金 兵

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

構(gòu)造煤是指在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體的原生結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜的變形或破壞乃至其內(nèi)部的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的一類煤[1]。同原生結(jié)構(gòu)煤相比，構(gòu)造煤具有的低煤體強(qiáng)度，高瓦斯含量以及初期瓦斯快速放散等特性使得它與煤與瓦斯突出緊密的聯(lián)系在一起。國(guó)內(nèi)外大量的事例分析表明，煤與瓦斯突出受構(gòu)造煤控制作用明顯[2-5]。對(duì)于構(gòu)造煤的瓦斯解吸特性，前人在構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征[6-8]、瓦斯解吸數(shù)學(xué)模型與經(jīng)驗(yàn)公式[9-10]等方面進(jìn)行了廣泛的研究。

通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定了不同平衡壓力下寺家莊構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的恒溫瓦斯解吸量和解吸速度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，從構(gòu)造煤厚度與鉆屑敏感指標(biāo)的角度，分析了構(gòu)造煤對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用，對(duì)于煤與瓦斯突出事故的預(yù)防及煤層氣資源的開發(fā)利用具有重要意義。

1 瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由充氣單元、真空脫氣單元、恒溫控制單元及瓦斯解吸測(cè)定單元組成。針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)采集方面進(jìn)行了改進(jìn)，采用數(shù)控恒溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)溫度控制，可實(shí)現(xiàn)-60～150℃范圍的恒溫實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)溫差小于1℃；采用氣體質(zhì)量流量傳感器進(jìn)行解吸數(shù)據(jù)的測(cè)定，傳感器采集精度為±1%F.S，響應(yīng)時(shí)間10 ms，數(shù)據(jù)采集周期為1 s，結(jié)合計(jì)算機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集與實(shí)時(shí)處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

山西陽(yáng)泉寺家莊礦是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性礦井，15號(hào)煤層是煤與瓦斯突出煤層，發(fā)生過多次突出和噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)選用寺家莊礦15號(hào)煤層的原生結(jié)構(gòu)煤及構(gòu)造煤煤樣，按標(biāo)準(zhǔn)（GB 474—2008）進(jìn)行破碎，篩分粒度1～3 mm的煤樣，并在105℃下用干燥箱干燥24 h備用，寺家莊15號(hào)煤層煤樣采樣信息見表1。

表1 寺家莊15號(hào)煤層煤樣信息

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）煤樣預(yù)處理。精準(zhǔn)稱量50 g試樣裝入煤樣罐，壓實(shí)后在煤樣上加蓋脫脂棉，密封煤樣罐后檢查氣密性。

2）煤樣真空脫氣。設(shè)定恒溫箱溫度為（60±1）℃，打開煤樣罐對(duì)試樣真空脫氣至4 Pa，穩(wěn)定2 h后停止脫氣。

3）煤樣吸附平衡。脫氣結(jié)束后，調(diào)整恒溫箱溫度至（30±1）℃，打開充氣閥門，通過緩沖裝置對(duì)煤樣罐充入99.99%純度的甲烷氣體,充氣壓力為理想吸附平衡壓力的1.2倍，在恒溫下吸附48 h至設(shè)定的吸附平衡壓力，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的吸附平衡壓力為0.50、1.00、1.50 MPa。

4）煤樣瓦斯解吸數(shù)據(jù)測(cè)定。解吸溫度設(shè)定為30℃，待傳感器讀數(shù)歸零穩(wěn)定后，放出游離瓦斯，當(dāng)煤樣罐壓力指示為0時(shí)，迅速連接至傳感器進(jìn)行瓦斯解吸速度及解吸量的數(shù)據(jù)測(cè)定，數(shù)據(jù)采集記錄周期為1 s，瓦斯解吸速度及解吸量測(cè)定時(shí)間均為120 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)造煤瓦斯解吸量變化規(guī)律

利用瓦斯解吸參數(shù)測(cè)定裝置對(duì)寺家莊構(gòu)造煤及原生結(jié)構(gòu)煤樣進(jìn)行了不同平衡壓力下的恒溫解吸實(shí)驗(yàn)。構(gòu)造煤與原生煤瓦斯解吸量特征曲線如圖1。

圖1 構(gòu)造煤與原生煤瓦斯解吸量特征曲線

從圖1可以看出，2種結(jié)構(gòu)煤樣的解吸量都隨時(shí)間單調(diào)增加，同一種煤樣的解吸量曲線在不同平衡壓力下具有相似的變化特征，平衡壓力越大，相同時(shí)間內(nèi)的瓦斯解吸量也就越大。與原生結(jié)構(gòu)煤相比，構(gòu)造煤的解吸量曲線具有明顯的分段特征[11]：在煤樣瓦斯解吸初期（0～3 min）內(nèi)，構(gòu)造煤的解吸量迅速增加，特別是第1 min內(nèi)瓦斯解吸量增加最快，此階段為初期解吸段；在3～10 min期間解吸量曲線逐漸趨于平緩，解吸量增長(zhǎng)較快，為快速解吸段；10 min后，解吸量曲線斜率衰減緩慢，解吸量平緩穩(wěn)定增加，為穩(wěn)定解吸段。

為了更好地研究寺家莊構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤試樣的初期瓦斯解吸特征，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中采集的初期解吸階段（0～3 min）及特殊時(shí)間段（0～1 min和 3～5 min)的解吸量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，不同結(jié)構(gòu)煤瓦斯初期解吸量見表2。分析可知，在初期解吸階段，不同平衡壓力下構(gòu)造煤的瓦斯解吸量占120 min總解吸量的比重平均可達(dá)45.69%，遠(yuǎn)高于同條件下原生煤的比重均值21.39%。其中，第1 min內(nèi)構(gòu)造煤的瓦斯解吸量占總解吸量的比重均值為34.72%，是同條件下原生煤的2.79倍，而在第3~第5 min內(nèi)構(gòu)造煤和原生煤瓦斯解吸量占總解吸量的比重均值分別是6.56%和5.71%，差距明顯縮小。通過對(duì)比不同時(shí)間段內(nèi)解吸量占比的變化情況可以看出，構(gòu)造煤與原生煤的初期解吸特征存在顯著差異，構(gòu)造煤的初期瓦斯解吸量對(duì)總解吸量貢獻(xiàn)更大，平均可達(dá)原生煤的2.14倍，這種差距在第1 min內(nèi)尤為明顯，但在1 min后迅速減小,說明構(gòu)造煤的初期解吸特征主要由第1 min內(nèi)解吸特性控制。

表2 不同結(jié)構(gòu)煤瓦斯初期解吸量

2.2 構(gòu)造煤瓦斯解吸速度變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)采集了120 min內(nèi)2種煤樣在各平衡壓力下的瓦斯解吸速度數(shù)據(jù)，從全程的解吸速度曲線上看（圖2），構(gòu)造煤與原生煤的解吸速度主要在在前3 min有較明顯的差距。在初期解吸階段特別是第1 min內(nèi)，構(gòu)造煤與原生煤的解吸速度都隨時(shí)間迅速衰減，但構(gòu)造煤的解吸速度明顯大于同條件下原生煤的解吸速度。

圖2 構(gòu)造煤與原生煤瓦斯解吸速度變化曲線

構(gòu)造煤與原生煤瓦斯初期解吸速度變化情況見表3。在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的3種平衡壓力下，寺家莊構(gòu)造煤瓦斯初始解吸速度（煤體暴露后第1 s瓦斯的解吸速度）可達(dá) 10.11～15.75 mL/(g·min)，是相同實(shí)驗(yàn)條件下原生煤 1.72～2.32 倍；在 0～30 s，30～60 s與 1～2 min內(nèi)構(gòu)造煤的平均速度分別為原生煤的1.60～2.09倍，1.47～1.83倍與 1.41～1.60倍，表明這種差距在第1 min內(nèi)迅速變小，3 min之后構(gòu)造煤與原生煤的解吸速度基本趨于穩(wěn)定。

表3 構(gòu)造煤與原生煤瓦斯初期解吸速度變化情況

3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

實(shí)踐表明，煤與瓦斯突出事故的發(fā)生與構(gòu)造煤分布情況密切相關(guān)。受多期地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，寺家莊礦15號(hào)煤層構(gòu)造煤分布廣泛,且具有條帶狀分布、成層發(fā)育的特點(diǎn)，厚度普遍在0.3 m以上，突出事故以中小型事故為主，多發(fā)于煤巷掘進(jìn)過程中。為預(yù)防突出事故，現(xiàn)場(chǎng)采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1作為局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)。K1的物理意義為在煤樣暴露于大氣1 min內(nèi)，每克煤樣的瓦斯解吸總量，它綜合的反映了煤樣的初期解吸特性。在15106進(jìn)、回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，K1值與構(gòu)造煤厚度隨掘進(jìn)距離的變化情況（圖3）具有較明顯的一致性，構(gòu)造煤厚度增加時(shí)，K1值通常也會(huì)顯著增加。

為更好的研究構(gòu)造煤對(duì)K1的影響特征，根據(jù)數(shù)據(jù)的分布情況，以每200 m長(zhǎng)的巷道作為1個(gè)研究區(qū)間，統(tǒng)計(jì)分析各區(qū)間內(nèi)構(gòu)造煤厚度均值與K1均值，通過數(shù)據(jù)擬合可以看出各區(qū)間的K1均值隨構(gòu)造煤平均厚度的增大而增大，且具有良好的線性相關(guān)性（圖4），說明在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域，構(gòu)造煤的存在加大了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

圖3 K1值與構(gòu)造煤厚度隨掘進(jìn)距離變化情況

圖4 各區(qū)間K1均值隨構(gòu)造煤厚度的變化情況

4 結(jié)論

1）構(gòu)造煤與原生煤的瓦斯解吸量都隨時(shí)間單調(diào)遞增，且平衡壓力越大，相同時(shí)間內(nèi)解吸量越大。構(gòu)造煤解吸量曲線同原生煤相比有顯著的分段特征，可分為初期解吸段、快速解吸段和穩(wěn)定解吸段。

2）構(gòu)造煤的初期瓦斯解吸特征與原生煤相比差異顯著，第1 min內(nèi)瓦斯解吸量可達(dá)120 min總解吸量的31.55%～38.07%，遠(yuǎn)高于同條件原生煤的10.94%～14.24%；構(gòu)造煤的初始解吸速度可達(dá)10.11～15.75 mL/（g·min），是相同實(shí)驗(yàn)條件下原生煤的初始解析速度的1.72～2.32倍，構(gòu)造煤的初期解吸特征主要受第1 min內(nèi)的解吸特性控制。

3）鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1反映了煤樣的初期解吸特征，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，K1均值隨構(gòu)造煤平均厚度的增大而增加，并具有較好的線性相關(guān)性，在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性顯著增加。