取樣過程中風(fēng)流對煤樣瓦斯解吸規(guī)律影響的探討分析

呂偉偉隆清明晁建偉

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037）

取樣過程中風(fēng)流對煤樣瓦斯解吸規(guī)律影響的探討分析

呂偉偉1，2隆清明1，2晁建偉1，2

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037）

為考察取樣過程中風(fēng)流對煤樣瓦斯解吸規(guī)律的影響，理論分析并實(shí)測了取樣時(shí)鉆機(jī)進(jìn)風(fēng)流參數(shù)，并對影響煤樣解析規(guī)律的因素進(jìn)行了理論分析。通過試驗(yàn)研究風(fēng)流吹掃與自然暴露情況下煤樣瓦斯解吸規(guī)律，驗(yàn)證了取樣過程中風(fēng)流對煤樣瓦斯解吸規(guī)律的影響可以忽略，為煤層瓦斯含量損失量推算提供理論支撐。

煤樣瓦斯 取樣 影響因素 風(fēng)流 試驗(yàn) 解吸規(guī)律

瓦斯含量屬于煤層瓦斯基本參數(shù)，它是礦井進(jìn)行瓦斯災(zāi)害防治的基礎(chǔ)，因此準(zhǔn)確測定煤層瓦斯含量至關(guān)重要。目前瓦斯含量測定普遍使用的方法為間接法和直接法兩種，間接法需要測定煤層瓦斯壓力，不利于煤層瓦斯含量快速測定，現(xiàn)場多采用直接法進(jìn)行測定。取煤樣是煤層瓦斯含量直接測定工作的基礎(chǔ)，當(dāng)前多采用風(fēng)排鉆孔煤屑孔口接粉取樣及壓風(fēng)引射取樣，考察取樣過程中風(fēng)流對煤屑瓦斯解吸規(guī)律的影響是進(jìn)行瓦斯含量損失量推算的基礎(chǔ)，對煤層瓦斯含量準(zhǔn)確測定有一定的指導(dǎo)意義。

1　取樣時(shí)鉆機(jī)進(jìn)風(fēng)流參數(shù)確定

由流體力學(xué)相關(guān)理論可知，在流體介質(zhì)中粒子由靜止?fàn)顟B(tài)開始勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度稱為粒子的沉降速度，粒子的物料性質(zhì)和粒徑影響著粒子沉降速度的大小。取樣過程中，對于鉆孔內(nèi)單個(gè)煤樣鉆屑顆粒，當(dāng)風(fēng)流的速度大于煤樣顆粒的沉降速度時(shí)，煤樣剛好能被風(fēng)流吹動(dòng)；同時(shí)，根據(jù)氣力輸送理論，取樣過程中還要保證排渣量與產(chǎn)渣量的平衡，保障鉆孔不出現(xiàn)堵塞。因此，這就要保證有源源不斷的氣體為取樣提供動(dòng)力，以保證取樣設(shè)備能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1 取樣過程中排渣的最小風(fēng)速

對于一定粒徑的煤樣顆粒，使其吹出孔外的風(fēng)流速度在克服煤樣顆粒與孔壁或者鉆桿內(nèi)管之間的摩擦以及因鉆孔傾斜所形成的位能前提下，應(yīng)該達(dá)到最小沉降速度；煤樣顆粒為粗粒子，其等速沉降時(shí)流體介質(zhì)（空氣）相對于粒子的雷諾數(shù)Ret＞500，在此條件下煤樣顆粒的沉降速度適用于牛頓阻力定律：

式中：ut——與粒徑等有關(guān)的顆粒的沉降速度，m/s；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

ρs——煤樣的密度，取1450 kg/m3；

ρa(bǔ)——空氣的密度，取1.29 kg/m3；

ds——煤樣顆粒的平均粒徑，取0.005 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）可得ut=12.91 m/s。

根據(jù)相關(guān)理論，考慮到與鉆桿內(nèi)管的摩擦及克服位能等因素，排出鉆屑顆粒的最小風(fēng)流速度為：

式中：ua——煤樣顆粒的最小風(fēng)流速度，m/s；

ζs——煤樣顆粒與鉆桿內(nèi)管間的摩擦系數(shù)，取1；

θ——鉆孔的傾角，仰孔取負(fù)值，下向孔取正值，此處取值θ=12°。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）可得ua=14.06 m/s。

ua只表示煤樣顆粒能滑動(dòng)時(shí)的臨界風(fēng)流速度。實(shí)際取樣過程中孔內(nèi)連續(xù)不斷地產(chǎn)生大量的煤樣顆粒，其間的相互阻礙作用有可能導(dǎo)致阻塞。為保證鉆桿內(nèi)管的煤樣顆粒不產(chǎn)生阻塞，其風(fēng)流速度還應(yīng)滿足以下條件：

式中：u——實(shí)際風(fēng)流速度，取孔口處的風(fēng)速值，m/s；

ub——滿足不阻塞條件的最小風(fēng)速，m/s；

ws——產(chǎn)渣量，取0.17 kg/s。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（3）得ub=13.92 m/s。

因此，保證最小排渣的風(fēng)速u應(yīng)取ua、ub的最大值u=max｛ua，ub｝才能滿足排渣的基本要求，帶入數(shù)據(jù)可得出最小排渣的風(fēng)速u=14.06 m/s。

1.2 鉆機(jī)風(fēng)壓管進(jìn)風(fēng)量及其靜壓實(shí)測

要將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的鉆屑排出，需提供足夠的風(fēng)量，排渣所需的最小風(fēng)量可以計(jì)算出來，但壓風(fēng)在鉆機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的風(fēng)阻和打鉆過程中產(chǎn)生的漏風(fēng)是無法準(zhǔn)確確定的。因此必須要確定鉆機(jī)風(fēng)壓管進(jìn)風(fēng)量來保證鉆井正常取樣排渣的需要。本次實(shí)測選擇在演馬莊礦27131工作面（下段）回風(fēng)巷進(jìn)行。

此次測定鉆機(jī)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)風(fēng)風(fēng)量及其靜壓采用專用流量計(jì)進(jìn)行。測試示意圖如圖1所示。

圖1　風(fēng)壓測定示意圖

因此，可確定演馬莊礦正常鉆進(jìn)取樣時(shí)的合理風(fēng)量為3.82 m3/min，靜壓P2為0.5 MPa。

2　風(fēng)流對煤樣解吸規(guī)律影響的理論分析

2.1 影響煤樣解吸規(guī)律的因素分析

煤是同時(shí)存在微裂隙和孔隙的雙重介質(zhì)，瓦斯在煤層中以吸附狀態(tài)及游離狀態(tài)的形式同時(shí)存在，在較大的孔隙中瓦斯運(yùn)移符合達(dá)西滲透規(guī)律，在微裂隙中瓦斯以菲克擴(kuò)散的形式流動(dòng)。根據(jù)相關(guān)理論及研究成果，影響煤樣解吸規(guī)律的主要因素如下：

（1）煤樣中的水分。煤中裂隙及孔隙的存在提供了水分流動(dòng)的通道，同時(shí)裂隙中水分的存在能濕潤煤體，產(chǎn)生濕潤界面能，阻隔了煤中吸附狀態(tài)的瓦斯，增大了瓦斯流動(dòng)的阻力，降低了煤體的滲透性，阻礙瓦斯解吸運(yùn)動(dòng)。

（2）煤樣的粒徑。根據(jù)試驗(yàn)研究，同樣條件下煤樣瓦斯解吸能力受煤樣粒度影響較大，煤樣解吸量隨著煤樣粒徑的增加而減小，但影響煤樣解吸的粒徑存在極限粒徑，大于極限影響粒度后，影響變?nèi)酢?/p>

（3）煤樣的結(jié)構(gòu)及特性。煤中裂隙及孔隙發(fā)育程度較高時(shí)，瓦斯解吸流動(dòng)通道增加，煤樣的解吸能力提高，瓦斯解吸量增大。煤的吸附常數(shù)及溫度也能影響煤樣瓦斯解吸能力。

（4）煤樣的取樣時(shí)間及平衡吸附壓力。由達(dá)西滲透及菲克擴(kuò)散理論可知，瓦斯解吸量受吸附平衡壓力的影響，吸附平衡壓力較大時(shí)煤樣瓦斯解吸量越大；同時(shí)隨著取樣解吸時(shí)間增加，煤樣瓦斯解吸量增大，直至極限解吸量。

2.2 取樣過程中風(fēng)流對煤樣解吸規(guī)律影響

采用風(fēng)排煤屑取樣過程中，風(fēng)流提供了煤屑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，使煤屑從鉆孔底部向孔口運(yùn)移，此過程中采用的是正壓風(fēng)流且風(fēng)流速度較快（大于14.06 m/s），對煤樣吸附平衡壓力、煤層溫度及水分的影響可忽略；取樣過程中風(fēng)流并不能改變所取煤樣的粒度及構(gòu)造特征，取樣時(shí)間只是增加了煤樣的解吸時(shí)間，且風(fēng)排煤屑取樣時(shí)間符合GB/ T23250《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》要求（取樣時(shí)間不大于5 min），并不影響瓦斯含量損失量的推算，因此可得出取樣過程中風(fēng)流對煤樣瓦斯解吸規(guī)律的影響可忽略不計(jì)。

3　試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

為考察在取樣過程中風(fēng)流對煤屑瓦斯解吸規(guī)律的影響，模擬井下取樣過程鉆桿中風(fēng)流對含瓦斯煤的吹掃作用。先將煤樣以不同形式包裹（銅網(wǎng)、錫箔紙）置于同一個(gè)PCT的煤樣池中吸附平衡，只將吸附平衡的銅網(wǎng)煤樣放置在風(fēng)流中吹掃，兩者同樣的暴露相同時(shí)間后開始解吸并對比兩者解吸規(guī)律的差別。

3.2 對比試驗(yàn)

將所取煤樣分兩份并稱取相同的重量（1～3 mm粒徑煤屑），分別用銅網(wǎng)、錫箔紙包裹后放置于同一個(gè)PCT的煤樣池中吸附平衡，通過多閥門開關(guān)及流量計(jì)校準(zhǔn)。參考取樣過程中實(shí)測風(fēng)流參數(shù)，設(shè)定氣體流量為3.86 m3/min，吸附瓦斯平衡后取出煤樣，設(shè)定吹掃時(shí)間為10 s和20 s，暴露時(shí)間為1 min和3 min，將在風(fēng)流中暴露和正常暴露大氣壓的煤樣分別置于煤樣杯中開始試驗(yàn)測定，測定過程中統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間煤樣瓦斯解吸量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以解吸時(shí)間為橫軸、解吸量為縱軸，繪制兩種方式瓦斯解吸規(guī)律對比曲線，如圖2所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2（a）中可以看出，經(jīng)過風(fēng)流吹掃20 s、暴露3 min與未經(jīng)過吹掃的煤樣暴露3 min后的瓦斯解吸曲線基本吻合；由圖2（b）中可以看出，經(jīng)過風(fēng)流吹掃10 s、暴露1 min與未經(jīng)過吹掃的煤樣暴露1 min后的瓦斯解吸曲線基本一致，即煤層瓦斯含量測定風(fēng)排煤屑取樣過程中的風(fēng)流對煤樣瓦斯解吸規(guī)律產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

圖2　煤樣瓦斯解吸規(guī)律對比（有風(fēng)流與無風(fēng)流對比）

4　結(jié)論

（1）理論分析并實(shí)測了取樣時(shí)鉆機(jī)進(jìn)風(fēng)流參數(shù)，正常鉆進(jìn)取樣時(shí)的合理風(fēng)量為3.82 m3/min，靜壓為0.5 MPa，風(fēng)流速度應(yīng)大于14.06 m/s，可為類似的取樣作業(yè)提供借鑒。

（2）對影響煤樣解吸規(guī)律的因素進(jìn)行了分析，得出了主要的影響因素為煤樣水分、煤樣粒徑、煤的構(gòu)造及特性、煤樣的解吸時(shí)間及吸附平衡壓力等；理論分析得出了取樣過程中風(fēng)流對煤樣解吸規(guī)律的影響可以忽略。

（3）通過試驗(yàn)研究驗(yàn)證了風(fēng)排煤屑取樣過程中風(fēng)流對煤樣解吸規(guī)律的影響可以忽略，為瓦斯含量損失量推算提供了理論指導(dǎo)。

［1］ 齊黎明，陳學(xué)習(xí)等.新型煤層瓦斯含量準(zhǔn)確測定方法研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010（1）

［2］ 陳昌國.煤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和吸附機(jī)理的研究［D］.重慶大學(xué)，1995

［3］ 唐書恒，韓德馨.煤對多元?dú)怏w的吸附與解吸［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2002（1）

［4］ 陳向軍，賈東旭，王林.煤解吸瓦斯的影響因素研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（6）

［5］ 李曉華，王兆豐等.水分對新景礦3號煤層瓦斯解吸規(guī)律的影響［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（5）

［6］ 林海飛，文斌等.多因素對煤樣吸附瓦斯影響試驗(yàn)研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2015（9）

［7］ 王軼波，李紅濤，齊黎明等.低溫條件下煤體瓦斯解吸規(guī)律研究［J］.中國煤炭，2011（5）

（責(zé)任編輯 張艷華）

Discussion and analysis of the influence of air flow on gas desorption law of coal samples in sampling preparation process

Lv Weiwei1，2，Long Qingming1，2，Chao Jianwei1，2
（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Shapingba，Chongqing 400037，China；2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Shapingba，Chongqing 400037，China）

To investigate the influence of air flow on gas desorption law of coal samples in sampling preparation process，this paper analyzed theoretically and measured air flow parameters of drilling machine during sampling and analyzed the influential factors of gas desorption law of coal samples.By studying different gas desorption laws of coal samples under air purging and natural exposure，it was verified that the influence of air flow on gas desorption law of coal samples in sampling preparation process could be ignorable，which provides theoretical support for predicting gas content in coal seams.

coal sample gas，sampling，influential factors，air flow，experiment，desorption law

TD712.3

A

呂偉偉（1988-），男，陜西商洛人，碩士，從事礦山壓力及其控制和煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)的研究工作。