m641豫西三软煤层煤样解吸规律研究

m641豫西三软煤层煤样解吸规律研究

煤层顶板厚度是计算矿山顶板厚度和预测开采量的基础，也是预测煤炭和风险的重要参数之一。瓦斯含量测定方法分为直接测定法和间接测定法。试验表明,用直接法测定煤层瓦斯含量具有快捷、方便等优点,其测定数据可作为瓦斯储量计算、瓦斯涌出量预测及突出危险性预测、瓦斯抽采利用率计算的参考值,由于所测数据较客观真实,因而在条件具备的情况下是首选的方法。直接法测定时现场瓦斯解吸量和粉碎后瓦斯解吸量的测定较完善,测定误差小,关键在于对煤样瓦斯损失量的确定。瓦斯损失量取决于煤样的暴露时间,并且与煤的瓦斯解吸初速度及其随时间变化的规律有密切的关系。由于瓦斯损失量推算方法的不合理,会导致瓦斯含量的测值误差较大。针对上述问题,选取郑煤集团崔庙矿11采区煤样、裴沟矿32采区煤样为研究对象,按煤炭行业标准制备煤样,测试煤样在不同吸附平衡压力下瓦斯解吸量的变化数据,统计分析煤样在不同吸附平衡压力下的解吸规律,得出煤样的解吸函数,确定出适合郑煤矿区的煤样解吸损失量推算公式,为准确测定各矿区瓦斯含量奠定了技术基础。1实验与研究1.1煤样的吸附平衡首先在试验地点选取煤样,装入煤样瓶带到实验室进行粉碎;用标准筛筛分成1~3mm粒级的样品100g;恒温脱气24h以上,脱气真空度在4Pa以下,脱气水浴温度为(60±1)℃;充入纯度99.8%以上的CH4,煤样吸附平衡时间不少于48h,吸附恒温水浴温度为(30±1)℃;煤样吸附平衡后,在恒温水浴温度(30±1)℃下,利用瓦斯解吸量测定仪测定煤样解吸量,按实验要求收集每个时间段的累计解吸量值,同时记下实验室的温度、气压,将解吸量转换为标准状态下的体积,统计分析煤样的解吸数据,找出实验煤样的解吸规律。得出煤样实验室的解吸数据后,用数学软件分析得出煤样的解吸函数,利用煤样特有的解吸函数推算用直接法测定过程中的瓦斯损失量。1.2工业分析方法煤样制备采用GB474—1996《煤样的制备方法》,煤样工业分析采用GB212—2001《煤的工业分析方法》,采用MT/T641—1996《钻屑瓦斯解吸指标的测定方法》测定煤样在不同吸附平衡压力下的煤样累计瓦斯解吸量随时间的变化数据。2结果与分析2.1不同吸附压力下瓦斯解吸特性实验得出同一煤样在不同吸附平衡压力下累计瓦斯解吸量随时间变化的关系曲线,见图1。由图1可看出不同吸附平衡压力下,解吸曲线不同,各曲线的共同特点是随着时间的延长解吸瓦斯量逐渐增加,解吸速度逐渐减小;初始时刻,瓦斯解吸速度大,并且衰减快;吸附平衡压力越大,同一时间,瓦斯解吸量越大;吸附平衡压力越大,煤样初始阶段的瓦斯解吸速度越大。2.2瓦斯解吸量的确定从图2可以看出,在相同时间、相同粒度、相同吸附平衡压力条件下,崔庙矿11采区煤样的初始瓦斯解吸速度大于裴沟矿32采区煤样。崔庙矿11采区煤样的瓦斯解吸速度在前18min较裴沟矿32采区煤样的解吸速度快,但在后期解吸速度则表现为裴沟矿32采区煤样解吸速度大于崔庙矿11采区煤样的解吸速度。由此可以看出,崔庙矿11采区煤样的突出危险性大于裴沟矿32采区煤样。将实验室测得的煤样瓦斯解吸数据进行整理分析后,发现煤样初始时刻的瓦斯解吸量占煤样总解吸量的份额较大,突出煤样这方面的特性更明显。图3为2个煤样不同时刻瓦斯解吸量占总解吸量的份额关系图(200min的解吸量视为总解吸量)。由图3可以看出,崔庙矿11采区煤样前10min的瓦斯解吸量约占总解吸量的55%,裴沟矿32采区煤样前40min的瓦斯解吸量占总解吸量的60%。因此,初始时刻瓦斯损失量的推算要特别重视,不然将会引起较大误差。煤种不同,其瓦斯解吸规律不同,在应用直接法推算瓦斯损失量时应确定所研究煤样特有的解吸函数,由此可较准确地推算出直接法在取煤样过程中的瓦斯损失量,并且应将实验室煤样解吸规律的研究和现场测试工作结合起来确定煤样的瓦斯损失量。2.3煤样的解吸特性以实验室测定崔庙矿11采区煤样、裴沟矿32采区煤样的瓦斯解吸数据为研究对象,研究其累计瓦斯解吸量与解吸时间的函数关系,发现累计解吸量和解吸时间变量呈对数关系。煤样累计瓦斯解吸量对数函数的拟合曲线见图4。图4说明2个煤样的解吸特性均符合对数函数关系,相关系数达到99%以上。应用对数函数关系推算煤样取样过程中的瓦斯损失量准确度较高,并能够满足煤矿工程管理的需要。2个煤样的解吸函数可以表述为Q解=bln(t+c)+a式中:Q解为煤样瓦斯解吸量,m3;a,b,c为煤样解吸常数;t为解吸时间。因此,只要能精确地算出所取煤样的开始解吸时间t0,就能准确测算煤样的瓦斯损失量。根据对数关系推算出的瓦斯解吸量与其真实值的相对误差较小,平均误差仅为1.11%。说明对数关系能较准确地表示郑煤矿区煤样的瓦斯解吸规律和推算出煤样的瓦斯损失量。3解吸时间的确定1)在实验室通过选取崔庙矿11采区煤样、裴沟矿32采区煤样进行试验研究,发现煤样初始时段的瓦斯解吸量占煤样总解吸量的份额较大:崔庙矿11采区煤样前10min解吸量占总解吸量55%以上,说明应用直接法测算煤样瓦斯损失量的方法应恰当选择,不然将引起煤样瓦斯含量计算值的误差较大。2)研究发现,崔庙矿11采区煤样、裴沟矿32采区煤样瓦斯解吸规律可用对数函数进行描述,并得到2个煤样的瓦斯解吸对数函数式。不论时间长短,对数公式推算值和煤样瓦斯解吸量真值拟合效果均非常显著,相关系数达99%以上,平均相对误差仅为1.11%。3)煤样装罐前解吸时间的确定是应用对数法推算瓦斯损失量的关键,煤样开始解吸时间的确定有待于进一步研究。笔者认为不能以取样钻到指定测试煤体深度的时间作为解吸时间的起始时间,应在取样钻孔引起的塑性影响区到达指定取样点的时间作为煤样解吸起始时间,或以取样钻孔钻到指定深度煤体的预排瓦斯范围内时间为起始时间(但此