李國(guó)柱

(云南國(guó)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(duì)CO2具有較強(qiáng)的吸附作用，也是地質(zhì)儲(chǔ)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(huì)聯(lián)合其他相關(guān)機(jī)構(gòu)在我國(guó)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(duì)大氣層的排放量，更可以長(zhǎng)久地封存CO2。近些年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)于低揮發(fā)性的煤層，CO2驅(qū)替呈現(xiàn)出復(fù)雜變化的過(guò)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(guò)程中，瓦斯的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(cè)定使用的煤樣來(lái)自云南白龍山煤礦無(wú)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(zhǎng)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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?？梢姴煌姆派怏w影響煤樣測(cè)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(cè)量值偏大。

表2 白龍山煤樣放散初速度測(cè)定表 mmHg

在煤與瓦斯突出的發(fā)展過(guò)程中，瓦斯的運(yùn)動(dòng)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(shì)，在CO2濃度低于50%之前，放散初速度ΔP增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩。當(dāng)混合氣體中CO2占比超過(guò)50%后，放散初速度ΔP增長(zhǎng)趨勢(shì)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(cè)定結(jié)果

方差分析是研究一個(gè)(或多個(gè))自變量對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)煤瓦斯放散初速度ΔP的影響。以白龍山煤礦煤樣實(shí)測(cè)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(duì)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(shuō)明兩次試驗(yàn)結(jié)果的單項(xiàng)指標(biāo)(CO2氣體)對(duì)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(duì)CO2和CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附存在本質(zhì)區(qū)別，所以掌握這種對(duì)優(yōu)先吸附行為的控制因素是未來(lái)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(duì)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(duì)瓦斯放散初速度ΔP的作用，研究了注氣增產(chǎn)技術(shù)對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性的影響，降低對(duì)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)。