瓦斯放散初速度影响因素研究进展_郭朋帅.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 分析 探讨 瓦斯放散初速度影响因素研究进展 郭朋帅 1， 高建宁2， 3， 张春璞2， 3， 陈 旭 2， 3 （1.中国矿业大学 （北京） 应急管理与安全工程学院， 北京 100083； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 瓦斯放散初速度作为预测煤与瓦斯突出的重要指标之一， 研究其影响因素具有重要意 义。通过分析影响瓦斯放散初速度的主要因素 变质程度、 充气压力、 温度、 孔隙特征、 粒径、 水 分、 外加声场和电场等， 总结各个因素条件下的研究进展和不足， 把各个影响因素归纳为瓦斯含 量、 瓦斯压力、 通道性质 3 个方面。分析提出了瓦斯放散初速度进一步探究需要解决的问题， 总 结出瓦斯放散初速度多因素耦合作用的研究为主要发展方向。 关键词 瓦斯放散初速度； 影响因素； 瓦斯压力； 瓦斯含量； 孔道性质 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0176-07 Research Progress and Analysis on Influence Factors of Initial Velocity of Gas Emission GUO Pengshuai1, GAO Jianning2,3, ZHANG Chunpu2,3, CHEN Xu2,3 （1.School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology（Beijing） , Beijing 100083, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China; 3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract As one of the important inds to predict coal and gas outburst, it is of great significance to study the influence factors of the initial velocity of gas emission. Based on the analysis of the main factors affecting the initial velocity of gas emission such as metamorphic degree, inflation pressure, temperature, pore characteristics, particle size, water content, external sound field and electric field, the research progress and shortcomings of each factor condition are pointed out, and each influence factor is summarized as three aspects gas content, gas pressure and pore properties. The problems about the initial velocity of gas emission that need to be solved are analyzed and proposed, and it is concluded that the research on the coupling effect of multi-factor of the initial velocity of gas emission is the main development direction. Key words initial velocity of gas emission; influence factors; gas pressure; gas content; pore properties 在煤炭的生产过程中，煤与瓦斯突出煤岩动力 灾害对煤炭的生产造成了很大的影响， 2010 至 2015 年间造成较大事故的事故类型中煤与瓦斯突出占事 故总起数的 68.42， 占总死亡人数的 45.68[1]。瓦 斯事故影响范围广，据统计在 2013 至 2017 年间平 均每次事故死 5.22 人，是顶板事故死亡人数的 2.4 倍[2]。并且我国煤炭资源开采条件恶劣属中等偏下 水平，煤矿开采已经进入深部开采，地应力和瓦斯 压力逐渐增加，煤与瓦斯突出的危害会更加严重。 瓦斯放散初速度是区域煤层瓦斯突出参数的一项重 要指标，反应了煤体释放瓦斯的快慢程度，可以用 来表征煤的破坏程度和孔隙性质。因此瓦斯放散初 速度参数的研究对于准确预测瓦斯突出、预防事故 起着非常重要的作用。很多学者从单因素层面如 变质程度、 充气压力、 温度、 孔隙特征、 粒径、 水分、 外加声场和电场等分析了其对瓦斯放散初速度的影 响，在此基础上从流体力学的角度分析，把影响瓦 斯放散初速度的各个因素分为 3 个方面， 瓦斯含量、 瓦斯压力、通道性质，分析各个方面中的影响因素 和研究进展。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.038 郭朋帅， 高建宁， 张春璞， 等.瓦斯放散初速度影响因素研究进展 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 176-182. GUO Pengshuai, GAO Jianning, ZHANG Chunpu, et al. Research Progress and Analysis on Influencing Fac－ tors of Initial Velocity of Gas Emission［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 176-182. 移动扫码阅读 176 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 1单个因素影响机理归类 从流体力学的角度， 流体从腔体内流出后， 一定 时间内的速度变化取决于流体的含量、流体的压 力、通道性质 3 个方面。如果不考虑煤放散过程中 煤基质的结构变化，忽略煤在放散瓦斯同时发生的 解吸过程。就可以把煤吸附瓦斯后的放散过程简化 为不同含量的气体在不同的压力状态下通过不同的 通道放散的过程。气体含量、 压力、 通道性质影响分 析如图 1 （图中 p1、 p2为压力； V1、 V2为瓦斯含量） 。 煤的放散初速度实验可以设计为 3 种①Ⅰ与 Ⅱ对照实验探究同等含量、同等压力状态下受不 同通道性质所影响的煤瓦斯放散初速度的变化情 况； ②Ⅰ与Ⅲ对照实验 探究同等体积、 同等通道性 质的瓦斯在不同瓦斯压力状态下的瓦斯放散情况； ③Ⅰ与Ⅳ对照实验探究在同等压力、同等通道性 质在不同的瓦斯含量的条件下瓦斯的放散情况。实 际放散过程当中，煤基质中吸附瓦斯会不断解吸出 来，煤基质会发生收缩，但是可以把影响瓦斯吸附 解吸的因素归为瓦斯含量因素，把影响煤基质结构 的因素归为孔道性质因素。把影响煤中瓦斯气体压 力的因素归为气体压力因素。那么就可以把单个影 响瓦斯放散初速度的因素归为 3 类，其中属于影响 瓦斯含量的因素主要包括 煤变质程度、 温度、 外加 声波场和电场等。属于影响瓦斯压力的因素主要 有 充气压力。属于影响孔道性质的因素主要有 孔 隙特征、 粒径、 水分。 2瓦斯含量的影响因素 2.1煤变质程度对瓦斯放散初速度的影响 煤的变质程度指的是煤在压力和温度的共同作 用下，发生物理和化学变化的程度。煤首先经过泥 炭化阶段进行生物化学作用，然后开始进行以温度 和压力为主的煤化作用， 依次转化为泥炭、 褐煤、 烟 煤、 无烟煤。根据中国煤炭分类标准， 挥发分是煤变 质程度的主要判别标准参数之一。有些学者通过探 究煤中挥发分与瓦斯放散初速度的关系来研究煤的 变质程度对瓦斯放散初速度的影响。姜海纳等[3]通 过实验得出瓦斯放散初速度按照变质程度分为 高 变质程度无烟煤＞中变质程度烟煤＞低变质程度烟 煤＞未变质煤样。 刘军[4]， 徐乐华等[5]同样用挥发分表 征煤的变质程度，得出瓦斯放散初速度随着挥发分 增大而呈现负指数减小的趋势。 煤中具有庞大的微孔系统，超细网状结构提供 了很大的内表面积，不同变质程度的煤具有不同的 比表面积。比表面积决定着瓦斯的存储能力，也是 煤的变质程度特征参数之一。罗志明[6]研究了瓦斯 放散初速度和煤的比表面积之间的关系，得出瓦斯 放散初速度与煤比表面积成一次函数关系。林海飞 等[7]认为孔隙比表面积越大， 瓦斯放散初速度越小， 两者呈线性负相关关系。徐乐华等[8]拟合出挥发分 与煤比表面积的关系，实验验证了瓦斯放散初速度 随着变质程度的增加而增大。陈学习等[9]则具体指 出煤孔隙结构中微孔的比表面积和瓦斯放散初速度 之间存在一次函数关系，得出瓦斯放散初速度随变 质程度降低而指数减小。目前普遍认为瓦斯放散初 速度随着变质程度的增大而增大。主要是因为变质 程度越高， 经过煤的物理化学作用越久， 煤的瓦斯生 成量越多。同时伴随着孔隙率越高，吸附的瓦斯也 越多。 变质程度影响因素研究现状进展分析见表 1。 因此认为探究变质程度对瓦斯放散初速度影响 的实验中在以下几个方面应当注意 1） 煤级指标中挥发分指标对于部分煤样不能准 确确定煤的变质程度， 可燃基挥发分＞30的煤以发 热量为最好的鉴定指标，水分次之， ＜30的煤以镜 煤反射率最好，而挥发分本身是中高煤化烟煤阶段 （10～30） 较好的指标， 氢气、 水分、 X 射线衍射曲 线则都可作高阶煤的指标[10]。 2） 在探究瓦斯放散初速度与变质程度的实验 中， 应增加实验数据， 采用更多不同的表达式模型进 行数据拟合， 例如 对数模型、 幂函数模型、 指数模 型、 多项式模型等从而提高应用模型的准确性。 3） 研究瓦斯含量与放散初速度的关系时， 结合 菲克定律和郎格缪尔吸附模型，通过改变吸附压力 改变瓦斯吸附量，从而研究瓦斯吸附量与瓦斯放散 图 1气体含量、 压力、 通道性质影响分析 Fig.1Analysis of the influence of gas content, pressure and channel properties 177 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 代表性指标学者结论不足 挥发分 挥发分 比表面积 比表面积 比表面积 比表面积 姜海纳 刘军 罗志明 徐乐华 陈学习 林海飞 挥发分越大， 瓦斯放散初速度呈负指数型减小。 △paexp （-bVdaf） 式中 △p 为瓦斯放散初速度， Pa； a、 b 为非 0 常数； Vdaf为煤样干燥无灰基挥发分， 。 挥发分越大， 瓦斯放散初速度呈负指数型减小。 △paexp （-bVdaf） △paSb， 式中 S 为比表面积， cm2/g。 利用比表面积和放散初速度的一次性关系，推导出 挥发分与瓦斯放散初速度之间线性正相关关系。 △paSb 压汞法测定煤样的孔隙结构中孔和微孔的比表面积 为主要影响因素，得出瓦斯放散初速度和微孔比表面积 之间为一次函数的关系。 孔隙比表面积越大， 瓦斯放散初速度越小， 两者呈线 性负相关。 用 2 条直线标定出瓦斯放散初速度随挥 发分变化的上下限， 没有给出两者之间具体的 曲线； 灰分与挥发分之间的相关性不足， 用灰 分表征煤的变质程度存在缺陷。 煤样挥发分多集中在高变质程度范围内， 缺 少代表性。 公式中系数只适用于本次实验煤样。 利用罗志明推导出的比表面积和放散初速 度之间关系式时，没有改变计算公式的常数， 不 能保证瓦斯放散初速度的准确性。 采用 9 个煤样测定， 数据数量较少。 比表面积越大， 孔隙结构越复杂， 放散阻力 越大， 没有解释瓦斯含量增加产生的正向影响。 学者结论不足 李晓伟 李强 郭志刚 △p′△pa△T-b （△T ） 2 式中 △p′为温度变化后瓦斯放散初速度， Pa； △p 为 20 ℃时的放散初速度， Pa； △T 为温度与 20 ℃温 差， ℃； a、 b 为非 0 常数。 瓦斯放散初速度随温度升高指数减小。 △pD1exp （-D2T ） 式中 D1、 D2为常数系数； T 为温度， ℃ 研究温度对瓦斯放散初速度的影响程度，同一煤样随 着温度的升高， 瓦斯放散初速度减小； 不同煤样减小的幅度 和煤样自身的瓦斯放散初速度大小有关。 拟合曲线只适用于大于 20 ℃的情况； 实验数据过少。 从公式可以得出温度变化过程中， 压力变化先起到主要作用， 然后温度起主要作用。瓦斯放散初速度先缓慢升高然后一直减小。 在温度变化很小时不能准确解释温度越高，瓦斯放散初速度越低 的结果。 在文特式的基础上，直接认为初始瓦斯放散速度与瓦斯含量 正比关系， 缺少推导和证明。 煤样自身吸附放散性能受温度的影响有关，具体影响比例有 待进一步研究。 表 2温度对瓦斯放散初速度影响分析 Table 2Analysis of the influence of temperature on the initial velocity of gas emission 初速度的关系，由于瓦斯吸附量还是吸附压力对瓦 斯放散初速度起到主要的影响需进一步确定。 2.2温度对瓦斯放散初速度的影响 煤是一种多孔介质， 属于一种天然的吸附剂。 被 吸附气体的分子受外界温度和压力的影响，会在吸 附态和游离态之间不断转换。温度变化不仅会直接 影响到煤分子的热运动，而且还会影响煤孔隙中瓦 斯压力。根据煤分子的吸附特征，普遍认为温度上 升 1 ℃， 吸附量减少 8。李晓伟[11]从温度变化引起 的压力变化和瓦斯吸附特性 2 方面分析温度对瓦斯 放散初速度的影响。经过曲线拟合得出瓦斯放散初 速度与温度差 （同 20 ℃相比） 之间存在二次函数的 关系； 李强等[12]得出瓦斯放散初速度随着温度的升 高呈现幂函数降低； 郭志刚[13]研究了温度对不同煤 样的影响程度，瓦斯放散初速度越大，受温度影响 程度越小。 马东民[14]、 张庆玲[15]、 梁冰等[16]也都认为瓦斯放 散初速度随着温度的增加而减小。目前普遍认为瓦 斯放散初速度随着温度的升高而降低。温度对瓦斯 放散初速度影响分析见表 2。 表 1变质程度影响因素研究现状进展分析 Table 1Progress analysis of influencing factors of metamorphic degree 178 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 对于目前的研究有下列几点思考 1 ） 关于瓦斯的等温吸附研究较多， 温度对瓦斯 放散初速度的影响研究相对较少，而在实际的生产 活动中，由于不同地区、不同深度的矿井中煤层实 际温度也是不同的，所以温度对于瓦斯放散初速度 的影响是很重要的一个因素，加强温度对瓦斯放散 初速度的研究对准确预测煤层突出很有意义。 2） 关于温度对瓦斯放散初速度影响机理解释需 进一步研究。实验结果表明， 随着温度的升高， 瓦斯 放散初速度并不是直线下降的，因此温度的变化不 仅对瓦斯的吸附量产生影响，可能还会影响瓦斯内 部压力或煤基质结构。这些还需要进一步的研究。 3） 实验数据点不多， 适用性不强。在通过实验 探究瓦斯放散初速度与温度的关系时，采用数据不 够充分， 需增加数据个数来提高公式的准确性。 2.3外加声波和电场对瓦斯放散初速度的影响 外加声波促进瓦斯的解吸源于低频震动采油技 术，主要从声波震动可以增加多孔介质裂隙，降低 粘结力， 温度升高效应等方面考虑。 李建楼[17]从煤体 动力损伤机械效应入手，提出声波震动的力效应使 得煤颗粒间隙周期性一张一闭促进瓦斯解吸，解吸 速度随时间变化的过程符合对数规律。徐龙军[18]认 为是外加声波后的热效应使得煤体温度上升和煤表 面势能增大使得瓦斯放散。姜永东等[19]则认为是机 械振动效应和热效应共同作用有利于瓦斯解吸。聂 百胜等[20]提出功率声波可以提高煤岩渗透性和孔隙 率， 总结了作用机理有机械作用、 激波作用、 定向作 用、 热效应和空化作用。 关于外加静电场对瓦斯放散初速度的影响， 李 成武等[21]人认为静电场主要改变了瓦斯的 45～60 s 放散过程且具有记忆效应，分析机理为静电场使得 煤表面的吸附势阱深度增加和电负性增强两者相互 竞争的作用。吸附势井深度增加瓦斯浓度较大， 有 利于瓦斯放散，电负性较强时瓦斯吸附热越小， 吸 附势阱较浅， 瓦斯吸附量较少， 不利于瓦斯越放散。 而易俊等[22]认为交变电场的作用减弱了煤的吸附能 力和解吸能力，减缓了含瓦斯的解吸过程，不利于 瓦斯的放散。 对于目前的外加声场、电场对瓦斯的解吸研究 有以下建议 1 ） 关于超声波对煤解吸瓦斯的研究较多， 而在 20～20 000 Hz 的范围内的声波对瓦斯吸附解吸的 研究较少， 应进一步加强研究。 2 ） 建立的物理模型比较小型化， 李建楼对此做 了改进，但还是应该多考虑到实际情况煤体结构与 模型的差距，进一步加强采用更加贴近实际情况的 模型的研究。 3） 外加声场对煤岩瓦斯的解吸机理还没有明 确。需要进一步研究哪一种机理为主要因素，或者 它们之间的相互作用情况。 4） 在外加电场的情况下， 还没有得到瓦斯放散 初速度与电场强度的明确的关系，具体的影响作用 机理还需要进一步的研究。 3充气压力对瓦斯放散初速度的影响 根据瓦斯的等温吸附模型，当其他外界条件不 变时， 瓦斯吸附量随着吸附压力的增加而增加， 增加 的幅度逐渐减小直至吸附饱和。当煤粒径小于极限 粒径[23]时， 对于同一种破坏类型的煤， 瓦斯在煤层中 流动符合菲克扩散定律。 J-D （∂C ∂X ）（1 ） 式中 J为扩散速度， m3/ （m2 s） ； C 为瓦斯浓度， m3/t； X 为距煤粒中心的距离， m； D 为煤体瓦斯扩散 系数， m2/s。 根据相关标准，瓦斯放散初速度表示 3.5 g 规 定粒度的煤样在 0.1 MPa 压力下吸附瓦斯后向固定 真空空间释放时，用压差表示的 10～60 s 内释放出 瓦斯量指标，根据瓦斯放散初速度的意义和测定方 法得到如下公式 △p＝ 60 10 ∫Jdt （2 ） 式中 J为扩散速度， m3/ （m2 s） ； t 为时间， s。 隆清明[24]、 赵志法[25]结合 langmuir 模型和菲克定 律， 得到瓦斯放散初速度和瓦斯压力的关系如下 △p 60 10 ∫-D ∂ ab 1 p b （） ∂X dt（3） 从式 （3） 可以看出， 吸附压力的增加会导致瓦斯 放散初速度的增加，但是瓦斯放散初速度增加的越 来越慢，直到达到某一数值左右几乎不再变化。康 建宁[26]把菲克扩散定律、 langmuir 等温吸附曲线结合 煤颗粒煤层气在第一类边界条件下的近似解也给出 了瓦斯放散初速度与吸附压力的关系式。 综上，在一定范围内瓦斯放散初速度随着瓦斯 吸附压力的增加而变大，但是还有一些方面需进一 步加强研究 1） 瓦斯在煤中的渗流普遍使用菲克扩散定律， 179 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 而秦跃平[27]指出达西定律也是煤粒瓦斯流动基本定 律，利用达西定律来探究瓦斯放散特性的研究还有 待研究， 以及关于煤中瓦斯 koundson 扩散和表面扩 散的研究也有待发展。 2） 瓦斯的吸附解吸模型主要利用兰格缪尔等温 吸附模型，而亨利吸附等温模型、费罗因德利希吸 附等温模型、 BET 吸附等温模型的研究也比较少。 3） 数据拟合表达式局限于 Langmuir 方程， 可以 增加数据拟合的表达式，探究瓦斯吸附解吸的更加 准确的表达式模型， 例如三次多项式、 四次多项式、 指数函数、 综合模型、 Weibull 函数、 Langmuir 方程改 造式、 BET 方程和解吸式等。 4） 瓦斯吸附压力对瓦斯放散初速度的影响比较 大， 煤与瓦斯的实际突出压力为 0.74 MPa， 在瓦斯 放散初速度的测定时采取充气压力 0.1 MPa 向真空 空间放散， 与实际情况不符。 4孔道性质的影响因素 4.1孔隙特征对瓦斯放散初速度的影响 孔隙作为瓦斯的富集区，裂隙又是瓦斯放散的 通道，所以孔隙结构对于瓦斯的吸附和放散过程都 有很大影响。主要影响因素有 2 个①煤微孔或过 渡孔比表面积，因为微孔比表面积的增加，吸附能 力增强；②孔径的大小关系到瓦斯流动过程中受到 的阻力大小。煤中的复杂双重结构系统分为孔隙和 裂隙， 煤的孔隙孔径大小分为 4 类[28] 微孔、 过渡孔、 中孔和大孔。王月红[29]指出孔隙结构对瓦斯放散初 速度的影响主要原因是比表面积的不同，其次是过 渡孔 （10～100 nm） 孔容占比。 陈向军[30]提出纳米级孔 （小于 100 nm） 比表面积决定煤的吸附能力， 纳米级 孔 （小于 100 nm） 孔容决定煤的吸附速率。 陈学习指 出瓦斯放散初速度随着微孔比表面积的增加呈现出 线性增加的趋势，主要原因是增加了吸附位，增大 了吸附量。但是林海飞通过阜康矿区煤样进行试验 分析得出平均孔隙直径越大瓦斯扩散阻力越小， 瓦 斯扩散速度越大。 4.2粒径对瓦斯放散初速度的影响 关于粒径是如何影响瓦斯放散初速度，张晓东 等[31]认为粒度变化对微孔比表面积基本没有影响， 对于干燥煤样主要因为粒度增加引起甲烷分子的扩 散、 吸附路径加长， 阻力增加； 对于平衡水煤样除了 扩散路径变化外，主要是水分子影响了瓦斯的吸附 量， 影响了瓦斯放散速度。 杨萌萌[32]认为除了阻力的 影响外，随着煤样粒径不断减小，煤样的孔隙比表 面积、 孔隙体积增加， 瓦斯浓度增大， 煤中解吸速度 增加。煤科院抚顺院杨其銮提出了极限粒度概念， 只有小于极限粒径的煤粒对瓦斯放散初速度有影 响，大于极限粒径的煤粒瓦斯放散基本不受粒径的 影响， 研究表明极限粒径在 0.5～6 mm 之间。刘彦 伟等[33]分析了软硬煤的瓦斯放散差异， 得出软煤比 硬煤的瓦斯放散初速度偏高，软煤和硬煤的瓦斯放 散差异存在一个尺度效应，粒径越小差距越小， 小 于某粒径后没有差距，称这个粒径为原始粒径。贾 东旭[34]实验得出在粒径小于 3 mm 时， 瓦斯放散初 速度随粒径减小而成幂函数增加，且变质程度越高 越明显。蔡立勇等[35]实验提出瓦斯放散初速度随着 粒径的减少而成指数增加。杨萌萌提出小粒径煤样 占比越大， 瓦斯放散越快。 李一波等[36]实验得出瓦斯 放散初速度与粒径呈现对数关系； 潘红宇[37]则认为 瓦斯放散初速度随粒径呈一次函数降低。 4.3水分对瓦斯放散初速度的影响 目前普遍认为水分降低煤层瓦斯放散初速度的 原因是水分会减低瓦斯的吸附量，主要从 3 个方面 解释①自由水发生吸附作用，占据了煤体的吸附 位； ②水分子与瓦斯分子竞相吸附； ③水的存在阻塞 微孔隙的通道。张九零等[38]提出瓦斯放散初速度随 水分含量增加 （1.4～7.9） 呈对数关系减少， 做了 瓦斯放散初速度变化量与水分含量的关系，水分含 量在 5附近瓦斯放散初速度变化率逐渐变小； 林 海飞[39]测定水分含量在 20以下和潘红宇得出水分 含量在 25以下时瓦斯放散初速度随水分增加呈 现线性关系减小； 陈向军等[40]提出瓦斯放散初速度 与水分含量 （1.17～7.19） 呈现指数关系减小， 水 分对无烟煤吸附瓦斯能力影响最大，对长焰煤吸附 瓦斯能力影响居中， 对焦煤吸附瓦斯能力影响最小。 对于孔隙结构的研究提出几点思考 1） 王月红等并没有分析瓦斯放散初速度变化的 原因，孔容的占比是不是改变了瓦斯的吸附情况也 没有给出解释。林海飞探究大孔隙结构和微孔比表 面积对瓦斯放散初速度的影响只考虑到了微孔比表 面积越大吸附能力越强， 平均孔径越小阻力越大， 不 利于瓦斯的放散，而没有解释随着比表面积的增大 还增大了吸附量， 有利于瓦斯的放散， 平均孔径的减 小还增加了比表面积。 2） 比表面积和孔径对瓦斯放散的影响是双方面 的，比表面积增加导致瓦斯吸附量增加的同时也加 大了瓦斯放散的摆脱阻力；平均孔径减小在增加放 散流动阻力的同时又增加了比表面积。所以对于正 180 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 向负向 2 方面竞相作用的研究应该进一步加深。 3） 不同种类的煤样的极限粒径的具体数值还有 待确定，以及刘彦伟提出的原始粒径的数值也有待 研究。 4） 对于煤样粒径越小瓦斯放散初速度越快的 2 个原因①阻力减小目前没有争议；②粒径越小的 煤样的孔隙表面积和孔容变化，从而引起瓦斯浓度 变化。但是具体是由于水分的影响、微孔比表面积 变化还是其他原因影响有待研究。 5） 部分学者在探究瓦斯放散初速度与粒径的关 系时， 只有 4～7 个数据， 准确性有待提高。且得出相 应的关系式后， 没有详细的分析说明原因。 6） 随着水分含量的增加， 会存在 1 个极限水分 值，不同煤种的极限水分值不同，相同的水分值对 不同的煤样瓦斯放散初速度的影响程度不同，这些 方面都是需要进一步详细研究的。 7） 目前对于水分对瓦斯放散初速度的研究主要 问题是煤种类不够全面、水分含量区间局限、数据 数量不够充分。 5改进和展望 煤与瓦斯的实际突出最小压力 0.74 MPa， 放散 空间为常压，而在瓦斯放散初速度实验中，瓦斯在 压力为 0.1 MPa 下吸附， 向真空空间放散。 前者会更 加接近实际情况， 曹垚林[41]对瓦斯放散初速度指标 测定过程中的吸附压力做了分析，提出采用突出压 力吸附向常压空间放散得到的放散指标更加准确。 有一部分的突出矿井在突出后的 10 s 内已经突出 了大部分瓦斯， 10 s 后的瓦斯突出量较少。因此， 瓦 斯放散初速度在按照规定取 10～60 s 时会出现误 判。 如采用 0～60 s 时间段内瓦斯突出指标会更加准 确， 富向[42]也对测量 0～60 s 内瓦斯的放散量的新指 标进行了探索。在瓦斯放散初速度的测量中并没有 对煤样的水分含量、温度、变质程度等其他影响因 素作出规定， 但是这些因素会严重影响到测量结果。 关于单个因素对瓦斯放散初速度实验研究提出 几点思考 1） 在研究单个影响因素对瓦斯放散初速度的研 究过程中数据太少，准确性和完整性有待提高。何 永胜[43]做了瓦斯放散初速度与瓦斯压力、 比表面积、 坚固性系数、原始瓦斯含量之间的耦合关系公式， 程波等[44]通过实验拟合出瓦斯放散初速度与孔隙 率、 坚固性系数之间的 3 种耦合方程； 杨萌萌提出了 将瓦斯放散初速度与煤的吸附解吸特性、渗透率、 瓦斯的初始膨胀能等进行综合研究的思路。在实际 情况中， 往往是温度、 水分、 孔隙结构、 粒径和其他 影响条件对瓦斯放散的综合影响，所以研究多种因 素对瓦斯放散初速度的耦合影响非常重要，多种影 响因素对于瓦斯放散初速度的耦合作用是研究的方 向和趋势。 2） 在分析内外因素对瓦斯放散初速度的影响过 程中，多从瓦斯吸附量与瓦斯放散初速度之间的关 系角度来推导，但是关于具体的瓦斯吸附量与瓦斯 放散初速度之间相关性还有待研究。 3） 瓦斯放散初速度与其他突出预测参数之间的 关系有待探究， 如果可以找到他们之间的关系， 会对 瓦斯突出预测具有重要意义，例如瓦斯放散初速度 和坚固性系数之间关系有待研究。 6结语 1） 介绍了煤与瓦斯突出事故的危害， 从煤变质 程度、 充气压力、 温度、 孔隙结构、 粒径、 水分、 外加 声波、外加电场等单因素分析其对瓦斯放散初速度 的影响。 2） 总结了瓦斯放散初速度指标在吸附压力和测 定放散时间区间方面的不足，及更加准确的改进措 施， 但是存在重新探究临界值和推广适用性的问题。 3） 总结目前多因素耦合作用对瓦斯放散初速度 初速度影响研究，概括了学者们对于各个因素和指 标之间相互作用影响的研究方向。对未来的瓦斯放 散初速度的发展趋势进行了展望， 提出压力、 温度、 水分、粒径等多因素耦合作用是瓦斯放散初速度的 研究方向和趋势。 参考文献 ［1］ 杨涛， 刘锦伟.2010～2015 年我国煤与瓦斯突出事故 发生时空分布规律 ［J］ .华北科技学院学报， 2016， 13 （6） 95-96. ［2］ 蒋星星， 李春香.2013-2017 年全国煤矿事故统计分 析及对策 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （1） 101-102. ［3］ 姜海纳， 程远平， 王亮.煤阶对瓦斯放散初速度及坚固 性系数影响研究 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （12） 11-14. ［4］ 刘军， 王兆丰.煤变质程度对瓦斯放散初速度的影响 ［J］ .辽宁工程技术大学学报， 2013， 32 （6） 745-747. ［5］ 徐乐华， 蒋成林.煤的挥发分与瓦斯放散初速度的关 系研究 ［J］ .煤矿安全， 2011， 42 （7） 21-22. ［6］ 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. ［7］ 林海飞， 程博， 李树刚， 等.煤的吸附孔结构对瓦斯放 181 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in 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