吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究_张劲松.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的 实验研究 张劲松 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 煤体强度的测定一般在实验室非吸附条件下完成， 为了揭示吸附条件下煤体强度随瓦 斯压力的变化规律， 基于瓦斯防治理论和现场实践， 研制了可实现封闭充气环境下煤坚固性系数 的自动化测试装置， 研究了吸附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律。实验表明 煤的坚固性系 数受煤样瓦斯压力的影响明显， 瓦斯压力越大， 煤体强度越小， 用以抵抗外力破碎的能力越差。 关键词 吸附； 瓦斯压力； 煤体强度； 突出鉴定； 变形理论 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0026-04 Experimental Study on Influence of Gas Pressure on Strength of Coal Body Under Adsorption Condition ZHANG Jinsong （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract The determination of coal strength is usually done under non-adsorption condition in the laboratory． To reveal the variation of coal strength with gas pressure under adsorption condition, based on gas control theory and field practice, an automatic test device for the strength coefficient of coal in closed inflatable environment was developed, the influence of gas pressure on coal strength under adsorption condition is studied． Experiments show that the strength coefficient of coal is obviously affected by the gas pressure of coal sample, the greater the gas pressure is, the smaller the strength of the coal is, and the less able to resist external force breaking． Key words adsorption; gas pressure; coal strength; outbust identification; deation theory 煤层瓦斯压力是标志煤层瓦斯流动和赋存状态 的重要参数。在研究煤与瓦斯突出、 瓦斯涌出、 瓦 斯抽采时， 瓦斯压力都是关键因素[1-2]。在进行突出 危险性预测和鉴定时，瓦斯压力一般均在井下采用 直接法测定。煤的坚固性系数 f 是预测煤与瓦斯 突出危险性的一项重要指标， 是煤体抵抗外力破坏 的一种度量， 其值大小的测定通常在实验室完成， 测定方法主要有点载荷法、 回弹仪测定法和捣碎法 等[3]， 其中普氏捣碎法应用较为广泛。现行煤的坚固 性系数的测定一般在实验室非吸附条件下完成， 测定方法为落锤法， 测定值不能完全反映吸附条件 下相同煤种不同瓦斯压力下的煤体强度变化情 况。同时， 由突出鉴定、 预测相关标准规范可知， 突 出煤层鉴定的单项指标及临界值为[4-6] 煤层瓦斯 压力 p≥0．74 MPa， 瓦斯放散初速度△p≥10 mmHg （1 mmHg＝133．322 4 Pa） ， 煤的坚固性系数 f≤0．5 和 煤的破坏类型 （Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ） 。当瓦斯压力和坚固性系 数具备下列关系时， 一般鉴定为突出煤层 即 f≤0．3， p≥0．74 MPa， 或 0．3＜f≤0．5， p≥1．0 MPa， 或 0．5＜f≤ 0．8， p≥1．50 MPa， 或 p≥2．0 MPa。当煤的坚固性系数 小于等于 0．5 时，鉴定为突出煤层所需的最小突出 压力值为 0．74 MPa； 当煤的坚固性系数大于 0．5 时， DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．007 张劲松．吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1 ） 26-29． ZHANG Jinsong． Experimental Study on Influence of Gas Pressure on Strength of Coal Body Under Adsorp- tion Condition ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 26-29． 移动扫码阅读 26 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 鉴定为突出煤层所需的最小突出压力值为 1.5 MPa。 因此，有必要研究瓦斯压力对煤体强度的影响。因 此，基于吸附条件下瓦斯压力对煤的坚固性系数测 值的影响，利用模拟实验装置，从实验角度研究吸 附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律，为科学 开展突出鉴定 （预测） 及灾害防治提供了新的依据。 1实验装置 基于实验条件下煤的坚固性系数的测定方法， 研制的实验装置集煤样吸附和捣碎测定于一体， 可 以实现煤样吸附条件下的煤体强度测定，研制的吸 附条件下煤体强度实验系统及测定装置如图 1。 实验系统用 1 个类似法兰盘的装置将气缸与破 碎筒用螺柱连接起来， 连接部分采用 “O” 型圈密封， 而气缸杆与气缸端头之间采用组合垫圈实现了动密 封，通过气体压力实现类似油缸活塞杆的自密封， 解决了破碎筒的密封问题。在筒体上设计了脱气 口、 充气口、 放气口以及压力表接口， 且每一接口均 有独立的电磁阀控制。充入饱和甲烷气体情况下， 仪器实现了煤样在封闭环境中的重锤提升-自由下 落-提升的往复运动，实现一定高度下对煤样的自 动破碎，从而实现封闭充气环境下煤坚固性系数的 自动化测试。 2实验方法 考虑到实验目的和突出灾害的实际发生情况， 低变质程度煤种不纳入实验的煤样采集范围，实验 选择较高变质程度的矿区作为煤样采集地点，在正 常生产的采煤、掘进工作面采集原煤煤样，并将煤 样装入专用煤样罐内保湿保鲜，留作实验用。每一 采样地点采取的煤样分 3 份封存， 2 份用作非吸附 条件下煤的坚固性系数 f 的测定，另 1 份用作在实 验装置中进行不同吸附平衡实验。实验步骤如下 1） 将实验装置放置在水泥地板或 2 cm 厚的铁 板上， 分别放入不同煤种试样 1 份， 将 2.4 kg 重锤 提高到 600 mm 高度， 使其自由落下冲击试样， 每份 冲击 3 次[7]， 把 5 份捣碎后的试样装在同一容器中。 2 ）把每组 （5 份）捣碎后的试样一起倒入孔径 0.5 mm 分样筛中筛分， 筛至不再漏下煤粉为止。 3） 把筛下的粉末用漏斗装入计量筒内， 轻轻敲 打使之密实，然后轻轻插入具有刻度的活塞尺与 筒内粉末面接触。在计量筒口相平处读取数 l （即 粉末在计量筒内实际测量高度，读至 mm） 。当 l≥ 30 mm 时， 冲击次数 n 即可定为 3 次， 按以上步骤继 续进行其他各组的测定。当 l＜30 mm 时， 第 1 组试 样作废， 每份试样冲击次数 n 改为 5 次， 按以上步骤 进行冲击、 筛分和测量， 仍以每 5 份作 1 组， 测定煤 份高度 l。 4） 计算煤样的坚固性系数 f f20 n/l（1） 5） 同煤种另一份试样放入实验装置中， 真空泵 脱气后使其在不同瓦斯压力下吸附瓦斯，吸附时间 至少 24 h， 吸附瓦斯后测定坚固性系数变化情况。 3实验结果及分析 根据实验目的，选取并采集了阳泉寺家庄煤矿 15煤层、 贵州金沙县东风煤矿 M9 煤层和新疆阜康 西沟二矿中大槽煤层煤样，其中寺家庄煤矿 15煤 层和贵州金沙县东风煤矿 M9 煤层为煤与瓦斯突出 煤层，阜康西沟二矿为高瓦斯矿井。实验各煤样瓦 斯基本参数见表 1。 为充分揭示瓦斯压力变化对煤体强度的影响规 律及避免实验结果失真带来的不利影响，实验将每 个矿井采集的煤样分成 3 份，其中 2 份用于空气中 坚固性系数测定，另 1 份用于吸附条件坚固性系数 测定。用于空气中坚固性系数测定煤样按矿井名称 分别编号为 DF-1、 DF-2、 SJZ-1、 SJZ-2、 XG-1、 XG-2；用于吸附条件的煤体强度实验测定煤样按 矿井名称分别编号为 DF-3、 SJZ-3和 XG-3。 3.1非吸附条件下煤体强度实验测定 按 GB/T 23561.122010 煤的坚固性系数测定 方法 测定步骤和要求[8]， 非吸附条件下煤样实验测 定结果见表 2。 图 1实验系统及测定装置图 Fig.1Experimental system and measuring device 27 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 4西沟二矿 XG-3煤样实验结果拟合 Fig.4Fitting of XG-3coal sample test results in Xigou Coal Mine 表 1实验煤样瓦斯基本参数 Table 1Basic parameters of coal gas 3.2吸附条件下煤体强度实验测定 为了实验的准确性， 应确保煤样在实验环境 （常 温、 常压） 下处于不可解吸状态。首先将煤样装入实 验装置后用真空泵抽真空 12 h 以上， 然后用高压甲 烷瓶向实验装置内充不同吸附压力的甲烷，待吸附 平衡后测定不同瓦斯压力的煤体强度，吸附条件下 煤样实验测定结果见表 3。 3.3实验结果 针对煤样进行了吸附条件下的煤体强度实验， 实验结果与空气中煤体强度测试结果进行了充分对 比分析， 由实验结果可知， 当瓦斯压力升至 0.4 MPa 时， 煤体强度开始降低， 随着瓦斯压力的升高， 煤体 强度存在着逐渐降低的趋势。为了研究吸附条件下 瓦斯压力对煤体强度的影响规律，将 f 值与充气压 力连线用最小二乘法拟合， 东风煤矿 DF-3煤样、 寺 家庄煤矿 SJZ-3煤样以及西沟二矿 XG-3煤样的 实验结果拟合如图 2～图 4。 可以看出， 吸附条件下瓦斯压力 （≥0.4 MPa） 与 坚固性系数之间近似线性关系，相关系数 R 为 0.9 表 2非吸附条件下煤样实验测定结果 Table 2Test results of coal samples under non adsorption conditions 矿井名称煤层 吸附常数 水分 Mad/ 灰分 Aad/ 挥发分 Vdaf/ 孔隙率 / 取样区域 瓦斯含量/ （m3 t-1） a/ （mL g-1）b/MPa-1 贵州东风煤矿 阳泉寺家庄煤矿 新疆阜康西沟二矿 M9 15 中大槽 34.850 41.068 19.932 1.364 1.352 0.817 1.37 0.81 1.00 9.13 14.51 5.26 6.19 9.23 39.77 2.03 3.01 5.22 11.58 11.22 8.61 煤样编号取样地点坚固性系数煤体结构类型 DF-1 DF-2 SJZ-1 SJZ-2 XG-1 XG-2 10901 工作面 10901 工作面 15205 工作面 15205 工作面 650～720 m 水平 650～720 m 水平 1.40 1.38 0.58 0.62 0.82 0.73 原生煤 原生煤 粉粒煤 粉粒煤 原生煤 原生煤 表 3吸附条件下煤样实验测定结果 Table 3Test results of coal samples under adsorption 煤样编号瓦斯压力/MPa坚固性系数原始瓦斯含量/ （m3 t-1） DF-3 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 2.0 1.38 1.36 1.33 1.31 1.28 1.24 11.58 SJZ-3 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 2.0 0.57 0.54 0.50 0.47 0.45 0.42 11.22 XG-3 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 2.0 0.73 0.69 0.64 0.61 0.58 0.53 8.61 图 2东风煤矿 DF-3煤样实验结果拟合 Fig.2Fitting of DF-3coal sample test results in Dongfeng Coal Mine 图 3寺家庄煤矿 SJZ-3煤样实验结果拟合 Fig.3Fitting of SJZ-3coal sample test results in Sijiazhuang Coal Mine 28 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 以上， 其形式可表示为 fApB（2） 式中 p 为瓦斯压力； A、 B 为与变质程度、孔隙 特征及吸附变形特征等有关的常数。 以 SJZ-3＃煤样为例， 在空气中测定时， f 值达到 0．58， 属于中等硬度， 若单以坚固性系数判断则为无 突出危险性煤层。但随着充气压力分别达到 0．8、 1．2、 2．0 MPa 时， f 值分别下降至 0．50、 0．45、 0．42， 究 其原因主要是由于不同瓦斯压力条件下煤样产生的 吸附膨胀变形量也不同，当瓦斯压力升高时，吸附 使煤样产生膨胀变形，膨胀变形使得强度降低； 当 瓦斯压力降低时，解吸使煤样产生收缩变形，收缩 变形使得强度增加。煤是一种多孔介质，由瓦斯吸 附和岩石力学理论可知，当煤体吸附瓦斯后瓦斯压 力对聚结力有一定的影响，瓦斯压力的增大可使煤 体弱面有效法向应力明显降低，从而使煤体强度降 低， 煤体变软[9-10]， 当煤体处于原始应力状态下， 瓦斯 压力的增加可在一定程度上降低煤体的强度，降低 煤体的抵抗破坏能力。因此在进行单项指标法突出 危险性鉴定 （预测） 时， 当 f 值处于临界值以上较小 范围时， 应充分考虑瓦斯压力的大小对 f 值的影响， 以免鉴定失误造成不良后果。 实验表明煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的 影响明显。瓦斯压力越大， 煤体强度越小， 用以抵抗 外力破碎的能力越差。 4结论 1） 研制的实验装置可实现封闭充气环境下煤坚 固性系数的自动化测试。 2） 吸附条件下瓦斯压力 （≥0．4 MPa） 与坚固性 系数之间近似线性关系， 相关系数 R 在 0．9 以上。 3） 煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明 显。瓦斯压力越大， 煤体强度越小， 用以抵抗外力破 碎的能力越差。 参考文献 ［1］ 王佑安．煤矿瓦斯防治 ［M］ ．北京 煤炭工业出版社， 2001． ［2］ 俞启香．矿井瓦斯防治 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版 社， 1992． ［3］ 刘宗平．关于岩石坚固性系数的测定方法 ［J］ ．武汉地 质学院学报， 1985， 10 （3） 93－102． ［4］ AQ 10242006 煤与瓦斯突出矿井鉴定规范 ［S］ ． ［5］ 201804 煤矿瓦斯等级鉴定办法 ［S］ ． ［6］ 郭晓华， 蔡卫， 马尚权， 等．不同煤种微孔隙特征及其 对突出的影响 ［J］ ．中国煤炭， 2009 （12） 82－85． ［7］ 蔡成功， 王魁军．煤坚固性系数 f 测定中若干问题探 讨 ［J］ ．中国矿业大学学报， 1996， 25 （2） 82－86． ［8］ GB/T 23561．22009 煤和岩石物理力学性质测定方 法 ［S］ ． ［9］ 翟盛锐．不同粒度型煤样瓦斯吸附－解吸变形特征实 验研究 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2018， 14 （6） 84． ［10］ 王禹．瓦斯压力对煤体强度的影响 ［J］ ．煤矿安全， 1995， 26 （5） 39－40． 作者简介 张劲松 （1980） ， 男， 河北保定人， 高级工程 师， 硕士， 2011 年毕业于煤炭科学研究总院， 研究方向为矿 井瓦斯灾害防治。 （收稿日期 2018-04-12； 责任编辑 王福厚） sis by means of microfocus X Ray Computer Tomography （μCT ） An example from coal ［J］ ． Geophysical Re－ search Letters, 2001, 28 （17 ） 3333－3336． ［10］ 朱华银， 安来志， 焦春艳．恒速与恒压压汞差异及其 在储层评价中的应用 ［J］ ．天然气地球科学， 2015， 26 （7） 1316－1322． ［11］Thomas R Elliot, Richard J Heck． A comparison of optical and X－ray CT technique for void analysis in soil thin section［J］ ． Geoderma, 2007, 141 （1） 801． ［12］ 韩强， 屈展， 叶正寅．页岩多尺度力学特性研究现状 ［J］ ．应用力学学报， 2018， 35 （3） 564－570． ［13］ 贾小宝， 牛海萍， 刘鸿福， 等．基于微焦点显微 CT 技 术的不同煤体结构煤的孔裂隙定量表征 ［J］ ．煤矿安 全， 2018， 49 （11） 24－28． 作者简介 李江华 （1981） ， 男， 河南南阳人， 讲师， 硕 士， 2012 年毕业于华中科技大学， 研究方向为工程安全。 （收稿日期 2019-01-24； 责任编辑 王福厚） （上接第 25 页） 29 ChaoXing