注氣增產(chǎn)對煤層突出危險(xiǎn)性的方差分析

李國柱

(云南國能煤電有限公司，云南省紅河市，652301)

隨著煤礦開采深度的增加，CO2注入深煤層提高CH4氣體產(chǎn)量的效果更加顯著。同時(shí)，由于煤體對CO2具有較強(qiáng)的吸附作用，也是地質(zhì)儲存CO2的理想選擇。2003年，加拿大阿爾伯塔·埃德蒙頓研究理事會聯(lián)合其他相關(guān)機(jī)構(gòu)在我國山西開展深部煤層開采注入CO2或CO2/N2混合氣體(ECBM)，此項(xiàng)技術(shù)不僅提高了煤層瓦斯產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，而且減少了溫室氣體對大氣層的排放量，更可以長久地封存CO2。近些年來，眾多學(xué)者對純CO2、CH4及其混合氣體的吸附能力做了大量的試驗(yàn)研究。CO2較強(qiáng)的競爭吸附性驗(yàn)證了山西沁水盆地高階變質(zhì)煤層注氣增產(chǎn)的理論可行性，而對于低揮發(fā)性的煤層，CO2驅(qū)替呈現(xiàn)出復(fù)雜變化的過程。

煤的瓦斯放散初速度ΔP作為判斷煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度的單項(xiàng)指標(biāo)之一，反應(yīng)了含瓦斯煤體放散瓦斯快慢的程度。在煤與瓦斯突出的發(fā)展過程中，瓦斯的運(yùn)動和破壞力在很大程度上取決于含瓦斯煤體在破壞時(shí)瓦斯的解吸與放散能力。注氣增產(chǎn)技術(shù)以注CO2氣體增產(chǎn)效果最為明顯，但注入CO2氣體對煤的突出危險(xiǎn)性尚不明朗。以煤的瓦斯放散初速度ΔP為指標(biāo)，并結(jié)合單因素方差分析的方法，開展注氣(CO2)增產(chǎn)技術(shù)對煤層突出危險(xiǎn)性的影響研究。

1 常壓吸附下CO2和CH4的放散試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)煤樣

此次常壓下煤的放散初速度測定使用的煤樣來自云南白龍山煤礦無煙煤，樣品煤中水分1.34%，灰分12.42%，揮發(fā)分18.17%，固定碳68.07%。煤樣的采集點(diǎn)都在井下長臂采煤的頂端處，按煤層破壞類型，分層取樣并用塑料保鮮袋真空包裹送至實(shí)驗(yàn)室。煤樣粉碎后，篩選粒度為0.18～0.25 mm的煤樣并均勻混合，再使用真空干燥箱(70℃干燥2 h)除掉煤樣的外在水分。

1.2 試驗(yàn)配氣

試驗(yàn)采用自制配氣裝置配比不同濃度的CO2和CH4混合氣體。整個(gè)配氣裝置由3個(gè)氣囊室、3個(gè)氣路開關(guān)、60 ml醫(yī)用注射器和一段氣路三通組成。在常壓狀態(tài)下配置一定體積CO2與CH4的混合氣體。抽取一部分混合氣體，經(jīng)由氣相色譜儀測量其精確的氣體濃度。最終五組配氣結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)配氣濃度表 %

1.3 試驗(yàn)過程

旋下儀器的煤樣瓶下部的緊固螺栓，將煤樣裝入。為防止脫氣和充氣時(shí)的煤塵飛入儀器內(nèi)部，必須在煤樣上蓋好一層脫脂棉。裝上煤樣瓶后先用手扶正，再旋緊緊固螺栓。將試驗(yàn)用氣連接到裝好煤樣的WT-1型瓦斯放散初速度測定儀上，打開真空泵、系統(tǒng)以及主機(jī)電源，以不同試驗(yàn)煤樣名稱命名系統(tǒng)創(chuàng)建的“fs”為擴(kuò)展名的數(shù)據(jù)文件。試驗(yàn)結(jié)束后，煤樣的放散速度曲線及計(jì)算結(jié)果將被保存。試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 瓦斯放散初速度測定儀原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在不同濃度CO2/CH4的混合氣體下，不同煤種樣品的放散試驗(yàn)結(jié)果如圖2。以白龍山煤樣為例，僅展示一組試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。不含CO2的瓦斯放散量在最初10 s的放散時(shí)間內(nèi)，其含量變化較緩，由0 ml升高到0.42 ml。隨著混合氣體中CO2占比的增高，0～10 s內(nèi)的放散量逐漸增加。當(dāng)放散氣體為純CO2時(shí)，10 s的放散量上升到1.46 ml。可見不同的放散氣體影響煤樣測定放散初速度ΔP的準(zhǔn)確性。ΔP作為規(guī)定質(zhì)量和粒度煤樣10～60 s時(shí)間內(nèi)釋放出瓦斯量的指標(biāo)，隨著CO2濃度的增加，10～60 s時(shí)間內(nèi)釋放出瓦斯量的差值逐漸增大。這表明在含CO2的放散環(huán)境中，易造成放散初速度ΔP測量值偏大。

表2 白龍山煤樣放散初速度測定表 mmHg

在煤與瓦斯突出的發(fā)展過程中，瓦斯的運(yùn)動和破壞力在很大程度上取決于含瓦斯煤體在破壞時(shí)瓦斯的解吸與放散能力。從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著CO2/CH4混合氣體中CO2濃度不斷的升高，白龍山煤樣的瓦斯放散初速度逐漸增加。第二次試驗(yàn)結(jié)果表明，白龍山煤礦煤樣瓦斯放散初速度ΔP為39.5 mmHg，是純CH4氣體下ΔP(18.6 mmHg)的兩倍多。2次試驗(yàn)的結(jié)果呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，在CO2濃度低于50%之前，放散初速度ΔP增長趨勢較緩。當(dāng)混合氣體中CO2占比超過50%后，放散初速度ΔP增長趨勢十分顯著。

圖2 白龍山煤樣在不同含CO2/CH4混合氣體下放散初速度測定結(jié)果

方差分析是研究一個(gè)(或多個(gè))自變量對一個(gè)(或多個(gè))因變量影響的方法，是一種非常實(shí)用有效的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可以檢驗(yàn)相關(guān)因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性。只有1個(gè)自變量和 1個(gè)因變量，則稱為單因素方差分析。在本次試驗(yàn)中對樣品放散速度影響的因素有很多，諸如水分、溫度、粒徑、灰分等因素。作為方差分析中應(yīng)用廣泛的單因素方差分析，在保證以上可控因素保持相對一致的情況下，單因素方差分析可量化含不同CO2濃度的混合氣體對煤瓦斯放散初速度ΔP的影響。以白龍山煤礦煤樣實(shí)測值計(jì)算為例，其計(jì)算式結(jié)果見表3。

從F分布表中查得F0.05(5,6)=4.39，F(xiàn)0.01(5,6)=8.75，因F0.05(5,6)

此次研究著重分析兩次試驗(yàn)中不同濃度的混合氣體對瓦斯放散初速度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CO2/CH4混合氣體中CO2濃度不斷的升高，白龍山煤的瓦斯放散初速度逐漸增加，且增加效果十分顯著。這說明兩次試驗(yàn)結(jié)果的單項(xiàng)指標(biāo)(CO2氣體)對瓦斯放散初速度ΔP的影響作用較為顯著，進(jìn)而提高了注氣增產(chǎn)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的危險(xiǎn)性。不同煤種對CO2和CH4的競爭吸附存在本質(zhì)區(qū)別，所以掌握這種對優(yōu)先吸附行為的控制因素是未來注氣增產(chǎn)技術(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)必不可少的先決條件。

表3 白龍山煤樣放散初速度ΔP方差分析表

注：SS——離差平方和；df——自由度；MS——平均平方；F——統(tǒng)計(jì)量；m——單因素水平；n——試驗(yàn)次數(shù)；Q1——組間離差平方和；Q2——組內(nèi)離差平方和

3 結(jié)論

(1)針對現(xiàn)階段注氣增產(chǎn)技術(shù)可能產(chǎn)生的潛在隱患，分析了不同CO2濃度的混合CH4氣體對瓦斯放散初速度ΔP的作用，研究了注氣增產(chǎn)技術(shù)對煤層突出危險(xiǎn)性的影響，降低對實(shí)際情況煤層突出危險(xiǎn)性的誤判。

(2)試驗(yàn)證明在壓力不變的情況下，隨著CO2濃度的升高，煤體的瓦斯放散初速度ΔP逐漸增大。單因素方差分析結(jié)果表明，純CO2在情況下煤層突出危險(xiǎn)性最大，在實(shí)際注氣增產(chǎn)實(shí)施中，應(yīng)設(shè)定在安全合理的濃度范圍內(nèi)。