85的挥发分与瓦斯放散初速度的关系研究

煤的挥发分与瓦斯放散初速度的关系研究 徐乐华，蒋承林 (中国矿业大学 安全学院，江苏 徐州 221008) 摘 要:在理论分析煤的挥发分与瓦斯放散初速度存在联系的基础上，实验测定了不同挥发分煤 的瓦斯放散初速度。结果表明煤的挥发分与瓦斯放散初速度确实存在联系。煤的挥发分越低， 即煤的变质程度越高，煤的放散初速度越大。 关键词:瓦斯放散初速度;挥发分;变质程度 中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:1003 － 496X(2011)07 － 0021 － 03 Study on Relation between Coal＇s Volatility and Initial Speed of Methane Emission XU Le － hua，JIANG Cheng － lin (Faculty of Safety Engineering of CUMT，Xuzhou 221008，China) Abstract:On the basis of theoretical analysis of the relation between coal＇s volatility and the initial speed of methane emission，experi- ments were done to determine the initial speed of methane emission on different levels of volatility． The results showed that there is rela- tion between coal＇s volatility and the initial speed of methane emission． The lower volatility was，namely the higher the degree of meta- morphism was，the bigger the initial speed of methane emission was． Key words:initial speed of methane emission;volatility;degree of metamorphism 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2006CB202204 － 3) 瓦斯放散初速度△P反映的是煤放散瓦斯的能 力，指含瓦斯煤体暴露时放散瓦斯从吸附状态转变 为游离瓦斯的快慢，它是煤与瓦斯突出危险性预测 的一个重要指标。瓦斯放散初速度和煤的变质程度 存在一定关系，而煤的变质程度越高，煤的挥发分越 低，所以，如果能探索出挥发分和瓦斯放散初速度之 间的关系，那将对我们准确理解不同煤种放散瓦斯 的能力及检验瓦斯放散初速度测定的准确性有一定 的意义。测定瓦斯放散初速度时，就可以参照挥发 分的数值预测瓦斯放散初速度的大概范围，并对测 得的瓦斯放散初速度进行检验。 1 挥发分与瓦斯放散初速度的关系分析 瓦斯放散初速度△P本质上是 3． 5 g 粒度 0． 20 ～ 0． 25 mm的煤样，经抽真空后在 0． 1 MPa压力下 对纯瓦斯进行吸附饱和，在一定负压状态下 10 ～ 60 s的解吸量在特定空间(27 mL)内产生的压力。测 定时，前 10 s瓦斯由吸附状态转变为游离状态产生 的压力为 p1，60 s时为 p2，两者的差值即为瓦斯放散 初速度△P，即:△P = p2 － p1。 煤放散瓦斯的性能是由煤的物理力学性质决定 的，而煤的物理力学性质与煤的变质程度有关，随着 煤的变质程度的增加，即煤的挥发分 Vdaf降低，煤的 比表面积 S大大增加。 经过对不同变质程度的煤样进行煤比表面积测 定，结果表明，贫煤的比表面积基本上在 90 ～ 190 m2 /g范围内变化，瘦煤为 80 ～ 130 m2 /g，焦煤为 50 ～ 120 m2 /g，肥煤为 10 ～ 20 m2 /g。 表 1 是重庆煤研所测定的一些煤样的比表面 积〔1〕。 表 1 挥发分与比表面积 采样 地点 四川 鱼田堡矿 Vdaf /% 17． 50 17． 43 四川 松藻煤矿 10． 85 11． 16 10． 90 江西 涌山煤矿 7． 52 5． 03 7． 70 7． 08 10． 57 S /m2·g － 1 28． 69 93． 32 82． 08 112． 24 56． 97 140． 37 184． 23 255． 13 201． 36 165． 36 分别将表 1 中的挥发分与对应的比表面积在坐 标系中描点，以比表面积为纵坐标、挥发分为横坐 ·12·试验·研究 (2011 － 07) 标。然后运用数学软件对其进行关联，可得结果如 图 1 所示。 图 1 挥发分与比表面积的关系 由所拟合曲线可知，挥发分与比表面积之间存 在负指数关系。 瓦斯放散初速度△P实际上表征的是煤的微孔 结构、孔隙表面性质和煤的破坏程度。显然，不论是 决定扩散的微孔，还是决定渗透的大孔和裂隙均与 煤比表面积有关。研究表明，煤比表面积 S 与瓦斯 放散初速度△P之间存在线性关系〔2〕，满足: S = 10． 3△P + 1． 22 (1) 即:△P =(S － 1． 22)/10． 3 (2) 式中，△P为瓦斯放散初速度;S为比表面积。 综合式(2)和表 1，得到挥发分与瓦斯放散初速 度的一组数据，见表 2。 表 2 挥发分与瓦斯放散初速度 采样 地点 四川 鱼田堡矿 Vdaf /% 17． 50 17． 43 四川 松藻煤矿 10． 85 11． 16 10． 90 江西 涌山煤矿 7． 52 5． 03 7． 70 7． 08 10． 57 △P /133． 3224 Pa 2． 67 8． 94 8． 14 10． 78 5． 41 13． 51 17． 77 24． 65 19． 43 15． 94 分别将表 2 中的挥发分与对应的瓦斯放散初速 在坐标系中描点，以瓦斯放散初速度为纵坐标、挥发 分为横坐标。然后运用数学软件对其进行关联，可 得结果如图 2 所示。 图 2 挥发分与瓦斯放散初速度的关系 所以，煤的挥发分即煤的变质程度与瓦斯放散 初速度存在着负指数关系，假设满足: △P = A1e － B1 × Vdaf (3) 式中，A1、B1 为常数。 下面用实验的方法，研究不同变质程度煤的瓦 斯放散初速度分布特征和统计规律，进而论证这种 关系。 2 实验研究 2． 1 实验概况 为研究不同变质程度煤的瓦斯放散初速度分布 特征和统计规律，首先在贵州省盘县雄兴煤矿等矿 井按《煤的瓦斯放散初速度指标测定方法》AQ1080 － 2009 中的采样要求共采集了 34 个煤样，并收集 到各煤样对应的挥发分数据。其中挥发分低于 10%的煤样 12 份，介于 10%和 20%之间的煤样 10 份，高于 20%的煤样 12 份，挥发分分布较均匀，保 证了煤样采集的科学性。然后对这 34 个煤样测定 了瓦斯放散初速度。 2． 2 实验结果与分析 煤样首先经过干燥 2 h，以保证煤样的水分相 同，然后对各煤样分别进行了 2 次瓦斯放散初速度 实验，各煤样 2 次测得的瓦斯放散初速度相差在 133． 322 4 Pa 之内，符合规定。取 2 个瓦斯放散初 速度的平均值作为该煤样的最终瓦斯放散初速度， 综合挥发分和瓦斯放散初速度实验数据(限于篇 幅，数据表略) ，分别将挥发分与对应的瓦斯放散初 速度在坐标系中描点，以瓦斯放散初速度为纵坐标、 挥发分为横坐标。然后运用数学软件对其进行关 联，可得结果如图 3 所示。 拟合曲线的相关度较高，保证了曲线的精度，规 律存在重复性。由所拟合曲线可知，挥发分与瓦斯 放散初速度之间存在负指数关系，其关系如下: △P = A2e － B2 × Vdaf (4) 式中，A2、B2 为常数。 式(4)与假设所提出的公式(3)具有相同的负 (下转第 27 页) ·22· (第 42 卷第 7 期) 试验·研究 图 4 活化能与温度关系曲线图 2009，36(1) :1 － 3． 〔4〕 李增华，齐 峰，杜长胜，等． 基于吸氧量的煤低温氧 化动力学参数测定〔J〕． 采矿与安全工程学报，2007， 24(2) :137 － 140． 〔5〕 王继仁，邓存宝，单亚飞，等． 煤的自燃倾向性新分类 方法〔J〕．煤炭学报，2008，33(1) :47 － 50． 〔6〕 QI F，LI Z H，PAN S K，et al． Calculation of Apparent Activation Energy of Coal Oxidation at Low Temperatures by Measuring CO Yield〔J〕． Journal of China University of Mining and Technology (English Edition) ，2006，16 (1) :37 － 41． 〔7〕 SUJANTI W，ZHANG D，CHEN X． Low － temperature oxidation of coal studied using wire － mesh reactors with both steady － state and transient methods〔J〕． Combus- tion and Flame，1999，117:646 － 651． 〔8〕 仲晓星，王德明，陆 伟，等． 交叉点温度法对煤氧化 动力学参数的研究〔J〕．湖南科技大学学报(自然科学 版) ，2007，22(3) :13 － 16． 〔9〕 陆 伟，王德明，仲晓星，等． 基于活化能的煤自燃倾 向性研究〔J〕．中国矿业大学学报，2006，35(3) :201 － 205． 〔10〕 徐精彩，文 虎，郭兴明． 应用自然发火实验研究煤 的自然倾向性指标〔J〕． 西安矿业学院学报，1997，17 (2) :103 － 107． 〔11〕 李 文，李保庆． 煤的低温氧化与自燃〔J〕． 煤炭转 化，1995，18(1) :10 － 18． 〔12〕 谢克昌．煤的结构与反应性〔M〕．北京:科学出版社， 2002． 作者简介:高思源(1986 － ) ，男，河北石家庄人，中国矿 业大学在读硕士研究生，主要从事火灾防治理论方面的研 究。 (收稿日期:2010 － 11 － 23;责任编辑:王福厚 檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺 ) (上接第 22 页) 图 3 挥发分与瓦斯放散初速度的关系 指数关系，说明煤的挥发分和瓦斯放散初速度两者 之间确实具有一定的规律性，而且，常数项部分数值 较为接近，即随着挥发分的降低或煤变质程度的提 高，瓦斯放散初速度增大的幅度比较相似，这些都说 明实验较好的对假设进行了论证。 3 结 论 (1)煤的挥发分与瓦斯放散初速度存在关联， 随着煤的挥发分的降低，即煤的变质程度的提高，瓦 斯放散初速度逐渐增大。 (2)瓦斯放散初速度随挥发分的降低而增大， 两者之间具有一定的规律性，呈现负指数关系，并且 满足:△P = Ae － B × Vdaf 参考文献: 〔1〕 俞启香．矿井瓦斯防治〔M〕．徐州:中国矿业大学出版 社，1992:7 － 8． 〔2〕 罗志明．煤比面积和煤与瓦斯突出关系的研究〔J〕．煤 炭学报，1989(1) :45 － 46． 作者简介:徐乐华(1987 －) ，男，江西南昌人，中国矿业 大学 2010 级硕士研究生。 (收稿日期:2011 － 01 － 04;责任编辑:王福厚) ·72·试验·研究 (2011 － 07)