基于连续冲击震动下煤体瓦斯的释放特征试验研究.pdf

1、第34卷第5期 2015年10月 河南理工大学学报(自然科学版) JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Vo134 NO5 0ct2015 DOI：1016186jcnki1673-9787201505002 基于连续冲击震动下煤体瓦斯的释放特征试验研究 胡水根 ，严家平 ，谢 焰 (1安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；2淮南职业技术学院采矿工程系，安徽淮南232001) 摘要：连续冲击震动可能改变煤体中瓦斯的赋存状态，改善煤层的渗透性，从而提高煤体中气 体的释放速度。试验中将73 kg的煤样密封加压至

2、25 MPa，以O5 MPa的压力注入CH 模拟 N，稳定120 h后将气体自然排出，运用高精度流量计记录排出时间段约18 h的流量。在流量 记录的过程中，对煤样施加质量为136 kg的铁锤，悬挂高度为03 m、频率为80次rain的试 验(进行5组)。结果显示，在持续冲击震动下，煤体中的气体释放速度在记录初期提升30 以上，而在末期，可提高约300。研究表明：连续冲击震动可以提高煤体中气体的释放速度， 为采煤过程中瓦斯抽采效率的提高提供了一种新思路。 关 键 词：连续冲击；冲击震动；煤与瓦斯；瓦斯抽采 中图分类号：TD712 文献标志码：A 文章编号：16739787(2015)050600

3、05 Experimental study on gas release characteristics of coal based on continuous shock and vibration HU Shuigen 一，YAN Jiaping ，XIE Yah (1School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 23200 1，Anhui，China；2Department of Mining Engi neering Huainan VocationalTechnic

4、al College，Huainan 232001，Anhui，China) Abstract：Experimental study is made to verify that continuous shock and vibration may change the gas occur renee in coal，improve the permeability of the coal，and consequently increase the gas release rateIn the present study，a 73 kg coal sample was sealed and p

5、ressurized to 25 MPaN2，which is simulated the gas， was injected and maintained at 05 MPa for 120 hThen the gas was discharged naturally，and the release rate was recorded by a highprecision flowmeter for approximately 1 8 hDuring the gas discharged，the gas was continuously shocked by 136 kg hammerhan

6、ging height of 03 m at a frequency of 80 timesminand 5 groups data were recordedThe results showed that：the release rate of gas improved more than 30at the beginning of the 18 h，and about 300at the endStudy suggests that continuous and shock vibration can ef- ficiendy improve the coal gas release，an

7、d that the method may provides a new idea to raise the efficiency of coal gas drainage during coal mining Key words：continuous shock；shock vibration；coal and gas；gas drainage 收稿日期：2015-05-09 基金项目：国家自然基金资助项目(40972105，41272171) 作者简介：胡水根(1975一)，安徽芜湖人，博士生，主要从事瓦斯地质和矿井地球物理勘探科研工作。 Email：hushuigenustceduen

8、第5期 胡水根，等：基于连续冲击震动下煤体瓦斯的释放特征试验研究 601 O 引 言 煤层瓦斯是以甲烷为主，多种成分混合的气 态物质，在不同温度、压力等外界条件下，绝大部 分以吸附态及少部分以游离态动态平衡地赋存在 煤体内。当外界条件改变时，不同赋存状态瓦斯 可以互相转化，煤层瓦斯的赋存状态或含瓦斯煤 体所处的外界条件直接影响到瓦斯运移和排放。 长期以来，国内外许多学者都曾关注含瓦斯 煤(岩)体在一定的冲击震动条件下，瓦斯赋存状 态及煤(岩)体渗透率变化。高坤等通过高压气 体冲击煤体实验发现：气爆冲击后，煤样渗透率明 显增大。李祥春等研究结果表明：在振动作用 下煤对瓦斯的吸附量减少，振动使煤样

9、中游离态 瓦斯增多，气体压力增大，振动可在煤体内形成裂 隙并扩展 。郑茂盛等研究了振动对岩石及地 层渗透率的影响，分析了振动频率、振幅和时间对 渗透率的影响 。KOGIEGLO等研究表明：煤 层的开采速度增加，矿山震动次数相应增加，瓦斯 涌出量增加，高瓦斯矿井震动，极易造成大量瓦斯 涌出 。陈波等研究了地震活动与煤矿瓦斯溢 出事故之间关系，并从发生地震前后的应力集中、 应力释放、地震活动(冲击地压)等3个角度，分 析了开采空间瓦斯涌出量变化情况 。龚敏等 以重庆市南桐矿穿层爆破为背景，建立了穿层深 孔爆破数学模型，利用数值计算和现场实测抽放 数据相结合的方法，分别研究了各爆破孑L、控制孔 动应

10、力的变化以及爆破应力场强度与抽放效果的 关系 。穆朝民等对定向聚能爆破控制裂纹演 化方向的理论和方法进行研究，在潘三矿掘进工 作面现场运用定向聚能爆破技术，试验结果达到 了增加煤体裂纹与保护围岩稳定性有机的统 一 。Zofia MAJEWSKA等利用实验室煤样瓦斯 吸附与解吸装置，对瓦斯的吸附与解吸过程进行 动态观测 ，研究表明：(1)声发射现象随时问 和应力变化，吸附不同气体后，声发射效果不同； (2)不同煤阶、不同结构类型的煤，对气体的吸附 与解吸特征不同。严家平等通过对声波场作用前 后的煤体力学特征和渗透性能的动态监测对比分 析，认为声波振动能够提高煤体的渗透能力 。 可见，无论是冲击作

11、用下，还是震动条件下， 均可使煤体中瓦斯赋存状态发生变化，瓦斯释放 速度得到相应提高；煤(岩)体的渗透率得到改 善，有利于瓦斯气体运移。而在连续冲击震动作 用下，对含瓦斯煤(岩)体中瓦斯释放特征及岩体 的渗透率有何影响，还未见相关文献报道。因此， 研究连续冲击震动下煤体瓦斯释放特征，既可丰 富瓦斯解吸与放散的相关理论，又可将这一研究 成果运用于煤层瓦斯抽采和煤层气开采技术领 域。 l 试验装置与样品 11试验装置 试验采用了安徽理工大学瓦斯地质实验室自 行研制的煤体瓦斯动力模型(图1)，利用N，模拟 瓦斯气体。该装置包括：装样系统、自动加压系 统、高压气体注入系统、冲击动力系统及信息采集 系统

12、等五部分。装样系统是一套高强度的不锈钢 材质容器，按照密闭高压容器的要求进行设计与 加工，可耐高压，模拟煤矿井下自然环境下的煤 体。装样容器内径280 mm，装样后煤样的有效长 度1 000 mm；为使煤样密实，轴向设计最大压力 为25 MPa，装样系统最大能耐注气压力为3 MPa； 配备有高精度气体流量计、气体压力测量仪表，可 实现连续长时问在线监测、数据保存与处理，瓦斯 动力模型实验装置如图2所示。 图1试验装置示意图 Fig1 Experimental device sketch 一一 r 河南理工大学学报(自然科学版) 2015年第34卷 图2瓦斯动力模型实验装置 Fig2 Gas d

13、ynamic model experimental device 12样品制备 试验煤样取自淮南矿区潘三煤矿11-2号煤 层，采样深度600 m，煤种为气煤，密度为132 10 kgm 。井下现场观察该层煤有破碎、挤压迹 象，一部分煤用手可捏成碎块，据2009年国家安 全生产监督管理总局令第19号防治煤与瓦斯 突出规定可将该煤层煤的破坏类型确定为或 类煤。在制作煤样前，将煤样粉碎，烘干，取碎 煤共7298 kg且要求粒径小于25 mm，加入装样 系统的不锈钢高压缸体中。为定量评价试验煤样 的煤体结构破碎程度，随机称取该煤样134 kg 进行筛分，其结构组分见表1。煤样加完后，液压 系统缓慢加压

14、直到25 MPa，总的压密时间约 70 h，保持该压力100 h直至煤体稳定，此时，经 计算煤体的密度约为127 gcm 。 表1煤样的粒径分布 Tab1 Grain size distribution of coal sample 2试验方法 21气体自然吸附及解吸 为监测试验过程中气压变化，在装样系统的 缸体侧壁预留孔处安装气压传感器，并检查整体 装样缸体的气密性，要求煤体在加气压闭气24 h 后，气压值不下降。向密闭的煤样容器内连续注 入05 MPa压力的气体并稳定120 h，以使煤样充 分吸附。切断注气气源，打开煤样容器开关，让煤 样中的气体自由释放。在释放初期，由于气体流 量很大，不

15、是较好的试验时间段，所以待气体流量 小于160 mLmin时，用高精流量计进行记录，本 试验采用FM310系列质量流量控制器，量程为 200 mLmin，准确度为1FS。图3是流量与 时间的关系图，图中的5次凸起为5组冲击震动， 记录时长约18 h。 ：量 詈 皇 U j600 7200 6l200 64800 s 图3气体流量与时间的关系图 Fig3 Relation diagram between gas flow and time 22持续冲击震动方式 为研究在持续脉中冲击震动下气体解吸特 征，在煤体自由释放气体期间，使用质量为 136 kg的铁锤，悬挂高度为03 m自由落体冲击 煤样的

16、容器刚体正上方中心。根据多次试验观 察，冲击时间间隔与能量必须在一定范围内才有 较好效果，图4是不同冲击次数下对流量影响结 果。从图4可看出：冲击频率越高，效果越明显。 但考虑到试验的可行性及研究内容，试验时将频 率确定约80次min，分别在气体释放过程中5个 不同的时间点对煤样进行5组不等时间持续冲击 震动(如图3中的、)。在连续冲 击时，气体的流出速度加快，其中、这 4组冲击震动原则：以上述方式连续冲击震动，当 流量达到最大值时停止冲击所记录下的流量与时 间的关系图，而是流量达到最大值后，继续冲击 震动了一段时间后停止(图5)。为便于分析第 、组的震动效果，现将这两组的震动点分别进 行局部

17、放大，图5是后两组的放大图。 _、 量 g 吕 咖 0 50 100，150 200 250 ts 图4不同频率冲击震动下流量变化图 Fig4 Flow variation chart under different frequency shock and vibration 加蚰加O 加 H 6 4 2 第5期 胡水根，等：基于连续冲击震动下煤体瓦斯的释放特征试验研究 60000 61000 62000 63000 64000 t 图5持续冲击振动局部效果图 Fig5 Continuous pulse vibration local effect diagram 3数据结果与分析 31试验结

18、果 在气体释放初期，煤样大裂隙、大孔隙空间的 大量气体会在内外压差条件下迅速溢出，气体流 量衰减得很快，其流量与时间的关系在本次试验 中见图3的前3 600 S。从图3可看出气体自然解 吸过程中，流量与时间的对应关系。当有可持续 脉冲震动冲击震动下，可明显加快气体的解吸速 度。为考察这5组量化效果，采用有效作用时间 内等时长(本试验均取峰值前后数据点11个)的 平均气体流量与正常流量比较，即为(VaVo一 1)100，(V 为连续脉冲冲动震动影响下的气 体平均流量值， 为震动前的正常流量值)计算 出每一组的提高效率结果分别为：3717； 4107；( 4729；32153；3l767。 从这5

19、组的震动效果可以看出，在持续冲击 震动作用下，煤体中的气体流出速度明显加快：最 低提高了37，最高达到了300；当气体流量 达到最大值时，若继续实施冲击震动，则气体的流 量会维持在高位一段时间后，随着时间推移而逐 渐降低(衰减)到初始流量附近；但若是长时间的 冲击震动，则下降稳定后的流量比震动前的流量 也有所提高(图5中的)，经计算，气体的释放 速度在第组震动后的平均速度较震动前提高了 612。 32结果分析 气体在煤样中储存的空间主要由煤样裂隙、 孔隙及基质的大孔、中孔、小孔及微孔 u-等。在 气体释放初期，其流量与时问的关系在本次试验 中见图4前3600 s，气体的流量随时间衰减得很 快，

20、在短短1 h之内流量衰减到不足初始值的 20，主要原因可能是此时的气体主要来源于煤 样裂隙、孔隙及基质的大孔等空间的大量气体，它 们会在内外压差的条件下迅速溢出，6个气压传 感器的数据也从05 MPa迅速降低到0，从而也 佐证了这一判断。此时若对煤样施加持续冲击震 动，对气体的总流量的影响不是太大，如、 三组的试验结果。整个气体衰减的时间相对来说 较长，一般达几十个小时甚至上百小时，在气体释 放末期，速度较缓慢，这部分气体可能主要来源于 煤样的微小裂隙及基质中的中、小、微孔，这部分 气体的运移性能较差，因此，这部分气体的自然释 放是缓慢的。持续冲击震动作用于煤体时，导致 煤体裂隙扩展发育，震动

21、对煤体裂隙的影响使煤 体极易形成贯通裂隙，导致煤体内的大量游离气 体被排出，如试验中的、两组。在整个记录的 试验时间段内，从气体释放早期气体的流量提高 3040到后期可提高300以上可以看出： 越到后期，震动的效果对提高瓦斯气体的释放速 度也就越明显。这种结果说明：冲击震动对加速 煤体中的微小裂隙及基质中的中、小、微孔瓦斯气 体释放更有效果。 现对煤体在持续脉冲震动作用下的裂隙扩展 情况进行分析 。假设煤体为线弹性体，裂隙 壁承受准静态压力作用，故可用线弹性断裂力学 进行描述，则断裂力学结构模型如图6所示，其中 r 为裂隙半径。 图6裂隙扩展的断裂力学模型 Fig6 Fracture mech

22、anics model of crack extension 由线弹性断裂力学可知，在震动应力作用下 裂隙尖端的应力强度因子为 K =1TL(121T)P 一 ， (1) 式中：为裂隙扩展瞬间长度，In；P 为震动应 力，Pa；tT为地应力，Pa。 从式(1)中可以看出，随着地应力增大，应力 强度因子 呈线性下降趋势， 会不断地变小。 单次震动强度越大，震动应力越大， ，也就越大， 在持续冲击震动条件下，由于累加效应会导致 ， 变大效果比单次更大。当随着震动减小，K 衰减 到一定值时，裂隙将停止扩展。冲击震动对吸附 平衡时间也有一定影响，加震动后，延缓了煤样达 到吸附平衡的时间，使煤体中游离态

23、气体增多，吸 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 一ql-1邑r軎 6O4 河南理工大学学报(自然科学版) 2015年第34卷 附气体减少，而游离态气体通过裂隙运移得以溢 出，提高了气体运移的速度和流量，当冲击震动停 止以后，气体流量会明显下降并恢复到未受冲击 前的状态，如试验中的、等4组情况， 如果达到峰值时继续冲击，则气体的流量会维持 在一高位并逐渐下降，如图5中的。 4 结 论 (1)只有具有一定能量与相应频率的持续冲 击震动方法可提高煤体中气体释放效率，最高可 达300，越到后期，震动效果对提高瓦斯气体的 释放速度也就越明显，这种冲击震动对加速煤体 中的微小裂隙及基质中的中、小

24、、微孔瓦斯气体释 放更有效果。 (2)一定能量持续冲击震动方法可提高煤体 中气体的释放效率，随着持续冲击震动时间延长， 气体流量并不能维持在初始峰值速度，随着时间 推移会逐渐降低，但下降稳定后的流量比震动前 的流量仍有所提高。 3 4 5 6 7 8 9 1O 参考文献： 1 高坤，王继仁，贾宝山，等高压空气冲击煤体增透 技术实验研究J矿业安全与环保，2011，38(6)： 11 912 2 李祥春，聂百胜，何学秋振动诱发煤与瓦斯突出的 机理J北京科技大学学报，2011，33(2)：149一 l52 郑茂盛，明方飞，朱秀红，等振动对岩石及地层渗 透率的影响J石油学报，2008，29(6)：87

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