师宗县煤炭工业局 云南 曲靖 655700
摘要：为了探究注气开采煤层气后煤层突出危险性发生的变化，以煤的瓦斯放散初速度ΔP作为重要指标，开展了常压吸附下CO2和CH4的放散试验。得到在CO2纯气体下，龙拢煤矿煤样瓦斯放散初速度ΔP为39.5 mmHg，是纯CH4气体下ΔP（18.6 mmHg）的两倍多。运用单因素方差分析，进一步证实了不同CO2浓度对煤层突出危险性的显著性。
关键词：注气增产；煤层突出危险性；放散初速度；方差分析；CO2浓度
随着煤矿开采深度的增加，CO2注入深煤层提高CH4气体产量的效果更加显著。同时，由于煤体对CO2具有较强的吸附作用，也是地质储存CO2的理想选择。2003年，加拿大阿尔伯塔?埃德蒙顿研究理事会联合其他相关机构在我国山西开展深部煤层开采注入CO2或CO2/N2混合气体（ECBM），此项技术不仅提高了煤层瓦斯产量和生产效率，而且减少了温室气体对大气层的排放量，更可以长久的封存CO2。近些年来，众多学者对纯CO2、CH4及其混合气体的吸附能力做了大量的试验研究。CO2较强的竞争吸附验证了山西沁水盆地高阶变质煤层注气增产的理论可行性，而对于低挥发性的煤层，CO2驱替呈现出复杂变化的过程。
煤的瓦斯放散初速度ΔP作为判断煤与瓦斯突出危险程度的单项指标之一，反应了含瓦斯煤体放散瓦斯快慢的程度。在煤与瓦斯突出的发展过程中，瓦斯的运动和破坏力，在很大程度上取决于含瓦斯煤体在破坏时瓦斯的解吸与放散能力。注气增产技术以注CO2气体增产效果最为明显，但注入CO2气体对煤的突出危险性尚不明朗。以煤的瓦斯放散初速度ΔP为指标，并结合单因素方差分析的方法，展开注气（CO2）增产技术对煤层突出危险性的影响研究。
1 常压吸附下CO2和CH4的放散试验
1.1 试验煤样
此次常压下煤的放散初速度测定使用的煤样来自师宗县龙拢煤矿煤矿，水分1.34%，灰分12.42%，挥发分18.17%，固定碳68.07%。煤样的采集点都在井下采煤工作面，按煤层破坏类型，分层取样并用塑料保鲜袋紧紧包裹送至实验室。煤样粉碎后，筛选粒度为0.18~0.25 mm的煤样并均匀混合，再使用真空干燥箱（70℃干燥2 h）除掉煤样的外在水分。
1.2 试验配气
试验采用自制配气装置配比不同浓度的CO2和CH4混合气体。整个配气装置由3个气囊室、3个气路开关、60 ml医用注射器和一段气路三通组成。在常压状态下配置一定体积CO2与CH4的混合气体。抽取一部分混合气体，经由气相色谱仪测量其精确的气体浓度。最终五组配气结果见表1。
表1 试验配气浓度表
1.3试验过程
旋下仪器的煤样瓶下部的紧固螺栓，将煤样装入。为防止脱气和充气时的煤尘飞入仪器内部，必须在煤样上盖好一层脱脂棉。装上煤样瓶后先用手扶正，再旋紧紧固螺栓。将试验用气连接到装好煤样的WT-1型瓦斯放散初速度测定仪上，打开真空泵、系统以及主机电源，以不同试验煤样名称命名系统创建的“fs”为扩展名的数据文件。试验结束后，煤样的放散速度曲线及计算结果都被保存起来了。试验原理如图1所示。
在煤与瓦斯突出的发展过程中，瓦斯的运动和破坏力，在很大程度上取决于含瓦斯煤体在破坏时瓦斯的解吸与放散能力。从表2的试验结果表明，随着CO2/CH4混合气体中CO2浓度不断的升高，白龙山煤样的瓦斯放散初速度逐渐增加，两次试验的结果呈现出相似的变化趋势。在CO2浓度低于50%之前，放散初速度ΔP增长趋势较缓。当混合气体中CO2占比超过50%后，放散初速度ΔP增长趋势十分显著。
图2龙拢煤矿煤样在不同含CO2/CH4混合气体下放散初速度测定结果
方差分析是研究一个（或多）个自变量对一个（或多）个因变量影响的方法，是一种非常实用有效的统计检验方法，可以检验相关因素对试验结果影响的显著性。在本次试验中对样品放散速度影响的因素有很多，诸如水分、温度、粒径、灰分等因素。在保证以上可控因素保持相对一致外，运用单因素方差分析含不同CO2浓度的混合甲烷气体对煤瓦斯放散初速度ΔP的影响。其计算公式结果见表3，以白龙山煤矿煤样实测值计算。
注：SS——离差平方和；df——自由度；MS——平均平方。
从F分布表中查得F0.05（5,6）=4.39，F0.01（5,6）=8.75，因F0.05（5,6）<F< F0.01（5,6），所以含CO2浓度的混合气对煤放散初速度影响是显著。
此次研究着重分析两次试验中不同浓度的混合气体对瓦斯放散初速度的影响。实现结果表明，随着CO2/CH4混合气体中CO2浓度不断的升高，白龙山煤的瓦斯放散初速度逐渐增加，且增加效果十分显著。这说明两次试验结果的单项指标（CO2气体）对瓦斯放散初速度ΔP的影响作用较为显著，进而提高了注气增产技术在实际应用中的危险性。在而不同煤种对于CO2和CH4的竞争吸附存在本质的区别，掌握这种对优先吸附行为的控制因素，是未来注气增产技术项目设计必不可少的先决条件。
3 结论
（1）针对现阶段注气增产技术可能产生的潜在隐患，分析了不同CO2浓度的混合CH4气体对瓦斯放散初速度ΔP的作用，研究了注气增产技术对煤层突出危险性的影响，降低对实际情况煤层突出危险性的误判。
（2）试验证明在压力不变的情况下，随着CO2浓度的升高，会使煤体的瓦斯放散初速度ΔP逐渐增大。单因素方差分析结果表明，纯CO2在情况下煤层突出危险性最大，在实际注气增产实施中，应设定在安全合理的浓度范围内。
参考文献
[1]QIN Y. Mechanism of CO2 enhanced CBM recovery in China: a review[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008(3).
[2]申建,秦勇,张春杰等.沁水盆地深煤层注入CO2提高煤层气采收率可行性分析[J].煤炭学报, 2016(1).
论文作者:黎宁
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/3
标签：初速论文; 瓦斯论文; 煤层论文; 气体论文; 浓度论文; 危险性论文; 方差论文; 《防护工程》2019年第6期论文;