基于鉆屑瓦斯解吸規(guī)律的瓦斯含量快速測定方法

張　帥　崔永國　任　威　高　強(qiáng)　劉　寧

(山西高河能源有限公司)

?

基于鉆屑瓦斯解吸規(guī)律的瓦斯含量快速測定方法

張帥崔永國任威高強(qiáng)劉寧

(山西高河能源有限公司)

通過對高河煤礦3#煤層鉆屑解吸規(guī)律的實驗室測定，提出了煤層瓦斯含量快速測定方法。經(jīng)實驗室和現(xiàn)場驗證，發(fā)現(xiàn)該方法可對井下煤層瓦斯壓力進(jìn)行快速測定，測定結(jié)果與直接測定的瓦斯含量的平均誤差在5%以內(nèi)，對于煤礦井下快速、精確測定瓦斯含量有一定的參考價值。

鉆屑瓦斯解吸規(guī)律瓦斯含量快速測定

分析煤瓦斯解吸規(guī)律是進(jìn)行煤層瓦斯含量測定的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的瓦斯測定方法大多通過井下采集煤樣實測瓦斯解吸量，根據(jù)瓦斯解吸規(guī)律計算取樣過程中的瓦斯損失量，在此基礎(chǔ)上與實驗室測定的煤層內(nèi)的殘存瓦斯量相加得到最終的瓦斯含量值。該方法測定周期長、效率低下，現(xiàn)場應(yīng)用較繁瑣。為此，本研究基于實驗室瓦斯解吸試驗，提出一種基于鉆屑瓦斯解吸規(guī)律的瓦斯含量快速測定方法。

1　試驗裝置及方法

試驗系統(tǒng)見圖1，該系統(tǒng)主要功能包括：①為試驗提供瓦斯源；②促使煤樣解吸的瓦斯在保持常壓的條件下泄入瓦斯解吸測定裝置，一般模擬解吸過程僅需30min，測定過程中大氣壓的變化可忽略不計，即可認(rèn)為在模擬瓦斯解吸過程中，瓦斯泄出口壓力恒定；③由于溫度變化是影響煤樣瓦斯解吸的一個因素，該裝置的另一目的是使煤樣瓦斯解吸過程中保持溫度恒定。

圖1　試驗裝置結(jié)構(gòu)

2　試驗分析

2.1試驗結(jié)果

進(jìn)行瓦斯含量測定時，首先使用真空泵對煤樣罐中的煤樣抽真空，然后使用參考罐向煤樣罐充氣，并根據(jù)參考罐在充氣前后氣體參數(shù)的變化確定充入煤樣罐的氣體體積。待煤樣罐在恒溫浴槽中吸附平衡后，突然打開上側(cè)閥門，瓦斯將向集氣罐中解吸釋放，罐內(nèi)的氣體壓力也將相應(yīng)升高。使用傳感器連續(xù)采集罐內(nèi)的氣體壓力值，并將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，據(jù)此可繪制出煤樣罐中釋放的氣體量隨時間的變化曲線。由于集氣罐體積遠(yuǎn)大于煤樣罐，在測試過程中集氣罐的壓力始終控制在0.01MPa以下。因此，可認(rèn)為煤樣罐中的氣體是向大氣環(huán)境中釋放，其解吸規(guī)律并不受影響。圖2中列出了高河煤礦3#煤層煤樣在篩分至1～3mm之后，分別在不同瓦斯壓力下的30min解吸曲線。由圖2可知：隨著氣體壓力的增大，單位質(zhì)量的煤樣在相同時間點所解吸釋放出的瓦斯量也逐漸增大，但其增大的幅度有所減緩，主要是受到煤體內(nèi)部孔隙的限制，吸附氣體的能力存在一個極限值，隨著煤樣暴露時間的延長，解吸曲線的斜率越來越小，曲線逐漸趨于平緩，表明煤樣中氣體向外解吸擴(kuò)散的速度隨著暴露時間的延長而逐漸減小，原因為：①隨著時間的延長，煤體內(nèi)吸附的瓦斯量逐漸減小，內(nèi)部瓦斯向外解吸擴(kuò)散的動力降低；②由煤的孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定的，在暴露初期，煤體大孔中的瓦斯集中向外釋放，瓦斯運移的阻力(即擴(kuò)散系數(shù))較大，而到了后期，決定瓦斯釋放快慢的主要為煤體內(nèi)大量的小孔和微孔，瓦斯在該類孔中的擴(kuò)散系數(shù)將縮小1～2個數(shù)量級。

2.2試驗數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)相關(guān)研究成果，煤樣暴露初期的解吸瓦斯量與時間的平方根成線性關(guān)系，根據(jù)對本研究試驗數(shù)據(jù)的處理分析，驗證了上述解吸量與時間的線性關(guān)系，但隨著煤樣暴露時間的延長，直線的斜率會出現(xiàn)微小的下降，并且隨著煤層瓦斯壓力的增大，斜率越來越大?？紤]到煤礦井下瓦斯含量測定的具體情況，目前井下應(yīng)用較多的解吸法包括井下瓦斯含量直接測定時進(jìn)行的30min解吸和進(jìn)行解吸指標(biāo)Kt值測定時進(jìn)行的5min解吸，其共同點是在進(jìn)行解吸測定之前，煤樣會暴露一段時間，尤其是30min解吸時，暴露時間相對更長，并且無統(tǒng)一要求，若鉆孔施工較長，那么暴露時間將遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，從而導(dǎo)致瓦斯測定結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。因此，在快速測定瓦斯含量時，須在煤礦現(xiàn)有的技術(shù)裝備條件下考慮不同煤樣暴露時間的影響，為此，本研究提出了不同暴露時間下解吸特性系數(shù)Kt來反映解吸過程，并探尋其與煤層瓦斯含量之間的關(guān)系。根據(jù)試驗測得的煤樣各關(guān)聯(lián)參數(shù)(包括工業(yè)性分析、吸附常數(shù)以及密度等參數(shù))，并結(jié)合各試驗煤樣的氣體壓力，對各試驗煤樣的瓦斯含量進(jìn)行了計算，并通過數(shù)據(jù)處理得到了不同煤樣暴露時間(t)下的Kt值，結(jié)果見表1。

圖2　不同氣體壓力下實驗室模擬解吸測試結(jié)果

表1　不同氣體壓力下的瓦斯吸附量及Kt值

由表1可知：隨著暴露時間的延長，相同壓力下的解吸特征系數(shù)Kt逐漸變小，并且隨著氣體壓力的增大，解吸特征系數(shù)Kt逐漸增大，說明解吸特征系數(shù)Kt是一個反映瓦斯解吸速度快慢的物理量。

以解吸特征系數(shù)Kt為橫坐標(biāo)，以瓦斯含量為縱坐標(biāo)，繪制了解吸特征系數(shù)Kt與煤層瓦斯含量的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3　不同暴露時間下瓦斯含量與解吸特征系數(shù)的關(guān)系

由圖3可知：煤層瓦斯含量與解吸特征系數(shù)Kt之間成線性關(guān)系，并且具有較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)隨著煤樣暴露時間的延長出現(xiàn)微小的下降，但仍在0.985以上。因此，煤層瓦斯含量可用下式計算[1]：

式中，α，β分別為不同暴露時間所對應(yīng)的常數(shù)。

為對不同暴露時間下煤層瓦斯壓力和瓦斯含量與解吸特征系數(shù)Kt的關(guān)系表達(dá)式的精度進(jìn)行分析，對不同暴露時間下具體參數(shù)R2進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

由表2可知：對于R2來言，使用解吸特征系數(shù)Kt描述不同暴露時間下的煤樣瓦斯含量和瓦斯壓力，精度均較高，特別是使用Kt值來描述瓦斯含量時，R2高達(dá)0.991 46。另外，從實驗室測定結(jié)果來看，隨著暴露時間的延長，使用解吸特征系數(shù)Kt描述煤樣瓦斯壓力和瓦斯含量的相關(guān)系數(shù)雖然有一定的下降，但在5min以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)的下降幅度較小，不足以影響瓦斯測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2　各表達(dá)式精確度對比

3　方法可靠性驗證

3.1實驗室驗證

以實驗室測定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別利用新方法對煤樣的瓦斯含量進(jìn)行了回歸計算，結(jié)果見表3。由表3可知：運用新方法對2種不同壓力下的煤樣分別暴露1，2，3，5min后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算，得到的煤樣瓦斯含量誤差為0.2%～7.81%，平均僅為2.58%，表明新方法可準(zhǔn)確測定煤樣的瓦斯含量。

表3　新方法實驗室瓦斯含量測定結(jié)果

3.2現(xiàn)場驗證

對高河煤礦3#煤層的瓦斯含量進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試地點為高河煤礦北翼進(jìn)風(fēng)大巷，測試時使用礦方購買的DGC瓦斯含量直接測定裝置中的井下解吸部分，測試結(jié)果見表4。由表4可知：運用新方法獲得的煤樣瓦斯含量誤差為0.1%～5.77%，平均僅為3.72%，可見，該方法在現(xiàn)場應(yīng)用中可較準(zhǔn)確地測定煤層瓦斯含量，反推的瓦斯含量誤差較小，精度可滿足工程需要[2]。

表4　現(xiàn)場驗證結(jié)果

4　結(jié)　論

(1)煤層瓦斯壓力及瓦斯含量與煤的解吸特征系數(shù)Kt成線性關(guān)系，且該函數(shù)關(guān)系受到煤樣暴露時間的影響。

(2)提出了井下煤層瓦斯含量快速測定方法，在運用該方法測定煤層瓦斯含量時，煤樣暴露時間宜控制在5min以內(nèi)，實驗室和現(xiàn)場驗證結(jié)果表明，該方法可較準(zhǔn)確地測定煤層瓦斯含量，滿足工程需要。

[1]韓穎，張飛燕，余偉凡，等.煤屑瓦斯全程擴(kuò)散規(guī)律的實驗研究[J].煤炭學(xué)報，2011，36(10)：1699-1703．

[2]齊黎明，陳學(xué)習(xí)，程五一，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，2010，27(3)：111-115．

2016-06-12)

張帥(1984—)，男，工程師，046000 山西省長治市。