瓦斯赋存状态对粒煤强度影响的实验研究_贾宏福.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 （51504084） ； 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室开放基金资助项目 （WS2017B12） ； 河南理工大学博士基金资助项目 （B2016-04） 瓦斯赋存状态对粒煤强度影响的实验研究 贾宏福 1， 安丰华1， 2 （1．河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作 454000； 2．煤炭安全生产河南省协同创新中心， 河南 焦作 454000） 摘要 基于粒煤含裂隙少、 实验样本量大的特点， 以含瓦斯粒煤为研究对象， 采用坚固性系数 测定装置来研究煤力学强度与瓦斯关系。研究结果表明 吸附瓦斯、 游离瓦斯都对煤体强度具有 削弱作用； 含吸附性和非吸附性气体煤的坚固性系数与瓦斯平衡压力近似呈线性负相关； 煤中 吸附态瓦斯对煤坚固性系数影响并未明显高于游离瓦斯，但随吸附平衡压力增加有增强趋势； 煤吸附瓦斯引起的坚固性系数变化与吸附量近似呈线性正相关， 可通过吸附量大小来预测煤中 吸附态瓦斯造成的煤体强度变化。 关键词 粒煤强度； 坚固性系数； 吸附瓦斯； 游离瓦斯； 吸附量 中图分类号 TD713文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0029-05 Experimental Study on Influence of Gas Occurrence State on Strength of Granular Coal JIA Hongfu1, AN Fenghua1,2 （1.School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2.Henan Collaborative Innovation Center for Coal Safety Production, Jiaozuo 454000, China） AbstractBased on the characteristics of small cracks and large sample size of granular coal, the gas-bearing granular coal is taken as the research object, and the relationship between coal mechanical strength and gas is studied by using the firmness coefficient measuring device. The results of the study indicate that both adsorbed and free gas have a weakening effect on the strength of the coal body; the firmness coefficient of the coal containing adsorbed and non-adsorbed gas is approximately linearly negatively correlated with the gas equilibrium pressure; the effect of adsorbed gas on the firmness coefficient of coal is not obviously higher than that of free gas, but it tends to increase with the increase of adsorption equilibrium pressure; the change of firmness coefficient caused by the adsorption of coal gas is approximately linearly positive correlated with the adsorption amount, and the change of coal strength caused by the adsorbed state gas in coal can be predicted by the adsorption amount. Key words strength of granular coal; firmness coefficient; adsorption gas; free gas; adsorption capacity DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.006 贾宏福，安丰华．瓦斯赋存状态对粒煤强度影响的实验研究［J］．煤矿安全，2020，51（11） 29-33． JIA Hongfu, AN Fenghua. Experimental Study on Influence of Gas Occurrence State on Strength of Granular Coal［J］. Safety in Coal Mines, 2020, 51（11） 29-33.移动扫码阅读 煤与瓦斯突出是我国乃至世界各国煤矿最为严 重的自然灾害之一。它的发生主要是煤层所处的地 应力状态、瓦斯压力和煤岩物理力学性质综合作用 的结果[1-2]。含瓦斯煤力学行为研究对煤与瓦斯突出 灾害防治和受扰动煤体瓦斯抽采具有重要价值。国 内外学者针对含瓦斯煤岩力学性质进行大量研究。 张遵国[3]等开展了 CH4、 CO2和 He 下煤层吸附变形 实验，建立了综合考虑游离态气体和吸附态气体作 用的煤等温吸附变形模型。姚宇平[4]等通过含瓦斯 煤样的三轴实验，求得了煤强度与孔隙瓦斯压力和 侧压的回归方程。Ranathunga A S[5]通过煤样吸附不 同压力 （2～10 MPa） CO2抗压强度试验， 发现超临界 CO2具有更大的吸附能力， 导致煤基质膨胀， 使煤强 度降低 46。 N I AZIZ[6]分析煤样钻孔冲洗钻屑粒度 分布，研究瓦斯压力对煤体强度影响。大量研究表 明煤的力学特性受煤中吸附瓦斯和游离瓦斯的共同 作用； 游离瓦斯改变了煤的有效受力， 可利用有效应 29 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 煤样 编号 水分 / 灰分 / 挥发分 / 真密度 /g cm-3 假密度 /g cm-3 孔隙率 / JLS KZ 2.05 0.38 7.81 5.41 7.38 35.06 1.55 1.34 1.46 1.21 5.81 9.70 表 1煤基础参数结果 Table 1Coal base parameter results 煤样 编号 BET 面积/ （m2 g-1） 孔体积 （＜300 nm ） / （mL g-1） 平均 孔径/ nm JLS KZ 3.517 0 0.202 2 0.013 95 0.023 51 15.87 186.27 49.40 15.85 1.15 1.05 吸附常数 a/ （mL g-1） 吸附常数 b/MPa-1 表 2煤吸附性能和孔隙结构测定结果 Table 2Measurement results of coal adsorption perance and pore structure 力方程描述[7]； 吸附瓦斯则改变煤表面自由能， 一 方面会引起煤体变形[8-10]， 另一方面改变了煤力学性 质[11-12]。韩晋民[13]、 李小双[14]通过含瓦斯煤三轴压缩 试验发现瓦斯的存在对煤岩力学参数、本构关系 都会产生影响，降低了煤岩强度，使其更容易发生 破坏。前人在研究含瓦斯煤力学行为时大多采用型 煤和原煤进行研究，由于原煤力学试件煤中裂隙弱 面具有非均质性且离散性强，难以对煤中瓦斯影响 形成规律性认识；型煤试件受压制条件的影响较 大，且力学特性与破碎煤体相似，难以反映煤基质 的力学性质。目前，瓦斯与煤体强度关系尚未完全 明确。基于粒煤含裂隙少、 实验样本量大的特点， 可 从统计意义上表征煤的强度，因此以含瓦斯粒煤为 研究对象，以得到广泛应用的坚固性系数 f 值来研 究煤力学强度与瓦斯关系。此外，作为煤与瓦斯突 出危险性指标中表征煤体强度的参数，明确瓦斯对 f 值大小的影响，对煤与瓦斯突出机制认识及防治 亦有重要意义。 1实验方案 1.1基础参数测定 煤样选用了高、 低变质程度煤， 分别取自焦作九 里山煤矿 14 采区二1煤层 （JLS） 和徐州孔庄煤矿 41 采区 8 煤 （KZ） 。采集煤样后， 筛取 0.074～0.2 mm 粒 径煤样进行工业分析，筛取 0.2～0.25 mm 粒径煤样 作甲烷吸附性能和低温液氮吸附孔径分析实验， 筛取 1～3 mm 粒径煤样做坚固性系数测定实验[15]。 依照 MT/T 10872008 标准，利用热重分析法 对 JLS 煤样和 KZ 煤样进行了工业分析；依照标准 GB/T 23561.22009 和 GB/T 69492010 标准， 利 用密度瓶法对煤的真假密度进行了测定，并据此得 到煤的孔隙率， 煤基础参数结果见表 1。 1.2孔隙和吸附性能 煤孔隙结构是影响煤吸附/解吸性能最重要的 因素，进而对煤力学性质产生影响。气体物理吸附 方法是多孔介质孔隙分析最常用的方法之一，其中 77 K 低温下 N2吸附法应用最为广泛。利用美国康 塔公司 AUTOSORB-1，对 JLS 煤样和 KZ 煤样进行 了低温 N2吸附实验，对吸附数据采用 BET 和 BJH 方法做了孔径分析[16]。煤吸附性能和孔隙结构测定 结果见表 2。可以看到， 高阶煤 JLS 煤样尽管孔体积 少于低阶煤 KZ 煤样， 但是孔隙分布以小微孔为主， 平均孔径小而比表面积大。 1.3坚固性系数测定 为分析煤粒强度与瓦斯关系及吸附瓦斯与游离 瓦斯作用差异，分别对 JLS 煤样和 KZ 煤样在吸附 性气体 （CH4） 和非吸附性气体 （He） 、 不同平衡压力 条件下进行了坚固性系数测定，用坚固性系数表征 煤粒强度。 试验装置包括捣碎筒、 0.5 mm 分样筛、 电 子天平、 计量筒、 恒温箱、 真空-充气系统等装置。含 瓦斯粒煤坚固性系数测定过程如下①称取 1～3 mm 粒径煤样 50 g 放入煤样罐中；②将煤样罐抽真 空 8 h 以上； ③向煤样罐注入气体， 然后放入恒温箱 （30 ℃） 中平衡； ④通过注气、 排气， 调整煤样罐内瓦 斯压力， 平衡至预定压力； ⑤煤样吸附平衡后， 将煤 样罐阀门快速打开，迅速进行落锤法坚固性系数测 定实验， 然后用 0.5 mm 分样筛筛选＜0.5 mm 粒径煤 样并称取重量。 实验过程中尽量将落锤破煤过程控制在极短时 间内 （＜1 min） ， 因此可忽略实验中煤粒解吸瓦斯的 影响。 同时， 为提高粒径＜0.5 mm 煤样测量精度和准 度，通过测定锤击后粒径＜0.5 mm 煤样质量来表征 煤粒受破坏程度，再进行粒径＜0.5 mm 煤样质量与 量筒高度比照实验，确定粒径＜0.5 mm 煤样质量对 应高度， 然后将粒径＜0.5 mm 煤样质量转化为 f 值。 2结果与分析 2.1坚固性系数与瓦斯压力关系 JLS 煤样和 KZ 煤样在 CH4和 He 吸附平衡条件 下， f 值随吸附平衡压力变化如图 1。可以看出， 随 CH4压力增加， f 值呈下降趋势。已有研究对不同变 30 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 1f 值随吸附平衡压力变化 Fig.1f values change with adsorption equilibrium pressure 质程度构造煤和非构造煤进行坚固性系数测定， 发 现其随着瓦斯吸附平衡压力增加 （2 MPa 以内） 呈负 指数变化趋势[17]， 但是负指数值极小。 结合实验结果 可以看出， 在 4 MPa 压力范围内 （大多数生产矿井 煤层压力范围） ， f 值与瓦斯吸附平衡压力近似呈线 性负相关。并且，无论是吸附性气体还是非吸附性 气体，煤中瓦斯的存在都降低了煤的强度，且都表 现为线性关系。而相同瓦斯压力条件下， CH4和 He 对 JLS 煤样 f 值的影响都要大于 KZ 煤样。 这可能与 二者孔隙结构有关， KZ 煤有更大孔隙空间和孔径， 暴露后瓦斯更容易释放，瓦斯压力梯度小于 JLS 煤 样， 因此即使是非吸附性气体， 所受影响也小于 JLS 煤样。 2.2吸附对坚固性系数影响 PR 黎金格的新表面说认为脆性体破碎所消耗 的能量与破碎前后粒度反比之差呈正比， f 值正是 建于此基础上， 反映了破碎煤所需功的大小[18]， 即煤 的强度高低。固体吸附气体后表面自由能会发生改 变， 可表示[19] WW0- RT VmS p 0 ∫ V p dp（1） 式中 W 为煤吸附瓦斯后的表面自由能； W0煤 在真空为条件下的表面自由能； R 为普适气体常数； T为绝对温度， K； V 为吸附瓦斯量， mL/g； p 为实际孔 隙瓦斯压力， MPa； S为煤的孔隙比表面积， m2/g； Vm 为标准状态条件下气体的摩尔体积， 取 22.4 L/mol。 若将煤的吸附性能采用 langmuir 方程表示[20]， 则式 （1 ） 可变为 △W aRT VmS ln （1bp）（2） 式中 a 为吸附常数， 即煤粒最大吸附量， 即 mL/ g； b 为吸附常数， 即 MPa-1。 由式 （2 ） 可知， 吸附量 a 值越大， 吸附平衡压力 越高，表面自由能减少越多，煤体破坏所需做功越 少， 即煤粒强度下降越明显。因此， 吸附性气体 CH4 对煤样的作用要高于非吸附性气体 He， 吸附性强的 JLS 煤样 f 值变化高于 KZ 煤样。 不同吸附平衡压力 b、不同吸附量 a 条件下煤 样 f 值变化幅度分别如图 2、 图 3。可以看出， 煤 f 值 变化与吸附平衡压力、 吸附量都近似呈线性正相关。 同时， 由于游离瓦斯在煤体暴露后形成内外压差， 会 促进煤体破坏， 减少 f 值。因此， 含有多态赋存形式 的瓦斯对煤体强度有综合破坏作用， f 值表现出与 吸附平衡压力有更好的相关性，相关系数的平方都 在 0.95 以上。 为分析吸附态瓦斯对煤强度影响， 将 CH4与 He 图 2不同吸附平衡压力 f 值变化幅度 Fig.2Change range of f values of different adsorption equilibrium pressures 图 3不同吸附量 f 值变化幅度 Fig.3Change range of f values of different adsorption amounts 31 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 4吸附作用引起 f 值变化与吸附平衡压力的关系 Fig.4The relationship between the change of f values caused by adsorption and the adsorption equilibrium pressure 引起 f 值变化之差视为吸附作用引起的 f 值变化， 吸附作用引起 f 值变化与吸附平衡压力 b 的关系如 图 4。由图 4 可知， 吸附能力强的 JLS 煤样中吸附态 瓦斯对 f 值作用高于吸附能力弱的 KZ 煤样。 进一步 的， 将 CH4与 He 引起 f 值变化之差与吸附态和游离 态瓦斯引起总 f 值变化之比，作为瓦斯中吸附态瓦 斯作用对总体 f 值变化的贡献度，吸附态瓦斯作用 对总 f 值变化贡献度随吸附平衡压力 b 变化的规律 如图 5。 可以看到， 随吸附增加， 吸附态瓦斯作用整体上 呈增加的趋势，但是表现出一定离散性。同样可以 看到， 对于 f 值， 煤样中吸附态瓦斯相比游离瓦斯并 未表现出明显的削弱差异。 需要注意的是，KZ 煤样 中吸附态瓦斯对煤体强度的作用， 相较于游离瓦斯， 要高于 JLS 煤样。 这可能是由于 KZ 煤样 f 值整体变 化较小， 实验误差会导致更大数据变化， 还需更多 研究。 吸附态瓦斯引起 f 值变化随吸附量 a 变化的规 律如图 6。 可以看出， 不仅对某一煤样瓦斯吸附引起 f 值变化与吸附量呈正比例关系，而且，对不同煤 样，瓦斯吸附引起 f 值变化与吸附量近似呈线性关 系。因此，吸附量大小可以预测不同煤中吸附态瓦 斯造成的煤体强度变化-煤吸附性愈强，吸附瓦斯 越多， 煤体强度降低越多， 更容易受到破坏。 3结论 1） 吸附瓦斯和游离瓦斯都对煤体强度有破坏作 用，煤的坚固性系数与吸附平衡压力近似呈线性负 相关。 2） 对于煤的坚固性系数， 煤中吸附态瓦斯并未 比游离瓦斯表现出更明显的影响， 但是随吸附增加， 吸附态瓦斯的作用整体上呈增强趋势。 3） 对不同煤样， 瓦斯吸附引起的 f 值变化与吸 附量近似呈线性正相关，因此，可通过吸附量大小 来预测煤中吸附态瓦斯造成的煤体强度变化。 参考文献 ［1］ 许江， 鲜学福， 杜云贵， 等．含瓦斯煤的力学特性的实 验分析 ［J］ ．重庆大学学报 （自然科学版） ， 1993， 16 （5） 47－52． ［2］ 许江， 杨孝波， 周斌， 等．突出过程中煤层瓦斯压力与 温度演化规律研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2019， 48 （6） 1177－1187． 图 5吸附态瓦斯作用对总 f 值变化贡献度随吸附平衡 压力变化的规律 Fig.5The law of the contribution of adsorbed gas to the change of total f value with the change of adsorption equilibrium pressure 图 6吸附态瓦斯引起 f 值变化随吸附量变化的规律 Fig.6The law of the change of f values caused by adsorbed gas with the change of adsorbed amounts 32 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 ［3］ 张遵国， 齐庆杰， 曹树刚， 等．煤层吸附 He、 CH4和 CO2 过程中的变形特性 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （9） 2484. ［4］ 姚宇平， 周世宁．含瓦斯煤的力学性质 ［J］ ．中国矿业学 院学报， 1988， 17 （1） 4－10． ［5］ Ranathunga A S ,Perera M S A, Ranjith P G, et al. 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