煤的瓦斯放散特性多因素影響試驗(yàn)

魏宗勇，薛夢華，胡宇航，范富槐，周雨璇，楊 婷，龔宴兵

（1．西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2．教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

煤與瓦斯突出嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，其中煤體瓦斯放散性能是影響煤與瓦斯突出的重要因素，瓦斯放散初速度既是衡量煤體瓦斯放散性能的主要指標(biāo)，又是表征煤層突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)之一[1]。近年來，眾多學(xué)者對(duì)煤的瓦斯放散特性進(jìn)行了深入研究，得到了許多豐富成果[2-6]。這些研究大多數(shù)為單因素對(duì)瓦斯放散特性的影響，多因素影響研究相對(duì)較少。因此，主要通過WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀，基于單因素試驗(yàn)方法與正交試驗(yàn)方法，測定煤體變質(zhì)程度、粒徑大小、含水量等因素影響下的瓦斯放散初速度，利用方差分析法，分析各因素單獨(dú)影響以及影響顯著性，進(jìn)而研究煤體放散特性。

1 試驗(yàn)原理及儀器

試驗(yàn)采用前蘇聯(lián)學(xué)者提出的煤在1 個(gè)大氣壓下吸附45 ～60 s 的瓦斯放散量與0 ～10 s 內(nèi)放散量的差值作為煤的瓦斯放散初速度[7]。試驗(yàn)選用的設(shè)備為中煤科工集團(tuán)沈陽研究院的WT-1 瓦斯放散初速度測定儀[8]。該測定儀整機(jī)電路由單片微機(jī)系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)采集電路、顯示電路、鍵盤、打印機(jī)及電源等部分組成。整個(gè)測試只需根據(jù)計(jì)算機(jī)界面提示按動(dòng)按鍵即可完成，消除人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差，測試后的結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)，并以曲線報(bào)表的形式打印輸出。WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀如圖1。

圖1 WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)研究主要考慮煤的不同變質(zhì)程度（以鏡質(zhì)組反射率R0表征），不同粒徑以及不同含水量對(duì)煤的放散瓦斯速率影響。

煤變質(zhì)程度對(duì)瓦斯放散速率影響的試驗(yàn)，選用5 種煤樣：屯堡（R0=0.45%）、堿溝（R0=0.53%）、硫磺溝（R0=0.66%）、艾維爾溝（R0=0.99%）、小甘溝（R0=1.13%）。

含水量對(duì)瓦斯放散速率影響的試驗(yàn)，選用艾維爾溝及小甘溝2 組，制取4～5 g 粒徑為60～80 目（180～250 μm）的標(biāo)準(zhǔn)煤樣分別浸泡0、2.0、4.0、6.0、8.0 h，浸泡結(jié)束后，稱取自然狀態(tài)下，以及分別浸泡2.0、4.0、6.0、8.0 h 的煤樣各3.5 g 進(jìn)行試驗(yàn)。

煤樣粒徑對(duì)瓦斯放散初速度影響的試驗(yàn)，選用小甘溝及艾維爾溝2 組煤樣，分別篩取20～30 目（0.6～0.9 mm），30～40 目（0.45～0.6 mm），40～50 目（0.355～0.45 mm），50～60 目（0.28～0.355 mm），60～80 目（0.2～0.28 mm）的煤樣進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)方法是一種可滿足均衡性和正交性條件的多因素試驗(yàn)方法，它是從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行，代表點(diǎn)具有整齊和均勻的特點(diǎn)。試驗(yàn)選取煤樣變質(zhì)程度A、含水率B、粒徑C 3個(gè)因素分析，每個(gè)因素設(shè)置3 個(gè)水平，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)以及水平見表1，試驗(yàn)采用“三因素三水平”L9（33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[9]，瓦斯放散初速度正交設(shè)計(jì)方案見表2。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)以及水平

表2 瓦斯放散初速度正交設(shè)計(jì)方案

在試驗(yàn)過程中，煤樣變質(zhì)程度選擇3 種：堿溝（R0=0.53%），硫磺溝（R0=0.66%），小甘溝（R0=1.13%）；含水率選擇3 種：0%、15%、30%；粒徑選擇3 種：20～30 目、40～50 目、60～80 目。

2.3 煤樣制備

仿照篩分模數(shù)測定法[10]，采用落錘法對(duì)每樣進(jìn)行粉碎。即對(duì)試驗(yàn)中選用的3 種煤樣進(jìn)行粉碎，按照粒徑為20～30 目、40～50 目、60～80 目，分別稱取20 g，按照試驗(yàn)方案進(jìn)行編號(hào)，每組試驗(yàn)進(jìn)行2 組，按照試驗(yàn)方案稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的煤樣，在煤樣中加入相應(yīng)質(zhì)量的水（即試驗(yàn)1、試驗(yàn)4、試驗(yàn)7 均為3.5 g煤樣；試驗(yàn)2、試驗(yàn)5、試驗(yàn)8 均為2.975 g 煤樣和0.525 g 水；試驗(yàn)3、試驗(yàn)6、試驗(yàn)9 均為2.45 g 煤樣和1.05 g 水），攪拌，放置30 min 使煤與水充分混合進(jìn)行測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

在WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀上按照單因素試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，煤變質(zhì)程度與瓦斯放散初速度關(guān)系如圖2（1 mmHg=133.322 4 Pa）。

圖2 煤變質(zhì)程度與瓦斯放散初速度關(guān)系圖

從圖2 可知，隨著鏡質(zhì)組反射率R0的增大，瓦斯放散初速度不斷增大。為了精確試驗(yàn)結(jié)果，建立多項(xiàng)式擬合模型、對(duì)數(shù)函數(shù)以及冪函數(shù)擬合模型，對(duì)試驗(yàn)散點(diǎn)圖像及擬合度進(jìn)行分析。通過線性回歸得出瓦斯放散初速度△p 與鏡質(zhì)組反射率R0呈對(duì)數(shù)曲線關(guān)系，擬合方程為：

由以上擬合模型表達(dá)式結(jié)合冪函數(shù)的圖像和性質(zhì)可知，煤變質(zhì)程度對(duì)瓦斯放散初速度的影響基本符合對(duì)數(shù)函數(shù)在第一象限內(nèi)，瓦斯放散初速度△p為增函數(shù)，即得到試驗(yàn)結(jié)果：煤體鏡質(zhì)組反射率R0越大，瓦斯放散初速度△p 越大。艾維爾溝、小甘溝浸泡時(shí)間對(duì)△p 的影響關(guān)系分別如圖3。

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)△p 的影響關(guān)系圖

從圖3 可知，在煤體含水量對(duì)瓦斯放散初速度的影響試驗(yàn)中，含水量越高，瓦斯放散初速度越慢。通過線性回歸得出浸水時(shí)間t 對(duì)瓦斯放散初速度△p 的影響呈二次曲線關(guān)系，擬合方程為：

艾維爾溝：

小甘溝：

煤樣浸水時(shí)間在一定程度上可以決定煤樣的含水量，但不可控因素過多，試驗(yàn)誤差較大，但仍可以從測量數(shù)據(jù)得出含水量越高，則瓦斯放散初速度越小的結(jié)論。但這種影響并不是無限制的。當(dāng)煤樣含水量達(dá)到飽和時(shí)，其瓦斯放散初速度將不再隨浸水時(shí)間的變化而變化，這就可以解釋為什么小甘溝組煤樣在浸水2 h 后瓦斯放散初速度無明顯變化。

粒徑對(duì)△p 影響關(guān)系如圖4。從圖4 試驗(yàn)研究可以初步得到，煤體粒徑越大，瓦斯放散初速度越小。

圖4 粒徑對(duì)△p 影響關(guān)系圖

通過線性回歸得出粒徑φ 對(duì)瓦斯放散初速度△p 的影響呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合方程為：

粒徑對(duì)煤樣瓦斯放散初速度的影響效果很明顯，但當(dāng)粒徑小于一定值后影響效果會(huì)逐漸減弱。同時(shí)，當(dāng)煤樣粒徑增大時(shí)，瓦斯的流動(dòng)阻力不斷增大，使得瓦斯放散初速度減小。隨著粒徑減小，瓦斯放散初速度不斷增大，粒徑越小，煤體破碎度越高，瓦斯放散初速度越大，煤層的突出危險(xiǎn)性就越大[11-14]。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)使用WT-1 型瓦斯擴(kuò)散速度測定儀測定結(jié)果，正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，第1 組瓦斯放散初速度最大，2 次試驗(yàn)平均值為18.05，試驗(yàn)組合為堿溝（R0=0.53%）、0%含水量、20～30 目第6 組瓦斯放散初速度最小，2 次試驗(yàn)平均值為13.35，試驗(yàn)組合為硫磺溝（R0=0.66%）、30%含水量、20～30 目。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

式中：SSi為離差平方和；Iij為i 因素j 水平條件下的△p 值；r 為正交試驗(yàn)水平數(shù)，試驗(yàn)取r＝3；Ik為試驗(yàn)編號(hào)為k 的試驗(yàn)的△p 平均值，k＝1，2，3，…，9；n為總試驗(yàn)次數(shù)，n＝9；m 為各因素水平數(shù)，試驗(yàn)取m＝3。

正交試驗(yàn)在不同變質(zhì)程度A、水份B、粒徑C因素影響下，煤樣瓦斯放散速率F 值分別為：FA＝20．794，F(xiàn)B＝5．343，F(xiàn)C＝1．740。取顯著性水平α＝0．1 進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)結(jié)果方差分析見表4。由結(jié)果可知，變質(zhì)程度的F 值為20．794，大于F 的臨界值F0．1（2，2）＝9．00，說明變質(zhì)程度對(duì)煤樣瓦斯放散速率的影響較顯著。而含水量和粒徑F 值均小于臨界值，說明其對(duì)煤樣瓦斯放散初速度的影響不顯著。由此可以得出，3 個(gè)因素對(duì)煤樣瓦斯放散初速度的影響程度由大到小依次是變質(zhì)程度、含水量和粒徑。

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

4 結(jié) 論

1）鏡質(zhì)組反射率是衡量煤變質(zhì)程度的指標(biāo)，隨著煤變質(zhì)程度的增加，鏡質(zhì)組反射率高，瓦斯放散初速度越大；煤變質(zhì)程度越低，瓦斯放散初速度越小。

2）在一定限度內(nèi)，煤的粒徑越小，其比表面積越大，對(duì)瓦斯的吸附能力越強(qiáng)，則瓦斯放散初速度越大；同時(shí)，當(dāng)煤樣粒徑增大時(shí)，瓦斯的流動(dòng)阻力不斷增大。使得瓦斯放散初速度減小。

3）煤的浸水時(shí)間越長，其含水量越高；煤的含水量越高，瓦斯放散初速度越小。

4）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，各因素對(duì)煤的瓦斯放散初速度敏感性由大到小依次為煤樣變質(zhì)程度、含水量、粒徑。