，破碎到一定程度后，煤粉的含量將不再增加，撞擊將不會有效。因此，通過煤層的加水才能更好的延緩撞擊的無效率。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果能看出，水分的增加可以使煤的堅(jiān)固性系數(shù)增加。但是水分過多，則會使煤在烘干以后堅(jiān)固性系數(shù)比原值低。因此要掌握煤階中水分的最適添加量。

（二）煤中的灰分、揮發(fā)分、孔隙率對堅(jiān)固系數(shù)的影響

煤的灰分是指煤中的各種無機(jī)礦物。他們以孔隙、裂縫、充填的形式同煤結(jié)合在一起[3]。煤中的揮發(fā)分是可揮發(fā)的有機(jī)質(zhì)，如氮、氫、甲烷、硫化氫等等，它們受熱易揮發(fā)。因此在測定揮發(fā)分的時候，將煤樣隔絕空氣進(jìn)行高溫加熱，有機(jī)質(zhì)分解的氣體和液體之和減去水分，即可得出揮發(fā)分。揮發(fā)分能夠反映煤階的程度，煤階的程度越高，揮發(fā)分就越低；相反的，煤階越低，則揮發(fā)分就越高。即無煙煤的揮發(fā)分低于貧瘦煤揮發(fā)分和氣肥煤的揮發(fā)分。實(shí)際開采作業(yè)中，作業(yè)工人常根據(jù)煤揮發(fā)后焦渣的不同形狀，判斷該煤的加工用途。揮發(fā)分同孔隙、灰分都是聯(lián)系緊密的。根據(jù)對揮發(fā)分的測定，可以發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分與孔隙率存在正相關(guān)，與灰分呈負(fù)相關(guān)。即揮發(fā)分越高的煤樣，其孔隙率越大，灰分越小。而揮發(fā)分越低的煤樣，孔隙率越小，灰分越大。但是有些灰分因?yàn)槌煞謴?fù)雜，不全是無機(jī)礦物，因此有些地區(qū)的煤礦灰分與揮發(fā)分不成負(fù)相關(guān)。

三、結(jié)語

煤階中的瓦斯散放初速度和堅(jiān)固系數(shù)之間的關(guān)系是非常復(fù)雜的，每一個指標(biāo)都有很多相關(guān)的影響分因素。但是通過對這些因素的判斷，可以對煤階情況進(jìn)行大致的分類。高階煤、中階煤和低階煤之間的判定，是通過瓦斯散放初速度和堅(jiān)固系數(shù)作為主要的判定指標(biāo)。因此，對這兩個指標(biāo)的影響因素進(jìn)行判定，有助于對煤層的煤階程度進(jìn)行分析，從而使開采作業(yè)更加明確。為后期原煤的加工提供了方向。避免了無目的的開采和加工，精準(zhǔn)判定煤層的煤階程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐樂華，蔣承林.煤的堅(jiān)固性系數(shù)和瓦斯放散初速度測定過程的影響因素分析[J].煤炭技術(shù)，2012，31（1）：9394.

[2]周詩江，董國安.煤與瓦斯突出危險性評價在新安煤礦10#2煤層的應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2015，（4）：208.

[3]王鵬，蘇現(xiàn)波，韓穎，等.煤體結(jié)構(gòu)的定量表征及其意義[J].煤礦安全，2014，45（11）：1215.

作者簡介：楊香（1986），女，漢族，陜西西安人，本科，助工，研究方向：煤質(zhì)化驗(yàn)。