瓦斯災(zāi)害防治基本參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案①

李朝輝 鐘 川

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037)

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

煤礦是一個(gè)充滿(mǎn)多種危險(xiǎn)源、非常復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。尤其是瓦斯事故的突發(fā)性、隨機(jī)性大，危險(xiǎn)性和破壞性嚴(yán)重，是造成煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出以及瓦斯爆炸等重大瓦斯災(zāi)害的主導(dǎo)因素，瓦斯災(zāi)害已成為煤礦生產(chǎn)中的一大自然災(zāi)害，給高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。

瓦斯災(zāi)害治理的先決條件是確定煤層瓦斯的賦存及其參數(shù)情況。及時(shí)掌握煤層的瓦斯基本參數(shù)是認(rèn)識(shí)煤層瓦斯賦存規(guī)律，科學(xué)制定礦井瓦斯防治方案和合理通風(fēng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。就瓦斯治理而言只有在弄清了煤層瓦斯賦存規(guī)律的前提下，才可能根據(jù)瓦斯災(zāi)害的嚴(yán)重程度，有針對(duì)性地采取防治技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)。而瓦斯賦存規(guī)律的獲得必須大量測(cè)量煤層瓦斯基本參數(shù)。煤礦企業(yè)建立瓦斯基本參數(shù)實(shí)驗(yàn)室后可以隨著采掘工程的推進(jìn)，隨時(shí)測(cè)定煤層瓦斯基本參數(shù)，掌握煤層瓦斯的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)一步研究瓦斯分布規(guī)律，進(jìn)而形成瓦斯預(yù)測(cè)分析結(jié)論，指導(dǎo)礦井安全高效生產(chǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井已按照煤礦瓦斯治理與利用相關(guān)國(guó)家政策與法規(guī)的要求紛紛建立起了瓦斯治理專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)了企業(yè)科技進(jìn)步與安全高效生產(chǎn)。

2 建立瓦斯實(shí)驗(yàn)室所需要測(cè)試的參數(shù)探討

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中明確規(guī)定，突出煤層回采前必須執(zhí)行區(qū)域措施，其中包括區(qū)域預(yù)測(cè)、區(qū)域措施、區(qū)域措施效果檢驗(yàn)及區(qū)域驗(yàn)證。其各種預(yù)測(cè)指標(biāo)和措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)均需實(shí)測(cè)，各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定大多需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026－2009)及《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》(安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號(hào))中對(duì)煤層瓦斯含量及瓦斯壓力控制范圍及參數(shù)的測(cè)試方法都做了詳細(xì)的規(guī)定，這些測(cè)試的參數(shù)都需要建立專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤礦瓦斯參數(shù)進(jìn)行了多方位的研究，包括各參數(shù)的測(cè)定工藝、技術(shù)及裝備等。大的方面包括煤層瓦斯含量測(cè)定技術(shù)研究、煤的突出危險(xiǎn)性判定指標(biāo)研究、瓦斯解吸特征臨界值指標(biāo)確定方法三個(gè)方面。煤層瓦斯含量測(cè)定技術(shù)包括:煤對(duì)瓦斯的吸附、解吸特性研究、煤的工業(yè)分析、煤層瓦斯氣體成分分析。煤的突出危險(xiǎn)性判定指標(biāo)研究包括煤的瓦斯放散特征研究、煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定。

3 國(guó)內(nèi)外研究概況

3.1 煤層瓦斯含量測(cè)定

煤層瓦斯含量的測(cè)定方法分為直接法和間接法。間接法為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定煤層瓦斯壓力，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的吸附等溫線(xiàn)、孔隙率和工業(yè)分析指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算確定煤層瓦斯含量。這種方法是國(guó)內(nèi)目前普遍采用的方法，但間接法測(cè)定需在煤礦井下實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯壓力，測(cè)定工藝較復(fù)雜。我國(guó)科研院校和生產(chǎn)礦井裝備的吸附實(shí)驗(yàn)裝置都是五十年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)的容量法吸附裝置，普遍存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、易碎、自動(dòng)化程度低、操作復(fù)雜和嚴(yán)重汞害等缺點(diǎn)。

直接法就是在井下現(xiàn)場(chǎng)取煤樣，直接測(cè)定煤層的瓦斯含量，具體的方法有兩種。一種是煤礦井下測(cè)定鉆屑的瓦斯解吸特性，由此確定煤層的瓦斯含量。使用這種方法，煤樣在進(jìn)行解吸特性測(cè)定前的暴露時(shí)間較短，煤樣的粒度差異不大，解吸特性參數(shù)比較一致。國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)表明，煤樣的解吸特征除與煤樣的可解吸量(瓦斯含量)有關(guān)外，還與煤的固有結(jié)構(gòu)特征，即煤的結(jié)構(gòu)──擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，所以很難找出適合于所有煤的瓦斯含量與單個(gè)解吸特征參數(shù)之間的一元回歸關(guān)系，使開(kāi)發(fā)的儀器使用受到局限;另外由于鉆孔取鉆屑過(guò)程中由于孔壁鉆屑長(zhǎng)時(shí)間暴露等影響，以及鉆孔深度限制，該方法只能用于小范圍的煤層瓦斯含量測(cè)定，精確度低［1］。

另外一種方法是取煤芯直接測(cè)定煤層瓦斯含量方法，這種方法就是現(xiàn)場(chǎng)取樣、密封后，測(cè)定煤的瓦斯解吸特性，利用解吸特性和煤在初始暴露一定時(shí)間內(nèi)的解吸瓦斯量來(lái)確定損失瓦斯量，再進(jìn)行脫氣測(cè)定其殘存瓦斯量，然后將測(cè)定的解吸瓦斯量、損失瓦斯量和殘存瓦斯量相加就得到煤的瓦斯含量，該方法原來(lái)主要用于地勘期間煤層瓦斯含量測(cè)定，受采樣條件限制，煤樣在進(jìn)行解吸特性測(cè)定前的暴露時(shí)間較長(zhǎng)，其誤差相對(duì)也較大，如煤炭科學(xué)研究總院撫順研究院研制的AMG型地勘瓦斯自動(dòng)化解吸儀等。近三十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在對(duì)煤層瓦斯含量直接測(cè)定方法的研究方面有了很大的進(jìn)展，如澳大利亞、法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和中國(guó)等國(guó)家根據(jù)不同的使用條件和煤層條件作了大量的研究工作，特別是澳大利亞對(duì)該技術(shù)進(jìn)行移植改進(jìn)采用煤礦井下打鉆取煤芯直接測(cè)定煤層可解吸瓦斯含量的方法預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性，由于適用條件的改變，測(cè)定精度大大提高，預(yù)測(cè)深度為50～100 m甚至數(shù)百米，可滿(mǎn)足當(dāng)前機(jī)械化高效高強(qiáng)度采掘的需要［2］。

“十五”期間中煤科工集團(tuán)重慶研究院、淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究院三方合作進(jìn)行了《突出煤層預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)新技術(shù)研究》，重點(diǎn)結(jié)合我國(guó)煤層構(gòu)造復(fù)雜、松軟等特征進(jìn)行了深部煤體取樣方法和裝備、煤樣瓦斯解吸特征及測(cè)定煤層瓦斯含量的方法和裝備等方面研究，并成功開(kāi)發(fā)了DGC型瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)及裝置，并根據(jù)此裝備的測(cè)試工藝制定《煤層井下含量直接測(cè)定方法》(GB23250－2009)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 煤的突出危險(xiǎn)性判定參數(shù)測(cè)定

國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤礦煤與瓦斯突出的機(jī)理進(jìn)行了研究［3］，提出了許多有意義的假說(shuō)。但大多還是肯定了地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤的物理力學(xué)性質(zhì)是突出發(fā)生發(fā)展的主要影響因素，并對(duì)它們對(duì)突出的影響規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。蘇聯(lián)科學(xué)院地質(zhì)研究所1958年提出了預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性的單項(xiàng)指標(biāo)法，包括破壞類(lèi)型、瓦放散初速度指標(biāo)(ΔP)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)并輔以煤層瓦斯壓力。我國(guó)煤炭工業(yè)部頒布的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》引用蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)判定煤層突出危險(xiǎn)性。煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷焊鶕?jù)對(duì)北票、重慶、梅田、焦作等十幾各礦區(qū)煤層的測(cè)試結(jié)果和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，于1982年提出了煤層和區(qū)域突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)方法這一方法已在我國(guó)大面積使用，也被列入《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中判定煤層突出危險(xiǎn)性的一種方法。這種方法是將單項(xiàng)指標(biāo)法中的瓦斯放散初速度(△P)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)與煤層瓦斯壓力，并考慮到采掘深度，用一個(gè)數(shù)量化指標(biāo)進(jìn)行判斷。D=(0.0075H/f－3)(p－0.74)、K=△P/f。2009年頒布的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中，將瓦斯壓力(P)、瓦斯放散初速度(△P)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)也列為主要判定煤層突出危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。兩種方法實(shí)驗(yàn)室的工作就是測(cè)定突出煤層軟分層的瓦斯放散初速度(△P)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)兩個(gè)指標(biāo)。

瓦斯放散初速度(△P)測(cè)定方法是五十年代初期首先由依·愛(ài)琴格爾等人提出的，接著，在蘇聯(lián)、法國(guó)、比利時(shí)、日本等國(guó)得到了較為普遍的應(yīng)用。它表示充有瓦斯的煤樣放散瓦斯速度快慢程度，△P大小與煤的破壞程度和孔隙特征有關(guān)，煤層的△P值在一定程度上反映了煤層瓦斯含量的大小，這是突出的基本條件。對(duì)瓦斯含量相同的煤層，則主要反映出瓦斯?jié)B透和流動(dòng)孔隙的差別［4］。

煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)測(cè)定方法較多，由于突出煤層一般破壞嚴(yán)重不能采用壓力試驗(yàn)機(jī)直接壓裂破壞測(cè)定方法，國(guó)內(nèi)外較為常用的是落錘破碎法，簡(jiǎn)稱(chēng)落錘法，所測(cè)定結(jié)果屬于假定指標(biāo)。這種測(cè)定方法主要建立在脆性材料破碎時(shí)遵循面積力能說(shuō)的基礎(chǔ)上。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為破碎所消耗的功W與破碎物料所增加的表面積S成正比，即W∽S。我國(guó)中煤科工集團(tuán)重慶研究院文光才、趙旭生等［5］人進(jìn)行了煤體堅(jiān)固性系數(shù)快速測(cè)定技術(shù)研究，其原理是取定量的鉆粉在相同壓力作用下，煤的壓縮量和煤體堅(jiān)固性系數(shù)之間存在一定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)定煤體壓縮量間接反映煤體破壞情況。

4 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要內(nèi)容及形式

根據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)外技術(shù)成果調(diào)查，在分析當(dāng)前瓦斯災(zāi)害現(xiàn)狀與防治技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件的基礎(chǔ)上，圍繞礦井瓦斯災(zāi)害防治基本參數(shù)測(cè)定為核心，本著先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全的原則，通過(guò)配備相關(guān)測(cè)定裝置及儀器的方式，并通過(guò)防治技術(shù)綜合培訓(xùn)，使實(shí)驗(yàn)室的功能滿(mǎn)足瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究的需要。建立一整套具備進(jìn)行瓦斯災(zāi)防治技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和裝備支撐體系，滿(mǎn)足礦井日常瓦斯含量、瓦斯壓力、吸附常數(shù)、瓦斯放散初速度、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、突出指標(biāo)測(cè)定的需要，培養(yǎng)能達(dá)到可以進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作和初步數(shù)據(jù)分析的實(shí)驗(yàn)室人員3～5名，實(shí)驗(yàn)室總體規(guī)模達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)或領(lǐng)先水平。具體建設(shè)內(nèi)容如下:

1)建立較為完備的礦井瓦斯災(zāi)害防治實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)定體系;

2)對(duì)礦方的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行瓦斯治理技術(shù)綜合培訓(xùn);

3)從安全性、合理性、適用性方向?qū)?shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì);

4)為實(shí)驗(yàn)室編制針對(duì)性的操作制度及管理制度;

5)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的附屬設(shè)施提出要求并進(jìn)行相關(guān)的輔助工作。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)方案

5.1 設(shè)備選型方案

根據(jù)以上對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治措施中所需測(cè)試參數(shù)分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究成果擬選用的裝備有高壓容量法吸附裝置、瓦斯含量直接測(cè)定裝置、瓦斯壓力測(cè)定儀、瓦斯放散初速度儀、煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定裝置以及工業(yè)分析裝置等，具體選型如圖1所示。

圖1 測(cè)定裝置以及工業(yè)分析裝置選型

5.2 選型設(shè)備簡(jiǎn)介

5.2.1 HCA型高壓容量法瓦斯吸附裝置

本裝置執(zhí)行MT/T 752－1997煤的甲烷吸附量測(cè)定方法(高壓容量法)。

本裝置用于瓦斯吸附常數(shù)a、b值測(cè)定，結(jié)合井下實(shí)測(cè)的壓力來(lái)計(jì)算煤層的瓦斯含量。此方法是一種間接法計(jì)算煤層的瓦斯含量。該裝置為全自動(dòng)的電子式解吸裝置，配套有恒溫箱和機(jī)械增壓機(jī)組等裝置，設(shè)備先進(jìn)，準(zhǔn)確度高，可自動(dòng)測(cè)定、打印等功能。測(cè)定的吸附常數(shù)a、b值反映了煤層瓦斯解吸特征和最大可解吸瓦斯量。為瓦斯含量及瓦斯壓力間接測(cè)定法的必備裝置。

5.2.2 DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置

本裝置執(zhí)行《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》(GB250－2009)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置是一套井下和實(shí)驗(yàn)室結(jié)合使用的直接測(cè)定煤層瓦斯含量的裝置，裝置可在8小時(shí)內(nèi)完成煤層瓦斯含量測(cè)定。測(cè)定過(guò)程為:向煤層施工鉆孔取煤樣、將煤樣裝入解吸裝置測(cè)量瓦斯解吸速度及解吸量、在實(shí)驗(yàn)室將煤樣裝入密封粉碎系統(tǒng)粉碎后測(cè)量瓦斯解吸量、抽真空測(cè)定或計(jì)算煤的常壓吸附量、建立模型推算取樣階段損失瓦斯量，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。并能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)快速精準(zhǔn)數(shù)據(jù)測(cè)試要求。

5.2.3 WFC－2瓦斯放散初速度測(cè)定裝置

本裝置執(zhí)行瓦斯放散初速度指標(biāo)測(cè)定方法。

該裝置主要用于測(cè)定煤層瓦斯突出基本指標(biāo)——瓦斯放散初速度指數(shù)△P，一般與測(cè)定煤層堅(jiān)固性系數(shù)相配套，結(jié)合煤層原始瓦斯壓力、煤體破壞類(lèi)型等指標(biāo)，可對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可用于煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性的綜合指標(biāo)測(cè)算。

5.2.4 MJC煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)值測(cè)定裝置

本裝置執(zhí)行MT/T 49－1987(2005)煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定方法。

該裝置用于測(cè)定煤的堅(jiān)固性，是判定煤層突出危險(xiǎn)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，結(jié)合其它基本指標(biāo)對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.2.5 MWYZ型主動(dòng)式煤層瓦斯壓力測(cè)定儀

該儀器采用主動(dòng)升壓法測(cè)試煤層瓦斯壓力，其基本原理是用固體封液體、用液體封氣體，且測(cè)壓過(guò)程中封孔液體的壓力始終高于煤層瓦斯壓力。

5.2.6 工業(yè)分析裝置

根據(jù)具體條件選用測(cè)試灰分、水分、真密度、視密度等測(cè)試儀器及制樣裝備，配合主要設(shè)備使用。

5.3 實(shí)驗(yàn)壞境要求

根據(jù)上述設(shè)備選型實(shí)驗(yàn)室需要專(zhuān)門(mén)房屋，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單裝修可達(dá)到要求。約共需2～4間房屋，實(shí)驗(yàn)室面積約120m2。其中制樣室為一獨(dú)立房間，面積需20m2左右，其它實(shí)驗(yàn)用屋可相互打通，用門(mén)隔離，也可獨(dú)立成間。實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)應(yīng)有空調(diào)，用于恒定室溫;應(yīng)有室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)裝置，用于保持室內(nèi)濕度;應(yīng)有排氣扇用于新鮮空氣交換，墻面白色干凈并配不透光的窗簾;地板用堅(jiān)固耐磨的白色地板磚;通水通電。應(yīng)該專(zhuān)門(mén)成立實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境配備和設(shè)備布置分別如表1和圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境配備表

圖2 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備布置示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

筆者因?yàn)楣ぷ餍枰瑥耐咚篂?zāi)害防治裝備研發(fā)的前沿技術(shù)結(jié)合瓦斯治理工藝技術(shù)，做了多年瓦斯災(zāi)害防治基本參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的研究，并把研究成果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。已在山西、貴州、河南、新疆等二十余個(gè)省市的礦局建立瓦斯災(zāi)害防治基本參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)室120余個(gè)，為礦井瓦斯災(zāi)害治理措施提供了第一手的測(cè)試數(shù)據(jù)，為礦井安全生產(chǎn)做出了一定的貢獻(xiàn)。

［1］ 王耀鋒.對(duì)于采用孔口取樣方式進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定時(shí)煤鉆屑暴露時(shí)間的探討［J］.煤礦安全，2005，36(3):39－40

［2］ 鄒銀輝，張慶華.我國(guó)煤礦井下煤層瓦斯含量直接測(cè)定法的技術(shù)進(jìn)展［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(增刊):180－182

［3］ 李希建，林柏泉.煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀及分析［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(1): 7－13

［4］ 尚顯光.瓦斯放散初速度影響因素實(shí)驗(yàn)研究［D］.河南理工大學(xué)，2011

［5］ 趙旭生，胡千庭，鄒銀輝，等.深部煤體煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測(cè)定原理及其應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(1):38－41