瓦斯放散初速度影響因素研究進展

郭朋帥，高建寧，張春璞，陳 旭

（1.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京100083；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

在煤炭的生產過程中，煤與瓦斯突出煤巖動力災害對煤炭的生產造成了很大的影響，2010 至2015年間造成較大事故的事故類型中煤與瓦斯突出占事故總起數的68.42%，占總死亡人數的45.68%[1]。瓦斯事故影響范圍廣，據統計在2013 至2017 年間平均每次事故死5.22 人，是頂板事故死亡人數的2.4倍[2]。并且我國煤炭資源開采條件惡劣屬中等偏下水平，煤礦開采已經進入深部開采，地應力和瓦斯壓力逐漸增加，煤與瓦斯突出的危害會更加嚴重。瓦斯放散初速度是區域煤層瓦斯突出參數的一項重要指標，反應了煤體釋放瓦斯的快慢程度，可以用來表征煤的破壞程度和孔隙性質。因此瓦斯放散初速度參數的研究對于準確預測瓦斯突出、預防事故起著非常重要的作用。很多學者從單因素層面如：變質程度、充氣壓力、溫度、孔隙特征、粒徑、水分、外加聲場和電場等分析了其對瓦斯放散初速度的影響，在此基礎上從流體力學的角度分析，把影響瓦斯放散初速度的各個因素分為3 個方面，瓦斯含量、瓦斯壓力、通道性質，分析各個方面中的影響因素和研究進展。

1 單個因素影響機理歸類

從流體力學的角度，流體從腔體內流出后，一定時間內的速度變化取決于流體的含量、流體的壓力、通道性質3 個方面。如果不考慮煤放散過程中煤基質的結構變化，忽略煤在放散瓦斯同時發生的解吸過程。就可以把煤吸附瓦斯后的放散過程簡化為不同含量的氣體在不同的壓力狀態下通過不同的通道放散的過程。氣體含量、壓力、通道性質影響分析如圖1（圖中：p1、p2為壓力；V1、V2為瓦斯含量）。

圖1 氣體含量、壓力、通道性質影響分析Fig.1 Analysis of the influence of gas content, pressure and channel properties

煤的放散初速度實驗可以設計為3 種：①Ⅰ與Ⅱ對照實驗：探究同等含量、同等壓力狀態下受不同通道性質所影響的煤瓦斯放散初速度的變化情況；②Ⅰ與Ⅲ對照實驗：探究同等體積、同等通道性質的瓦斯在不同瓦斯壓力狀態下的瓦斯放散情況；③Ⅰ與Ⅳ對照實驗：探究在同等壓力、同等通道性質在不同的瓦斯含量的條件下瓦斯的放散情況。實際放散過程當中，煤基質中吸附瓦斯會不斷解吸出來，煤基質會發生收縮，但是可以把影響瓦斯吸附解吸的因素歸為瓦斯含量因素，把影響煤基質結構的因素歸為孔道性質因素。把影響煤中瓦斯氣體壓力的因素歸為氣體壓力因素。那么就可以把單個影響瓦斯放散初速度的因素歸為3 類，其中屬于影響瓦斯含量的因素主要包括：煤變質程度、溫度、外加聲波場和電場等。屬于影響瓦斯壓力的因素主要有：充氣壓力。屬于影響孔道性質的因素主要有：孔隙特征、粒徑、水分。

2 瓦斯含量的影響因素

2.1 煤變質程度對瓦斯放散初速度的影響

煤的變質程度指的是煤在壓力和溫度的共同作用下，發生物理和化學變化的程度。煤首先經過泥炭化階段進行生物化學作用，然后開始進行以溫度和壓力為主的煤化作用，依次轉化為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤。根據中國煤炭分類標準，揮發分是煤變質程度的主要判別標準參數之一。有些學者通過探究煤中揮發分與瓦斯放散初速度的關系來研究煤的變質程度對瓦斯放散初速度的影響。姜海納等[3]通過實驗得出瓦斯放散初速度按照變質程度分為：高變質程度無煙煤＞中變質程度煙煤＞低變質程度煙煤＞未變質煤樣。劉軍[4]，徐樂華等[5]同樣用揮發分表征煤的變質程度，得出瓦斯放散初速度隨著揮發分增大而呈現負指數減小的趨勢。

煤中具有龐大的微孔系統，超細網狀結構提供了很大的內表面積，不同變質程度的煤具有不同的比表面積。比表面積決定著瓦斯的存儲能力，也是煤的變質程度特征參數之一。羅志明[6]研究了瓦斯放散初速度和煤的比表面積之間的關系，得出瓦斯放散初速度與煤比表面積成一次函數關系。林海飛等[7]認為孔隙比表面積越大，瓦斯放散初速度越小，兩者呈線性負相關關系。徐樂華等[8]擬合出揮發分與煤比表面積的關系，實驗驗證了瓦斯放散初速度隨著變質程度的增加而增大。陳學習等[9]則具體指出煤孔隙結構中微孔的比表面積和瓦斯放散初速度之間存在一次函數關系，得出瓦斯放散初速度隨變質程度降低而指數減小。目前普遍認為瓦斯放散初速度隨著變質程度的增大而增大。主要是因為變質程度越高，經過煤的物理化學作用越久，煤的瓦斯生成量越多。同時伴隨著孔隙率越高，吸附的瓦斯也越多。變質程度影響因素研究現狀進展分析見表1。

因此認為探究變質程度對瓦斯放散初速度影響的實驗中在以下幾個方面應當注意：

1）煤級指標中揮發分指標對于部分煤樣不能準確確定煤的變質程度，可燃基揮發分＞30%的煤以發熱量為最好的鑒定指標，水分次之，＜30%的煤以鏡煤反射率最好，而揮發分本身是中高煤化煙煤階段（10%～30%）較好的指標，氫氣、水分、X 射線衍射曲線則都可作高階煤的指標[10]。

2）在探究瓦斯放散初速度與變質程度的實驗中，應增加實驗數據，采用更多不同的表達式模型進行數據擬合，例如：對數模型、冪函數模型、指數模型、多項式模型等從而提高應用模型的準確性。

3）研究瓦斯含量與放散初速度的關系時，結合菲克定律和郎格繆爾吸附模型，通過改變吸附壓力改變瓦斯吸附量，從而研究瓦斯吸附量與瓦斯放散初速度的關系，由于瓦斯吸附量還是吸附壓力對瓦斯放散初速度起到主要的影響需進一步確定。

表1 變質程度影響因素研究現狀進展分析Table 1 Progress analysis of influencing factors of metamorphic degree

2.2 溫度對瓦斯放散初速度的影響

煤是一種多孔介質，屬于一種天然的吸附劑。被吸附氣體的分子受外界溫度和壓力的影響，會在吸附態和游離態之間不斷轉換。溫度變化不僅會直接影響到煤分子的熱運動，而且還會影響煤孔隙中瓦斯壓力。根據煤分子的吸附特征，普遍認為溫度上升1 ℃，吸附量減少8%。李曉偉[11]從溫度變化引起的壓力變化和瓦斯吸附特性2 方面分析溫度對瓦斯放散初速度的影響。經過曲線擬合得出瓦斯放散初速度與溫度差（同20 ℃相比）之間存在二次函數的關系；李強等[12]得出瓦斯放散初速度隨著溫度的升高呈現冪函數降低；郭志剛[13]研究了溫度對不同煤樣的影響程度，瓦斯放散初速度越大，受溫度影響程度越小。

馬東民[14]、張慶玲[15]、梁冰等[16]也都認為瓦斯放散初速度隨著溫度的增加而減小。目前普遍認為瓦斯放散初速度隨著溫度的升高而降低。溫度對瓦斯放散初速度影響分析見表2。

表2 溫度對瓦斯放散初速度影響分析Table 2 Analysis of the influence of temperature on the initial velocity of gas emission

對于目前的研究有下列幾點思考：

1）關于瓦斯的等溫吸附研究較多，溫度對瓦斯放散初速度的影響研究相對較少，而在實際的生產活動中，由于不同地區、不同深度的礦井中煤層實際溫度也是不同的，所以溫度對于瓦斯放散初速度的影響是很重要的一個因素，加強溫度對瓦斯放散初速度的研究對準確預測煤層突出很有意義。

2）關于溫度對瓦斯放散初速度影響機理解釋需進一步研究。實驗結果表明，隨著溫度的升高，瓦斯放散初速度并不是直線下降的，因此溫度的變化不僅對瓦斯的吸附量產生影響，可能還會影響瓦斯內部壓力或煤基質結構。這些還需要進一步的研究。

3）實驗數據點不多，適用性不強。在通過實驗探究瓦斯放散初速度與溫度的關系時，采用數據不夠充分，需增加數據個數來提高公式的準確性。

2.3 外加聲波和電場對瓦斯放散初速度的影響

外加聲波促進瓦斯的解吸源于低頻震動采油技術，主要從聲波震動可以增加多孔介質裂隙，降低粘結力，溫度升高效應等方面考慮。李建樓[17]從煤體動力損傷機械效應入手，提出聲波震動的力效應使得煤顆粒間隙周期性一張一閉促進瓦斯解吸，解吸速度隨時間變化的過程符合對數規律。徐龍軍[18]認為是外加聲波后的熱效應使得煤體溫度上升和煤表面勢能增大使得瓦斯放散。姜永東等[19]則認為是機械振動效應和熱效應共同作用有利于瓦斯解吸。聶百勝等[20]提出功率聲波可以提高煤巖滲透性和孔隙率，總結了作用機理有機械作用、激波作用、定向作用、熱效應和空化作用。

關于外加靜電場對瓦斯放散初速度的影響，李成武等[21]人認為靜電場主要改變了瓦斯的45～60 s放散過程且具有記憶效應，分析機理為靜電場使得煤表面的吸附勢阱深度增加和電負性增強兩者相互競爭的作用。吸附勢井深度增加瓦斯濃度較大，有利于瓦斯放散，電負性較強時瓦斯吸附熱越小，吸附勢阱較淺，瓦斯吸附量較少，不利于瓦斯越放散。而易俊等[22]認為交變電場的作用減弱了煤的吸附能力和解吸能力，減緩了含瓦斯的解吸過程，不利于瓦斯的放散。

對于目前的外加聲場、電場對瓦斯的解吸研究有以下建議：

1）關于超聲波對煤解吸瓦斯的研究較多，而在20～20 000 Hz 的范圍內的聲波對瓦斯吸附解吸的研究較少，應進一步加強研究。

2）建立的物理模型比較小型化，李建樓對此做了改進，但還是應該多考慮到實際情況煤體結構與模型的差距，進一步加強采用更加貼近實際情況的模型的研究。

3）外加聲場對煤巖瓦斯的解吸機理還沒有明確。需要進一步研究哪一種機理為主要因素，或者它們之間的相互作用情況。

4）在外加電場的情況下，還沒有得到瓦斯放散初速度與電場強度的明確的關系，具體的影響作用機理還需要進一步的研究。

3 充氣壓力對瓦斯放散初速度的影響

根據瓦斯的等溫吸附模型，當其他外界條件不變時，瓦斯吸附量隨著吸附壓力的增加而增加，增加的幅度逐漸減小直至吸附飽和。當煤粒徑小于極限粒徑[23]時，對于同一種破壞類型的煤，瓦斯在煤層中流動符合菲克擴散定律。

式中：J為擴散速度，m3/（m2·s）；C 為瓦斯濃度，m3/t；X 為距煤粒中心的距離，m；D 為煤體瓦斯擴散系數，m2/s。

根據相關標準，瓦斯放散初速度表示3.5 g 規定粒度的煤樣在0.1 MPa 壓力下吸附瓦斯后向固定真空空間釋放時，用壓差表示的10～60 s 內釋放出瓦斯量指標，根據瓦斯放散初速度的意義和測定方法得到如下公式：

式中：J為擴散速度，m3/（m2·s）；t 為時間，s。

隆清明[24]、趙志法[25]結合langmuir 模型和菲克定律，得到瓦斯放散初速度和瓦斯壓力的關系如下：

從式（3）可以看出，吸附壓力的增加會導致瓦斯放散初速度的增加，但是瓦斯放散初速度增加的越來越慢，直到達到某一數值左右幾乎不再變化?？到▽嶽26]把菲克擴散定律、langmuir 等溫吸附曲線結合煤顆粒煤層氣在第一類邊界條件下的近似解也給出了瓦斯放散初速度與吸附壓力的關系式。

綜上，在一定范圍內瓦斯放散初速度隨著瓦斯吸附壓力的增加而變大，但是還有一些方面需進一步加強研究：

1）瓦斯在煤中的滲流普遍使用菲克擴散定律，而秦躍平[27]指出達西定律也是煤粒瓦斯流動基本定律，利用達西定律來探究瓦斯放散特性的研究還有待研究，以及關于煤中瓦斯koundson 擴散和表面擴散的研究也有待發展。

2）瓦斯的吸附解吸模型主要利用蘭格繆爾等溫吸附模型，而亨利吸附等溫模型、費羅因德利希吸附等溫模型、BET 吸附等溫模型的研究也比較少。

3）數據擬合表達式局限于Langmuir 方程，可以增加數據擬合的表達式，探究瓦斯吸附解吸的更加準確的表達式模型，例如三次多項式、四次多項式、指數函數、綜合模型、Weibull 函數、Langmuir 方程改造式、BET 方程和解吸式等。

4）瓦斯吸附壓力對瓦斯放散初速度的影響比較大，煤與瓦斯的實際突出壓力為0.74 MPa，在瓦斯放散初速度的測定時采取充氣壓力0.1 MPa 向真空空間放散，與實際情況不符。

4 孔道性質的影響因素

4.1 孔隙特征對瓦斯放散初速度的影響

孔隙作為瓦斯的富集區，裂隙又是瓦斯放散的通道，所以孔隙結構對于瓦斯的吸附和放散過程都有很大影響。主要影響因素有2 個：①煤微孔或過渡孔比表面積，因為微孔比表面積的增加，吸附能力增強；②孔徑的大小關系到瓦斯流動過程中受到的阻力大小。煤中的復雜雙重結構系統分為孔隙和裂隙，煤的孔隙孔徑大小分為4 類[28]：微孔、過渡孔、中孔和大孔。王月紅[29]指出孔隙結構對瓦斯放散初速度的影響主要原因是比表面積的不同，其次是過渡孔（10～100 nm）孔容占比。陳向軍[30]提出納米級孔（小于100 nm）比表面積決定煤的吸附能力，納米級孔（小于100 nm）孔容決定煤的吸附速率。陳學習指出瓦斯放散初速度隨著微孔比表面積的增加呈現出線性增加的趨勢，主要原因是增加了吸附位，增大了吸附量。但是林海飛通過阜康礦區煤樣進行試驗分析得出平均孔隙直徑越大瓦斯擴散阻力越小，瓦斯擴散速度越大。

4.2 粒徑對瓦斯放散初速度的影響

關于粒徑是如何影響瓦斯放散初速度，張曉東等[31]認為粒度變化對微孔比表面積基本沒有影響，對于干燥煤樣主要因為粒度增加引起甲烷分子的擴散、吸附路徑加長，阻力增加；對于平衡水煤樣除了擴散路徑變化外，主要是水分子影響了瓦斯的吸附量，影響了瓦斯放散速度。楊萌萌[32]認為除了阻力的影響外，隨著煤樣粒徑不斷減小，煤樣的孔隙比表面積、孔隙體積增加，瓦斯濃度增大，煤中解吸速度增加。煤科院撫順院楊其鑾提出了極限粒度概念，只有小于極限粒徑的煤粒對瓦斯放散初速度有影響，大于極限粒徑的煤粒瓦斯放散基本不受粒徑的影響，研究表明極限粒徑在0.5～6 mm 之間。劉彥偉等[33]分析了軟硬煤的瓦斯放散差異，得出軟煤比硬煤的瓦斯放散初速度偏高，軟煤和硬煤的瓦斯放散差異存在一個尺度效應，粒徑越小差距越小，小于某粒徑后沒有差距，稱這個粒徑為原始粒徑。賈東旭[34]實驗得出在粒徑小于3 mm 時，瓦斯放散初速度隨粒徑減小而成冪函數增加，且變質程度越高越明顯。蔡立勇等[35]實驗提出瓦斯放散初速度隨著粒徑的減少而成指數增加。楊萌萌提出小粒徑煤樣占比越大，瓦斯放散越快。李一波等[36]實驗得出瓦斯放散初速度與粒徑呈現對數關系；潘紅宇[37]則認為瓦斯放散初速度隨粒徑呈一次函數降低。

4.3 水分對瓦斯放散初速度的影響

目前普遍認為水分降低煤層瓦斯放散初速度的原因是水分會減低瓦斯的吸附量，主要從3 個方面解釋：①自由水發生吸附作用，占據了煤體的吸附位；②水分子與瓦斯分子競相吸附；③水的存在阻塞微孔隙的通道。張九零等[38]提出瓦斯放散初速度隨水分含量增加（1.4%～7.9%）呈對數關系減少，做了瓦斯放散初速度變化量與水分含量的關系，水分含量在5%附近瓦斯放散初速度變化率逐漸變??；林海飛[39]測定水分含量在20%以下和潘紅宇得出水分含量在25%以下時瓦斯放散初速度隨水分增加呈現線性關系減??；陳向軍等[40]提出瓦斯放散初速度與水分含量（1.17%～7.19%）呈現指數關系減小，水分對無煙煤吸附瓦斯能力影響最大，對長焰煤吸附瓦斯能力影響居中，對焦煤吸附瓦斯能力影響最小。

對于孔隙結構的研究提出幾點思考：

1）王月紅等并沒有分析瓦斯放散初速度變化的原因，孔容的占比是不是改變了瓦斯的吸附情況也沒有給出解釋。林海飛探究大孔隙結構和微孔比表面積對瓦斯放散初速度的影響只考慮到了微孔比表面積越大吸附能力越強，平均孔徑越小阻力越大，不利于瓦斯的放散，而沒有解釋隨著比表面積的增大還增大了吸附量，有利于瓦斯的放散，平均孔徑的減小還增加了比表面積。

2）比表面積和孔徑對瓦斯放散的影響是雙方面的，比表面積增加導致瓦斯吸附量增加的同時也加大了瓦斯放散的擺脫阻力；平均孔徑減小在增加放散流動阻力的同時又增加了比表面積。所以對于正向負向2 方面競相作用的研究應該進一步加深。

3）不同種類的煤樣的極限粒徑的具體數值還有待確定，以及劉彥偉提出的原始粒徑的數值也有待研究。

4）對于煤樣粒徑越小瓦斯放散初速度越快的2個原因：①阻力減小目前沒有爭議；②粒徑越小的煤樣的孔隙表面積和孔容變化，從而引起瓦斯濃度變化。但是具體是由于水分的影響、微孔比表面積變化還是其他原因影響有待研究。

5）部分學者在探究瓦斯放散初速度與粒徑的關系時，只有4～7 個數據，準確性有待提高。且得出相應的關系式后，沒有詳細的分析說明原因。

6）隨著水分含量的增加，會存在1 個極限水分值，不同煤種的極限水分值不同，相同的水分值對不同的煤樣瓦斯放散初速度的影響程度不同，這些方面都是需要進一步詳細研究的。

7）目前對于水分對瓦斯放散初速度的研究主要問題是煤種類不夠全面、水分含量區間局限、數據數量不夠充分。

5 改進和展望

煤與瓦斯的實際突出最小壓力0.74 MPa，放散空間為常壓，而在瓦斯放散初速度實驗中，瓦斯在壓力為0.1 MPa 下吸附，向真空空間放散。前者會更加接近實際情況，曹垚林[41]對瓦斯放散初速度指標測定過程中的吸附壓力做了分析，提出采用突出壓力吸附向常壓空間放散得到的放散指標更加準確。有一部分的突出礦井在突出后的10 s 內已經突出了大部分瓦斯，10 s 后的瓦斯突出量較少。因此，瓦斯放散初速度在按照規定取10～60 s 時會出現誤判。如采用0～60 s 時間段內瓦斯突出指標會更加準確，富向[42]也對測量0～60 s 內瓦斯的放散量的新指標進行了探索。在瓦斯放散初速度的測量中并沒有對煤樣的水分含量、溫度、變質程度等其他影響因素作出規定，但是這些因素會嚴重影響到測量結果。

關于單個因素對瓦斯放散初速度實驗研究提出幾點思考：

1）在研究單個影響因素對瓦斯放散初速度的研究過程中數據太少，準確性和完整性有待提高。何永勝[43]做了瓦斯放散初速度與瓦斯壓力、比表面積、堅固性系數、原始瓦斯含量之間的耦合關系公式，程波等[44]通過實驗擬合出瓦斯放散初速度與孔隙率、堅固性系數之間的3 種耦合方程；楊萌萌提出了將瓦斯放散初速度與煤的吸附解吸特性、滲透率、瓦斯的初始膨脹能等進行綜合研究的思路。在實際情況中，往往是溫度、水分、孔隙結構、粒徑和其他影響條件對瓦斯放散的綜合影響，所以研究多種因素對瓦斯放散初速度的耦合影響非常重要，多種影響因素對于瓦斯放散初速度的耦合作用是研究的方向和趨勢。

2）在分析內外因素對瓦斯放散初速度的影響過程中，多從瓦斯吸附量與瓦斯放散初速度之間的關系角度來推導，但是關于具體的瓦斯吸附量與瓦斯放散初速度之間相關性還有待研究。

3）瓦斯放散初速度與其他突出預測參數之間的關系有待探究，如果可以找到他們之間的關系，會對瓦斯突出預測具有重要意義，例如瓦斯放散初速度和堅固性系數之間關系有待研究。

6 結 語

1）介紹了煤與瓦斯突出事故的危害，從煤變質程度、充氣壓力、溫度、孔隙結構、粒徑、水分、外加聲波、外加電場等單因素分析其對瓦斯放散初速度的影響。

2）總結了瓦斯放散初速度指標在吸附壓力和測定放散時間區間方面的不足，及更加準確的改進措施，但是存在重新探究臨界值和推廣適用性的問題。

3）總結目前多因素耦合作用對瓦斯放散初速度初速度影響研究，概括了學者們對于各個因素和指標之間相互作用影響的研究方向。對未來的瓦斯放散初速度的發展趨勢進行了展望，提出壓力、溫度、水分、粒徑等多因素耦合作用是瓦斯放散初速度的研究方向和趨勢。