煤样多元物性参数在煤与瓦斯突出防治中的应用

石 军

（山西焦煤汾西矿务局双柳煤矿，山西 吕梁 033000）

双柳煤矿位于山西省柳林县西北部，距县城17km，隶属于山西焦煤汾西矿业（集团）有限责任公司。矿井于2001年6月投产，原设计生产能力1.50Mt/a，经过多次技改扩建，批准矿井核定生产能力为3.00Mt/a。2016年瓦斯鉴定，矿井瓦斯绝对涌出量为91.58m3/min,瓦斯相对涌出量为16.87m3/t，为高瓦斯矿井。2016年中国矿大鉴定3+4#煤层标高+430m以深有煤与瓦斯突出危险性，2017年4月矿井升级为突出矿井。对此，必须进一步加强瓦斯防治措施，有效防范瓦斯事故。

1 煤样的选取与加工

为了进一步研究双柳矿3+4#煤层瓦斯参数，分别在3+4#煤层的3个不同的地点进行取样。对不同地点的煤样分别进行试验研究，然后相互对比验证，以避免个别地点个别煤样的特殊性对试验研究过程产生影响。取样地点如表1所示。

表1 煤样选取地点

由于本次研究的各个试验的粒径要求不完全相同，并且不只是同一个煤样，所以在制样过程中要规范操作，避免制出样品不纯而对煤样的分析结果产生影响。根据不同试验的相关要求，现将各试验的粒径及重量要求统计如表2所示。

表2 不同试验煤样制备要求

2 煤样的工业分析及特征参数测定

2.1 煤样的工业分析

煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标，也是评价煤质的基本依据[3]。为了保证试验的准确性，将不同的煤样各分为2组分别进行了测定，测定的结果如表3所示。

根据表3试验结果可以知道，3+4#煤层的水分比较低，基本都在1%以下，属于低水分煤种，且各区域的差异不大。煤的灰分总体较小，深部的煤灰分略低于浅部，可以认为3+4#煤层在煤层深部的煤质优于浅部。试验所测得的挥发分在28.11～30.67%，根据我国依据挥发分大小对煤变质程度的划分，3+4#煤层属于中～高等挥发分的焦煤、肥煤，这一结论与前文根据镜质组反射率的大小判断煤的变质程度基本一致。

2.2 煤样特征参数的测定及分析

特征参数主要包括坚固性系数 和瓦斯放散初速度 以及煤层煤的破坏类型，坚固性系数[4]和煤的破坏类型主要反映煤体自身强度， 则是反映在解吸初期瓦斯放散速率的重要参数，这三个参数也是判断煤层突出危险性的三个重要指标。坚固性系数与瓦斯放散初速度的测定结果如表4所示。

表4 煤瓦斯特征参数测定结果

双柳矿井3+4#煤层的 值大小测定结果在0.36～0.45，均低于《防治煤与瓦斯突出规定》中给定的临界值大小，可知煤的强度较小，抗破坏能力较差。各煤样的瓦斯放散初速度在6.4～9.6之间，整体偏小，并且均小于规定的指标临界值，这主要是因为各煤样孔隙结构中，以小于10nm的微孔发育为主，在解吸的初期，煤体内吸附的瓦斯很难快速解吸出来，致使放散初速度的值较小。三个样品中埋深较深的三采回风巷的样品测得的 最小，放散初速度接近临界值指标。

图1为在井下所取得3+4#煤层暴露面的煤样，观察发现煤样呈不规则块状，色泽半亮，节理较为平整，能用手轻易掰成小块，其硬度中等。根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》对煤的破坏类型的判断依据，可以判断双柳煤矿3+4#煤层的煤的破坏类型属于Ⅱ类。

图1 3+4#煤层煤样

3 瓦斯含量赋存规律

现场采用直接法对三采区煤层进行瓦斯含量测试，得到如表5所示的测定结果。

表5 煤层瓦斯含量测定结果

根据表5做出煤层瓦斯含量和埋深的变化关系图，具体如图2所示。

图2 煤层瓦斯含量和埋深的关系图

如图2所示，根据瓦斯含量与其对应的埋深，得出3+4#煤层埋深与瓦斯含量的关系为y=0.05x-10.729，当煤层瓦斯含量为8m3/t时，计算得出煤层埋深为374.58m。当埋深达500m时，煤层瓦斯含量为14.27m3/t。当达井田埋深600m时，瓦斯含量达19.27m3/t。

4 瓦斯压力赋存规律

根据工程实施方案进行了瓦斯压力测定，具体的瓦斯压力测试结果见表6数据。

表6 煤层瓦斯压力测试结果

根据表6做出三采区3+4#煤层的埋深与煤层相对瓦斯压力的关系如图3所示。

如图3所示，根据相对瓦斯压力与其对应的埋深，得出3+4#煤层埋深与瓦斯压力的关系为y=0.0119x-3.2965，当煤层相对瓦斯压力为0.74MPa时，计算得出煤层埋深为339.2m。当埋深达500m时，煤层瓦斯压力为2.65MPa。

图3 埋深与瓦斯压力关系图

5 结论

（1）工业分析的结果显示3+4#煤层的煤样属于低水分煤。三个地点样品的灰分测定结果差异较大。根据对煤挥发分的试验发现该层煤的挥发分值较大，在28.11～30.67%范围，依据挥发分对煤变质程度的判断，则发现其属于高等变质程度的肥煤或低等变质程度的焦煤，这与镜质组反射率的测得结果基本相同。

（2）煤层的坚固性系数 值较小，三采回风巷的值最小为0.36，超出了《防治煤与瓦斯突出规定》所定的临界值。而其瓦斯放散初速度 最大达到了9.6mmHg，接近了规定的突出危险性临界值。

（3）从煤的物性参数及瓦斯含量和压力参数的测定结果可以看出，3+4#煤层的深部区域煤的煤质较好，具有更好的吸附瓦斯的性能，而且研究表明深部区域的煤体的煤与瓦斯突出危险性更大。

（4）掌握煤的物性参数及瓦斯含量和压力，对矿井瓦斯治理和防治煤与瓦斯突出具有重要价值，是突出防治工作的重要技术基础，可针对性地指导矿井安全生产。