張建國(guó) 周紅星 李喜員 張海慶 李廣濤 高軍偉 孫矩正

摘 要：為研究構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯解吸特性及鉆屑解吸指標(biāo)的影響，在平煤十礦己15煤層選取2組構(gòu)造煤樣開展工業(yè)分析、孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試及瓦斯解吸特性的研究。結(jié)果表明：構(gòu)造煤樣普遍呈現(xiàn)出松軟特性，且煤樣間具有相似的瓦斯吸附能力。PMR1和PMR2煤樣的微孔孔容分別為

0.041和0.042 cm3/g，介孔孔容分別為0.001 13和0.002 02 cm3/g，大孔孔容分別為0.004 98和0.008 31 cm3/g。

PMR2煤樣的初始瓦斯解吸能力高于PMR1，瓦斯解吸初期的規(guī)律具有明顯的分段性質(zhì)，依次為快速解吸階段、緩慢解吸階段和平穩(wěn)解吸階段。煤樣第1 min的解吸量占解吸總量的比重為13.4%～30.9%，前10 min的累計(jì)解吸量占解吸總量的比重為40.8%～61.0%，PMR2煤樣快速的瓦斯解吸能力得益于其更發(fā)育的介孔和大孔孔隙結(jié)構(gòu)。煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2值的可靠性分析結(jié)果表明，PMR2煤樣K1值的可靠性低于Δh2值，原因在于PMR2煤樣具有更為發(fā)育的介孔和大孔孔隙結(jié)構(gòu)以及快速的初始瓦斯解吸能力，進(jìn)而增加了實(shí)驗(yàn)誤差;綜合研究表明，平煤十礦己15煤層煤樣Δh2的可靠性要高于K1。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造煤;瓦斯解吸;孔隙結(jié)構(gòu);鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)中圖分類號(hào)：TD 712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）01-0036-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0106

Influence of pore structure of tectonic coal on gas desorption

and gas desorption index of drilling cuttings

ZHANG Jianguo1，2，ZHOU Hongxing3，LI Xiyuan1，2，ZHANG Haiqing1，2，

LI Guangtao2，GAO Junwei2，SUN Juzheng2

（1.State Key Laboratory of Coking Coal Exploitation and Comprehensive Utilization，Pindingshan 467000，China;

2.Tianan Coal Industry Co.，Ltd.，Pindingshan 467000，China;

3.School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：In order to study scientifically the influence of pore structure of tectonic coal on gas desorption and gas desorption index of drilling cuttings，two groups of coal samples obtained from No.15 coal seam of Pingmei No.10 coal mine were selected for industrial analysis and determination of basic physical parameters such as firmness coefficient and gas desorption characteristics.The experimental results show that the tectonic coals are generally soft，and the coal samples have similar gas adsorption capacity.Micropore volumes of PMR1 and PMR2 are 0.041 and 0.042 cm3/g，respectively;mesopore volumes are 0.001 13 and 0.002 02 cm3/g;macropore volumes are 0.004 98 and 0.008 31 cm3/g.There is a higher initial gas desorption capacity for PMR2 than that of PMR1.In the early stage of gas desorption，the rule takes on obvious segmental property，which successively includes rapid desorption stage，slow desorption stage and steady desorption stage.The desorption volume of coal samples in the first minute accounts for 13.4%～30.9% of the total desorption volume，and the cumulative desorption volume in the first 10 minutes? for 40.8%～61.0% of the total desorption amount.The rapid gas desorption ability of PMR2 is attributed to its more developed pore structure.The reliability analysis results show that the reliability of K1 values of PMR2 is lower than that of Δh2 value because of its more developed pore structure and initial gas desorption capacity，which increases the error in the experimental process.The reliability of Δh2? is higher than that of K1.

Key words：tectonic coal;gas desorption;pore structure;desorption index

0 引 言

煤與瓦斯突出嚴(yán)重影響煤礦井下的安全開采，為了保障突出礦井安全生產(chǎn)、提高其經(jīng)濟(jì)效益，必須對(duì)突出進(jìn)行有效的防治[1-3]。由于煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象[4-5]，突出的類型不同，引起突出的危險(xiǎn)因素不同，預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)其敏感性也就不同，選擇合適的突出敏感指標(biāo)的臨界值，研究可靠的突出預(yù)測(cè)手段和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)突出危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，是指導(dǎo)突出防治工作的重要技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也是有效防治突出災(zāi)害并高效開發(fā)利用瓦斯資源的關(guān)鍵基礎(chǔ)[6-9]?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)證實(shí)構(gòu)造煤的存在是煤與瓦斯突出的必要條件[10-11]，而構(gòu)造煤是受到一期或是多期地質(zhì)構(gòu)造作用后形成的一種低強(qiáng)度、高吸附性、快速解吸和低滲透性的一種弱粘結(jié)性煤體[12-13]，而研究表明煤與瓦斯突出多發(fā)生在構(gòu)造區(qū)域附近，尤其是易發(fā)生在斷層、褶曲和煤層的局部變厚帶等區(qū)域范圍內(nèi)[14]。因而構(gòu)造煤的研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出尤其是突出敏感指標(biāo)的分析具有重要意義。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)與原生煤相比發(fā)生了較大程度的改變[15-18]，因此，會(huì)影響到瓦斯的吸附和解吸性能，進(jìn)而會(huì)對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的結(jié)果產(chǎn)生影響。

構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化體現(xiàn)在孔容和比表面積的改變，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了大量的構(gòu)造煤孔隙特性的分析與研究[12-13，18]。王振洋等認(rèn)為構(gòu)造作用會(huì)對(duì)全尺度范圍內(nèi)的微孔、介孔和大孔產(chǎn)生改造效果，促進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)育，進(jìn)而增大了瓦斯的解吸能力[13]。薛光武等結(jié)合壓汞法和N2（77 K）吸附法對(duì)韓城地區(qū)構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，得出煤樣的孔隙均以微孔占比最多，比例可達(dá)74.56%～94.70%;構(gòu)造作用的加強(qiáng)會(huì)迫使開放性孔向細(xì)瓶頸孔轉(zhuǎn)化，增加了微孔比表面積，使微孔對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)影響作用逐漸增大[19]。姜家鈺在總結(jié)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上認(rèn)為構(gòu)造煤發(fā)育的微孔結(jié)構(gòu)會(huì)為瓦斯的吸附提供更多的空間，會(huì)更容易發(fā)生突出事故[20]。路冠文等認(rèn)為高變質(zhì)弱變形煤的瓦斯解吸初期應(yīng)力敏感性最強(qiáng)，低變質(zhì)程度煤的瓦斯解吸初期應(yīng)力敏感性最弱，變質(zhì)作用和構(gòu)造變形均會(huì)促進(jìn)煤的瓦斯解吸能力[21]。李云波等對(duì)不同煤礦構(gòu)造煤的初始瓦斯解吸特性的研究表明，構(gòu)造煤初始瓦斯解吸速度很大，是原生煤的1.36～2.84倍，尤其是在第一分鐘內(nèi)的差異性明顯[16]。構(gòu)造煤的瓦斯吸附和解吸特性與原生煤差異性極大，因此，構(gòu)造煤層的突出危險(xiǎn)性的判斷以及合適的突出敏感指標(biāo)臨界值的選取對(duì)指導(dǎo)井下安全生產(chǎn)意義重大。

河南省平頂山市平煤十礦己組煤層的煤具有松軟易碎的特性，瓦斯含量較大，屬于典型的構(gòu)造煤。2007年11月12日在己15-16-24110綜采面發(fā)生了共計(jì)12人死亡的煤與瓦斯突出事故，煤層的特性即為松軟破碎的構(gòu)造煤。

因此，為了更清楚的認(rèn)識(shí)構(gòu)造煤及指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)工作，有必要對(duì)己組煤層進(jìn)行相關(guān)的瓦斯參數(shù)研究，文中主要以平煤十礦己15煤層為研究的對(duì)象，分別選取了33200機(jī)巷和24130切眼的煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析、瓦斯吸附常數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)特征和瓦斯解吸性質(zhì)的測(cè)定。分析了煤樣的瓦斯解吸性質(zhì)和初始瓦斯解吸能力，以及對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的影響，進(jìn)而分析K1和Δh2的可靠性，為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)煤樣與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

2組構(gòu)造煤樣分別取自于平煤十礦己15煤層的33200機(jī)巷和24130切眼，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室后選取部分煤樣進(jìn)行預(yù)破碎處理，并使用煤樣篩分別篩分出粒徑為1～3，0.2～0.25和0.074～0.2 mm的粉煤顆粒。根據(jù)《煤的工業(yè)分析分析方法》（GB/T 212—2008），選取粒徑0.074～0.2 mm的煤樣用于工業(yè)分析的測(cè)定，其結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PMR1和PMR2的揮發(fā)分結(jié)果相差不大，水分、灰分和固定碳含量則表現(xiàn)出一定的差異性，尤其以灰分含量差異性最為明顯，結(jié)果分別為22.6%和10.91%。

遵循《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》（GB/T 19560—2008），選用粒徑0.2～0.25 mm的煤樣開展煤的高壓甲烷吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。PMR1和PMR2的吸附常數(shù)a值分別為20.2和21.5 m3/t，表明2組煤樣具有相似的瓦斯吸附能力。煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)均小于0.5，最小值為0.27，硬度極低，表現(xiàn)出極為松軟的特性，說(shuō)明煤樣所在的煤層經(jīng)歷了類似斷層、褶曲、滑動(dòng)等地質(zhì)構(gòu)造，從而改變了煤的強(qiáng)度。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)基于容量法設(shè)計(jì)，解吸出的瓦斯氣體采用排水法收集并計(jì)量。首先，將50 g粒徑范圍為1～3 mm的試驗(yàn)煤樣裝入煤樣罐中，并于60 ℃的水浴中進(jìn)行真空脫氣24 h以上，然后向煤樣罐中充入不同壓力的甲烷氣體并置于溫度為30 ℃的水浴中進(jìn)行吸附平衡，期間調(diào)整煤樣罐瓦斯壓力（8 h以上），直至達(dá)到試驗(yàn)平衡壓力（0.6，1.0，2.0，3.0和4.0 MPa）。最后將煤樣罐與解吸裝置相連接進(jìn)行120 min瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)。

N2（77 K）吸附法和CO2（273 K）吸附法用于孔隙結(jié)構(gòu)的分析，儀器采用美國(guó)康塔儀器公司生產(chǎn)的Autosorb iQ2全自動(dòng)氣體吸附分析儀，煤樣的粒徑為0.2～0.25 mm。在分析測(cè)試之前，首先將煤樣在真空干燥箱中干燥5天，預(yù)先脫去煤樣中的水分，然后在130 ℃下加熱，并用分子泵脫氣10 h。當(dāng)脫氣完成且氮?dú)饣靥詈?，?duì)煤樣進(jìn)行最終分析并獲得相對(duì)壓力（P/P0：0.001～0.995）下的吸附等溫線。DFT方法用于分析煤樣的微孔結(jié)構(gòu)，BJH方法用于分析介孔和大孔結(jié)構(gòu)。Kelvin理論認(rèn)為液體的飽和蒸汽壓與彎液面的曲率有關(guān)，表示為半徑為r的液滴的平衡壓力與平液面飽和蒸汽壓的關(guān)系，如式（1）所示。

lnPP=2γrRT

（1）

式中

為液體的摩爾體積，L/mol;r為孔徑范圍，nm;P為平衡壓力，MPa;P0為飽和蒸汽壓，MPa;γ為表面張力，N/m;R為通用氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）。

BET方法多被選擇用于分析煤樣的BET比表面積，其相對(duì)壓力取值范圍在0.05～0.35之間，即處于單層吸附和多層吸附。BET比表面積指的是除去微孔填充外的所有外表面積，其計(jì)算公式如式（2）所示。

v=vmcP（P0-P）[1+（c-1）（P/P0）]

（2）

式中 v為吸附量，cm3/g;vm為單層吸附量，cm3/g;c為常數(shù)。將式（2）轉(zhuǎn)為線性方程式，并以P/[v（P0-P）]對(duì)P/P0作圖即可得到斜率和截距，如果是直線則說(shuō)明BET式成立，進(jìn)而獲得常數(shù)c和單層吸附量vm，表達(dá)式如式（3）所示。

Pv（P0-P）=1vmc

+c-1vmc·

PP0

（3）

在得到單層吸附量的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步由式（4）計(jì)算比表面積。

As=（vmNam/M）×10-18

（4）

式中 As為BET比表面積，m2/g;N阿伏伽德羅常數(shù)，6.022×1023;am為分子占有面積，nm2;M為吸附質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量。

BJH方程則是在Kelvin理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，表達(dá)式如式（5）所示。

rp=rk+t

（5）

式中 rp為孔半徑，nm; rk為Kelvin半徑，nm;t為

吸附層厚度，nm。

BJH方法基于圓柱形孔隙進(jìn)行分析，可測(cè)孔徑范圍在0.9～400 nm之間，但在實(shí)際的分析過(guò)程中，BJH方法僅能獲得2 nm以上的孔隙結(jié)果。因此

，文中僅對(duì)基于N2（77 K）吸附法的介孔和大孔

孔隙結(jié)構(gòu)特征展開分析。為了避免脫附曲線帶來(lái)的假峰干擾，選用吸附曲線對(duì)煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析表征，并選用IUPAC提出的孔隙分類方案對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[22]。

2 構(gòu)造煤瓦斯解吸性質(zhì)研究

如圖2所示，分別給出了2組構(gòu)造煤樣在不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸曲線。從圖中可以看出，雖然煤樣的解吸曲線不同但有一定規(guī)律性，瓦斯解吸量均隨時(shí)間呈階段性增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為近似于Langmuir吸附等溫線的特性，即初始時(shí)刻的瓦斯解吸量較大，越到后期解吸量增加越緩慢，最后隨解吸時(shí)間的無(wú)限增加，解吸量趨于一穩(wěn)定值。煤樣隨時(shí)間的瓦斯解吸量與瓦斯壓力呈近似于拋物線的正相關(guān)關(guān)系，在不同解吸時(shí)間內(nèi)高壓力曲線皆位于低壓力曲線的上方，高壓力曲線初始時(shí)刻的梯度比較大，意味著高壓力條件下煤樣的瓦斯初始解吸速度大。

不同壓力下各曲線的共同特點(diǎn)是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)瓦斯解吸量逐漸增加，瓦斯解吸速度逐漸變小。初始時(shí)刻，瓦斯解吸速度最大，隨后衰減速度增加。吸附平衡壓力越大，同一時(shí)間，對(duì)應(yīng)的解吸瓦斯量越大。從表3看出，對(duì)比2組煤樣的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸量非常接近;隨平衡壓力的增加，煤樣PMR1和PMR2前120 min內(nèi)累計(jì)瓦斯解吸量分別為1.29～5.43和1.30～5.41 mL/g，這與吸附常數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，即2組煤樣間的吸附能力和解吸能力相差不大。

結(jié)合圖2和表3中的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瓦斯解吸初期的規(guī)律具有明顯的分段性質(zhì)：瓦斯解吸初期前3 min內(nèi)的解吸量最大，瓦斯解吸速度快，歸屬于快速解吸階段;3～10 min內(nèi)的解吸量增加放緩，瓦斯解吸速度降低，為緩慢解吸階段;10 min以后，瓦斯解吸速度平穩(wěn)，瓦斯解吸量緩慢增加，為平穩(wěn)解吸階段。從瓦斯解吸性質(zhì)與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的關(guān)系來(lái)講，前3 min內(nèi)瓦斯解吸變化性質(zhì)是影響鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的重要因素。

表3列出了構(gòu)造煤樣在不同吸附平衡壓力條件下，初始瓦斯解吸量與累計(jì)瓦斯解吸量的關(guān)系。觀察表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：構(gòu)造煤樣的初始瓦斯解吸量均很大，且后期衰減迅速。PMR1和PMR2煤樣第1 min解吸量占解吸總量的比重分別為13.4%～22.8%和22.3%～30.9%，前3 min解吸量占解吸總量的比重為22.7%～33.4%和40.2%～49.8%;前10 min解吸量占解吸總量的比重為40.8%～55.6%和51.7%～61.0%。對(duì)解吸特征結(jié)果進(jìn)一步分析可知，平衡壓力越大，單位時(shí)間內(nèi)瓦斯解吸量占總解吸量的比值越小。綜合上述分析結(jié)果可以證實(shí)，構(gòu)造煤體內(nèi)的解吸呈現(xiàn)出初始瓦斯解吸量大，初始解吸速度快的特征;同時(shí)，初始瓦斯解吸特性也驗(yàn)證了瓦斯放散初速度結(jié)果的可靠性。

3 構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯解吸能力關(guān)系

構(gòu)造煤樣的液氮吸附曲線如圖3所示，結(jié)果表明煤樣PMR1和PMR2的吸附量分別為3.87和6.71 cm3/g，后者的吸附量明顯高于前者。相對(duì)壓力接近1時(shí)，吸附量均出現(xiàn)急劇增加，說(shuō)明有更大孔的存在。根據(jù)IUPAC分類標(biāo)準(zhǔn)[22]，煤樣的滯后環(huán)類型類型可視為H3類，表明煤中含有大量的狹縫型孔和不規(guī)則的納米級(jí)孔隙。

基于BJH方法分析得到的構(gòu)造煤樣的孔徑分布特征，結(jié)果如圖4所示?？讖椒植汲尸F(xiàn)出多峰分布特征，在2～5 nm峰強(qiáng)度最為明顯;此后隨孔徑的增大，峰值呈震蕩減小特征，但在330 nm左右會(huì)出現(xiàn)較大峰值。PMR1和PMR2的BET比表面積分別為0.401和0.868 m2/g，表明煤樣均具有較大的瓦斯吸附空間，且后者的BET比表面積結(jié)果相對(duì)更高。BET比表面積的增加并不意味著對(duì)應(yīng)的煤樣具有較高的瓦斯吸附能力，JIN等研究結(jié)果也表明BET比表面積和瓦斯的吸附能力并沒有明顯的關(guān)系[23]。因此，BET比表面積僅可用于分析相應(yīng)的比表面積的大小程度，不能用于瓦斯吸附能力的評(píng)價(jià)。

根據(jù)孔徑分布的結(jié)果，整理并匯總了煤樣的介孔和大孔的孔隙PMR1的介孔和大孔孔容分別為0.001 13和0.004 98 cm3/g，PMR2的介孔和大孔孔容分別為0.002 02和0.008 31 cm3/g。與BET比表面積結(jié)果相似，PMR2煤樣的各階段孔容均出現(xiàn)了增加。根據(jù)孔容和瓦斯吸附能力的關(guān)系，PMR2煤樣的吸附能力應(yīng)該高于PMR1，但前文吸附常數(shù)結(jié)果顯示2組煤樣的a值極為接近，這與普遍認(rèn)識(shí)的關(guān)系相悖。

事實(shí)上，真正影響瓦斯吸附能力的是煤的微孔孔容和比表面積，程遠(yuǎn)平等通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，以微孔填充形式賦存的瓦斯量占計(jì)算極限瓦斯吸附量的99%，認(rèn)為瓦斯主要以微孔填充的形式賦存于煤中[24]。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展了CO2（273 K）吸附實(shí)驗(yàn)，吸附等溫線如圖5所示。從圖中可以看出，PMR1和PMR2煤樣的吸附量分別為12.6和12.7 cm3/g，對(duì)應(yīng)的微孔孔容分別為0.041和0.042 cm3/g，微孔比表面積分別為133.83和133.95 m2/g。上文已經(jīng)提及微孔孔容和比表面積是影響瓦斯吸附能力的主要因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明2種煤樣的微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)非常接近。因此，即便PMR2煤樣的介孔和大孔的孔容等高于PMR1，但其吸附常數(shù)a值相差不大。

微孔結(jié)構(gòu)決定了瓦斯的吸附能力，較大孔隙的結(jié)構(gòu)性質(zhì)會(huì)影響瓦斯的解吸能力，尤其是介孔和大孔的孔隙特征。PMR2的孔隙結(jié)構(gòu)相較于PMR1更為發(fā)育，其中PMR2的介孔孔容和大孔孔容比PMR1增加78.8%和66.9%。對(duì)比煤樣的解吸性質(zhì)可知，不同壓力下PMR1第1 min和前10 min的瓦斯解吸量占120 min解吸總量的平均值為18.6%和47.8%，PMR2占120 min解吸總量的平均值為26.1%和57.5%。結(jié)果表明，介孔和大孔孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)育，相應(yīng)的瓦斯解吸能力越強(qiáng)。煤對(duì)瓦斯的吸附和解吸是可逆的過(guò)程，解吸能力越強(qiáng)，意味著相應(yīng)的瓦斯吸附速度越快。觀察表2中吸附常數(shù)b值的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PMR2煤樣的b值為1.11，高于PMR1煤樣的0.45，表明PMR2煤樣吸附過(guò)程中更容易達(dá)到平衡狀態(tài)，吸附速度更快，這與相應(yīng)的高解吸能力相吻合。綜合孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯吸附和解吸能力的關(guān)系可知，介孔和大孔的發(fā)育程度直接決定了瓦斯的吸附平衡和快速解吸能力，且之間呈正相關(guān)性。

4 實(shí)驗(yàn)室鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的測(cè)定分析

煤的鉆屑瓦斯解吸特征與煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力、煤的破壞程度及煤的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)是反映煤的吸附解吸特征和煤結(jié)構(gòu)特征的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)過(guò)區(qū)域預(yù)測(cè)或者區(qū)域效果檢驗(yàn)判定為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，工作面采掘過(guò)程中均需要采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)進(jìn)行工作面突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)，常用的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)有K1和Δh2。

4.1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2

鉆屑解吸指標(biāo)Δh2的測(cè)定采用MD-2型瓦斯解吸儀，屬于變?nèi)葑儔菏絻x器。儀器的基本原理是，在不進(jìn)行煤樣脫氣和充瓦斯的條件下，煤屑中殘余瓦斯向密閉的空間解吸釋放，造成空間體積和壓力的變化，進(jìn)而通過(guò)水的壓差來(lái)表征煤屑解吸出的瓦斯量，單位為Pa。

Δh2表示的物理意義：煤樣（10 g）自煤體脫落后暴露于大氣中，第3 min至第5 min的瓦斯解吸總量。對(duì)于MD-2型瓦斯解吸儀，每克煤樣第3 min至第5 min瓦斯解吸體積Q和Δh2有以下關(guān)系。

Q=0.008 3Δh2/10

（6）

式中 Q為每克煤樣瓦斯解吸體積，cm3/g;0.008 3為MD-2型瓦斯解吸儀結(jié)構(gòu)常數(shù)。

4.2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1

K1指標(biāo)用煤科總院重慶分院生產(chǎn)的WTC型瓦斯突出參數(shù)儀測(cè)定。在吸附平衡瓦斯壓力作用下，顆粒煤樣暴露于大氣中，煤樣中的瓦斯迅速解吸出來(lái)，K1單位為mL/g·min0.5，BARRER等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出煤樣的瓦斯解吸量與解吸時(shí)間具有以下關(guān)系[25]。

QtQ∞=2AsV

Dtπ

（7）

式中 Qt為到時(shí)間t為止的解吸瓦斯量，cm3/g;

Q∞為經(jīng)過(guò)無(wú)限時(shí)間所能解吸出的瓦斯量，cm3/g;As為試樣的外部表面積，cm2/g;V為試樣的總體積，cm3/g;D為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/g;t為煤樣解吸時(shí)間，min;π為圓周率。

在此基礎(chǔ)上，從國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的鉆屑瓦斯解吸關(guān)系式中，選擇指數(shù)方程對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1進(jìn)行計(jì)算。

Q=K1t

（8）

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1為煤樣自暴露1 min內(nèi)，每克煤樣的瓦斯解吸總量，反映了煤樣瓦斯含量的多少及解吸速度衰減的快慢。不同吸附平衡壓力下K1和Δh2值如圖6所示。結(jié)果表明，PMR1和PMR2煤樣在不同吸附平衡壓力下的K1值分別為0.3～0.78和0.22～0.66 mL/（g·min0.5），Δh2值分別為180～480和130～480 Pa。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析還發(fā)現(xiàn)，煤樣的K1和Δh2值均隨吸附平衡壓力的增加而增加，且相同吸附平衡壓力下，煤樣PMR1的結(jié)果略大于PMR2，但差值不大。Δh2隨瓦斯壓力增長(zhǎng)趨勢(shì)與K1的增長(zhǎng)趨勢(shì)具有較好的一致性，這是由于Δh2和K1都表示煤樣一段時(shí)間內(nèi)的解吸量，反映了煤體的解吸特征，相同的煤體具有相同的解吸規(guī)律，因此對(duì)Δh2和K1的影響也一樣。對(duì)不同壓力下實(shí)測(cè)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)（表4），K1和Δh2與平衡壓力之間的冪指數(shù)關(guān)系明顯，相關(guān)度很高，均在0.96以上。

5 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)估算及可靠性分析

在獲得實(shí)測(cè)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（6）和式（8）將K1和Δh2換算成相應(yīng)的瓦斯解吸量，并與煤樣的實(shí)際瓦斯解吸量進(jìn)行對(duì)比分析的關(guān)系如圖7所示。PMR1實(shí)測(cè)K1值反算的解吸量與第1 min的實(shí)際解吸量相對(duì)誤差為1.8%～20.6%，平均值為10.28%;根據(jù)實(shí)測(cè)Δh2值反算的解吸量與第3至第5 min的實(shí)際解吸量的相對(duì)誤差為2.7%～16.7%，平均值10.98%。PMR2實(shí)測(cè)K1值反算的解吸量與第1 min的實(shí)際解吸量相對(duì)誤差為24.1%～51.6%，平均值為42.7%;根據(jù)實(shí)測(cè)Δh2值反算的解吸量與第3第5 min的實(shí)際解吸量的相對(duì)誤差為3.9%～10.1%，平均值6.44%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤樣PMR1鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2的可靠性均較好，均能較好地反映煤樣的真實(shí)解吸情況。煤樣PMR2鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的可靠性高于K1，根據(jù)實(shí)測(cè)K1值反算的解吸量與第1 min實(shí)際解吸量相對(duì)誤差的平均值為42.7%，誤差值很大。根據(jù)前文關(guān)于孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯解吸能力關(guān)系的分析結(jié)果可知，主要原因在于PMR2具有更高的初始瓦斯解吸能力，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差也越大，K1的可靠性較差。當(dāng)解吸一段時(shí)間后，解吸速率逐漸降低，且下降速度較為明顯，由此產(chǎn)生的誤差也會(huì)隨之降低，所以對(duì)于PMR2煤樣來(lái)說(shuō)，Δh2的可靠性要優(yōu)于K1。根據(jù)2組構(gòu)造煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的結(jié)果，可以得出結(jié)論：對(duì)于具有快速解吸能力的構(gòu)造煤，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的可靠性要優(yōu)于K1;平煤十礦己15煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的可靠性要高于K1。

6 結(jié) 論

1）平煤十礦己15煤層煤質(zhì)較軟，具有較大的瓦斯吸附能力，結(jié)果表明PMR1和PMR2煤樣的吸附常數(shù)a值分別為20.2和21.5 m3/t，瓦斯吸附能力相似。

2）構(gòu)造煤的瓦斯解吸曲線呈類似Langmuir等溫線性質(zhì)，隨解吸時(shí)間的進(jìn)行解吸量增幅逐漸變緩;平衡壓力越大，解吸瓦斯量越大。煤樣PMR1和PMR2前120 min內(nèi)瓦斯解吸量分別為1.29～5.43和1.30～5.41 mL/g。瓦斯解吸初期的規(guī)律具有明顯的分段性質(zhì)，依次為快速解吸階段、緩慢解吸階段和平穩(wěn)解吸階段。PMR1和PMR2煤樣第1 min解吸量占解吸總量的比重分別為13.4%～22.8%和22.3%～30.9%;前10 min解吸量占解吸總量的比重最高達(dá)55.6%和61.0%。

3）煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)控制著瓦斯的解吸特性。PMR2發(fā)育的介孔孔容（0.002 02 cm3/g）和大孔孔容（0.008 31 cm3/g）是決定其瓦斯解吸能力高于PMR1的重要原因。介孔和大孔的孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)育，瓦斯的解吸能力越強(qiáng)。

4）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2的可靠性分析發(fā)現(xiàn)，煤樣PMR2的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的可靠性很差，遠(yuǎn)低于Δh2，主要是因?yàn)榘l(fā)育的孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了更為快速的初始瓦斯解吸能力，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中誤差增大，從而降低了K1可靠性。平煤十礦己15煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的可靠性要高于K1。

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