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 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2．教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安710054）

煤與瓦斯突出嚴重威脅煤礦的安全生產，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，又是表征煤層突出危險性的指標之一[1]。近年來，眾多學者對煤的瓦斯放散特性進行了深入研究，得到了許多豐富成果[2-6]。這些研究大多數為單因素對瓦斯放散特性的影響，多因素影響研究相對較少。因此，主要通過WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀，基于單因素試驗方法與正交試驗方法，測定煤體變質程度、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，分析各因素單獨影響以及影響顯著性，進而研究煤體放散特性。

1 試驗原理及儀器

試驗采用前蘇聯(lián)學者提出的煤在1 個大氣壓下吸附45 ～60 s 的瓦斯放散量與0 ～10 s 內放散量的差值作為煤的瓦斯放散初速度[7]。試驗選用的設備為中煤科工集團沈陽研究院的WT-1 瓦斯放散初速度測定儀[8]。該測定儀整機電路由單片微機系統(tǒng)、傳感器、數據采集電路、顯示電路、鍵盤、打印機及電源等部分組成。整個測試只需根據計算機界面提示按動按鍵即可完成，消除人為因素對試驗結果帶來的誤差，測試后的結果自動存儲，并以曲線報表的形式打印輸出。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 試驗設計

2.1 單因素試驗

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

煤變質程度對瓦斯放散速率影響的試驗，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%）。

含水量對瓦斯放散速率影響的試驗，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）的標準煤樣分別浸泡0、2.0、4.0、6.0、8.0 h，浸泡結束后，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 進行試驗。

煤樣粒徑對瓦斯放散初速度影響的試驗，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）的煤樣進行試驗。

2.2 正交試驗

正交試驗方法是一種可滿足均衡性和正交性條件的多因素試驗方法，它是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行，代表點具有整齊和均勻的特點。試驗選取煤樣變質程度A、含水率B、粒徑C 3個因素分析，每個因素設置3 個水平，正交試驗設計參數以及水平見表1，試驗采用“三因素三水平”L9（33）正交試驗設計方法[9]，瓦斯放散初速度正交設計方案見表2。

表1 正交試驗設計參數以及水平

表2 瓦斯放散初速度正交設計方案

在試驗過程中，煤樣變質程度選擇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

仿照篩分模數測定法[10]，采用落錘法對每樣進行粉碎。即對試驗中選用的3 種煤樣進行粉碎，按照粒徑為20～30 目、40～50 目、60～80 目，分別稱取20 g，按照試驗方案進行編號，每組試驗進行2 組，按照試驗方案稱取對應質量的煤樣，在煤樣中加入相應質量的水（即試驗1、試驗4、試驗7 均為3.5 g煤樣；試驗2、試驗5、試驗8 均為2.975 g 煤樣和0.525 g 水；試驗3、試驗6、試驗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行測試。

3 試驗結果分析

3.1 單因素試驗結果分析

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

圖2 煤變質程度與瓦斯放散初速度關系圖

從圖2 可知，隨著鏡質組反射率R0的增大，瓦斯放散初速度不斷增大。為了精確試驗結果，建立多項式擬合模型、對數函數以及冪函數擬合模型，對試驗散點圖像及擬合度進行分析。通過線性回歸得出瓦斯放散初速度△p 與鏡質組反射率R0呈對數曲線關系，擬合方程為：

由以上擬合模型表達式結合冪函數的圖像和性質可知，煤變質程度對瓦斯放散初速度的影響基本符合對數函數在第一象限內，瓦斯放散初速度△p為增函數，即得到試驗結果：煤體鏡質組反射率R0越大，瓦斯放散初速度△p 越大。艾維爾溝、小甘溝浸泡時間對△p 的影響關系分別如圖3。

圖3 浸泡時間對△p 的影響關系圖

從圖3 可知，在煤體含水量對瓦斯放散初速度的影響試驗中，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間t 對瓦斯放散初速度△p 的影響呈二次曲線關系，擬合方程為：

艾維爾溝：

小甘溝：

煤樣浸水時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，試驗誤差較大，但仍可以從測量數據得出含水量越高，則瓦斯放散初速度越小的結論。但這種影響并不是無限制的。當煤樣含水量達到飽和時，其瓦斯放散初速度將不再隨浸水時間的變化而變化，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△p 影響關系如圖4。從圖4 試驗研究可以初步得到，煤體粒徑越大，瓦斯放散初速度越小。

圖4 粒徑對△p 影響關系圖

通過線性回歸得出粒徑φ 對瓦斯放散初速度△p 的影響呈冪函數關系，擬合方程為：

粒徑對煤樣瓦斯放散初速度的影響效果很明顯，但當粒徑小于一定值后影響效果會逐漸減弱。同時，當煤樣粒徑增大時，瓦斯的流動阻力不斷增大，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，煤層的突出危險性就越大[11-14]。

3.2 正交試驗結果分析

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

表3 正交試驗結果

式中：SSi為離差平方和；Iij為i 因素j 水平條件下的△p 值；r 為正交試驗水平數，試驗取r＝3；Ik為試驗編號為k 的試驗的△p 平均值，k＝1，2，3，…，9；n為總試驗次數，n＝9；m 為各因素水平數，試驗取m＝3。

正交試驗在不同變質程度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 進行方差分析，試驗結果方差分析見表4。由結果可知，變質程度的F 值為20．794，大于F 的臨界值F0．1（2，2）＝9．00，說明變質程度對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，說明其對煤樣瓦斯放散初速度的影響不顯著。由此可以得出，3 個因素對煤樣瓦斯放散初速度的影響程度由大到小依次是變質程度、含水量和粒徑。

表4 試驗結果方差分析

4 結 論

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

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

3）煤的浸水時間越長，其含水量越高；煤的含水量越高，瓦斯放散初速度越小。

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