恒壓條件井下煤樣瓦斯解吸規(guī)律研究

孫 星 于寶種

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦，山西 045000；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 454003)

1 前言

煤層瓦斯含量是礦井進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理的最重要的指標(biāo)之一。準(zhǔn)確測(cè)定井下煤層瓦斯含量依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》(GB/T 23250—2009)執(zhí)行。井下煤層瓦斯含量的測(cè)定方法為施工鉆孔將煤壁剝落的煤樣裝入煤樣罐中并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解吸量推算瓦斯損失量，最后經(jīng)地面脫氣(或者地面自然解吸并計(jì)算不可解吸量)獲得煤層瓦斯含量。在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)給出了指導(dǎo)意見(jiàn)，但瓦斯損失量計(jì)算、取樣方法對(duì)測(cè)定煤層瓦斯含量的影響并不明確。本文針對(duì)這幾個(gè)問(wèn)題做進(jìn)一步探討。

2 瓦斯含量測(cè)定中損失瓦斯量的計(jì)算分析

表1 新景礦1號(hào)煤樣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定解吸數(shù)據(jù)記錄(暴露時(shí)間為2min)

續(xù)表

井下所采集煤樣的解吸過(guò)程為等壓解吸過(guò)程，利用不同的推算公式進(jìn)行計(jì)算，可得到煤樣暴露時(shí)間內(nèi)的瓦斯損失量。

煤粒從煤壁剝落后，瓦斯的涌出符合擴(kuò)散規(guī)律，巴雷爾通過(guò)將定壓條件下天然沸石對(duì)氣體的吸附規(guī)律進(jìn)行研究，獲得了瓦斯累計(jì)解吸量計(jì)算方法即巴雷爾式。煤屑瓦斯解吸時(shí)根據(jù)煤樣開(kāi)始暴露一段時(shí)間內(nèi)瓦斯解吸量與煤樣暴露時(shí)間成直線關(guān)系確定：

(1)

當(dāng)煤樣暴露時(shí)間為2min時(shí)，煤樣裝罐后不同解吸時(shí)間與解吸量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同的解吸時(shí)間對(duì)推算瓦斯損失量的影響

表2 利用法在不同解吸時(shí)間內(nèi)的推算損失量影響因素

圖2 不同的暴露時(shí)間對(duì)推算瓦斯損失量的影響

表3 利用法在不同暴露時(shí)間內(nèi)的推算損失量影響因素

2.2 冪函數(shù)法(烏斯季諾夫式)

qt=q0×(1+t)-n

(2)

式中：qt為t時(shí)間的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0為t=0時(shí)間的瓦斯解吸速度，cm3/min；t為瓦斯解吸時(shí)間， min；n為瓦斯解吸速度衰減系數(shù)，0

煤樣的瓦斯損失量計(jì)算公式為：

(3)

2.2.1 利用冪函數(shù)法推算損失量計(jì)算過(guò)程中煤樣解吸時(shí)間的影響因素分析

冪函數(shù)法推算瓦斯損失量為烏斯季諾夫在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上得出，本文利用冪函數(shù)法對(duì)新景井下實(shí)測(cè)解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同的解吸時(shí)間的瓦斯初始解吸速率，進(jìn)而求得在暴露時(shí)間2min內(nèi)的瓦斯損失量(表4)。

圖3 不同的解吸時(shí)間對(duì)瓦斯損失量的推算影響

解吸時(shí)間損失量推算公式Q0n損失量誤差分析8miny=46.27?(1+x)-0.1046.270.1086.937%12miny=46.78?(1+x)-0.1146.780.1187.336.6%16miny=47.77?(1+x)-0.1247.770.1288.255.6%25miny=51.03?(1+x)-0.1751.030.1791.532%30miny=52.93?(1+x)-0.1952.930.1993.54—

煤樣的解吸速率隨著解吸時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變小，利用冪函數(shù)法擬合不同解吸時(shí)間的解吸速率，當(dāng)總解吸時(shí)間較短時(shí)，通過(guò)擬合推算的初始時(shí)刻瓦斯解吸速度很小，但解吸速度衰減系數(shù)也小，根據(jù)此解吸時(shí)間計(jì)算的瓦斯損失也較其他為小。因此，當(dāng)解吸時(shí)間最長(zhǎng)為30min時(shí)推算的瓦斯損失量較其他總解吸時(shí)間為8min、12min、16min及25min時(shí)推算的損失量誤差為7%、6.6%、5.6%和2%。因此，總解吸時(shí)間為30min時(shí)，利用冪函數(shù)法推算的瓦斯損失量值可認(rèn)為是損失量的準(zhǔn)確值。

2.2.2 利用冪函數(shù)法推算損失量過(guò)程中煤樣暴露時(shí)間的影響因素分析

煤樣的暴露時(shí)間也是影響瓦斯損失量推算的重要因素，利用冪函數(shù)法對(duì)新景井下所取1號(hào)煤樣進(jìn)行損失瓦斯量推算，當(dāng)煤樣暴露時(shí)間計(jì)2min、3min、5min及10min時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的瓦斯解吸曲線(解吸時(shí)間為30min)如圖4所示。

圖4 不同的暴露時(shí)間對(duì)瓦斯損失量的推算影響

暴露時(shí)間損失量推算公式Q0n損失量/cm3現(xiàn)場(chǎng)解吸量/cm3總解吸量/cm3誤差分析10miny=38.11?(1+x)-0.1938.110.19279.36403.05682.4114%5miny=46.15?(1+x)-0.1946.150.19187.24580.16767.403.6%3miny=48.64?(1+x)-0.1848.640.18125.70657.98783.671.5%2miny=52.93?(1+x)-0.1952.930.1993.54702.43795.97—

利用冪函數(shù)擬合解吸量數(shù)據(jù)時(shí)，煤樣暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，所推算的瓦斯損失量越大，但這是可能是長(zhǎng)時(shí)間的煤樣暴露時(shí)間所貢獻(xiàn)得結(jié)果，要比較暴露時(shí)間對(duì)損失量推算的影響，可分析在煤樣暴露時(shí)間與解吸時(shí)間的總時(shí)間(t+t0=32min)內(nèi)的總瓦斯解吸量。當(dāng)暴露時(shí)間為2min時(shí)煤樣的總解吸量最大，暴露時(shí)間達(dá)到10min時(shí)，計(jì)算的總瓦斯解吸量較2min時(shí)誤差達(dá)到14%，因此，針對(duì)新景1號(hào)煤樣利用冪函數(shù)法推算瓦斯損失量時(shí)應(yīng)取暴露時(shí)間為2min(表5)。

通過(guò)不同的計(jì)算方法對(duì)新景1號(hào)煤樣瓦斯損失量的推算分析如表6所示。

表6 利用不同方法對(duì)瓦斯損失量的推算分析

3 不同取樣方式的瓦斯含量測(cè)定結(jié)果分析

目前測(cè)定瓦斯含量的取樣方式主要有巖心管取樣、孔口接粉取樣及深孔定點(diǎn)取樣等三種方式，由于煤礦井下利用巖心管取樣所用時(shí)間較長(zhǎng)，一般在30min以上，導(dǎo)致煤樣暴露的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其損失量的推算誤差較大，本文主要比較了井下孔口接粉及利用深孔定點(diǎn)取樣裝置所取煤樣的測(cè)值。比較如表7及圖5所示(取樣共6組)。

表7 利用不同取樣方法獲得瓦斯含量

圖5 利用不同取樣方法獲得瓦斯含量比較

目前存在的三種取樣方式中地勘期間測(cè)定的瓦斯含量采用巖心管取樣，由于取樣時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致在煤樣提升時(shí)瓦斯解吸耗散，現(xiàn)場(chǎng)解吸煤樣時(shí)經(jīng)常無(wú)法解吸出瓦斯，由此瓦斯含量測(cè)值偏小。而井下孔口接粉采樣時(shí)由于鉆桿在鉆進(jìn)時(shí)對(duì)煤壁的繞動(dòng)，致使煤樣的混樣現(xiàn)象嚴(yán)重，深部無(wú)法測(cè)得準(zhǔn)確的瓦斯含量值。在采集煤樣過(guò)程中利用定點(diǎn)取樣裝置取樣可以很好的解決這些問(wèn)題，定點(diǎn)取樣優(yōu)勢(shì)如下：

(1)定點(diǎn)取樣，由定點(diǎn)取樣裝置負(fù)壓引射的原理可知，煤樣采集時(shí)從中空的鉆桿內(nèi)流出，無(wú)其他地點(diǎn)的煤樣混樣，取樣地點(diǎn)精確，真正實(shí)現(xiàn)了煤樣的定點(diǎn)采集。

(2)快速取樣，相較巖心管取樣實(shí)現(xiàn)了井下快速準(zhǔn)確取樣，在所有煤樣的采集過(guò)程中所有煤樣均實(shí)現(xiàn)10min內(nèi)采集完畢，最快速的煤樣采集時(shí)間壓縮在1.5min，滿足了瓦斯損失量推算的需要。

(3)提高了測(cè)定瓦斯含量的準(zhǔn)確性，值得提出的是定點(diǎn)取樣測(cè)定的瓦斯含量值并非一定比孔口接粉取樣的測(cè)定值大，2-2號(hào)及3-1號(hào)煤樣測(cè)得的瓦斯含量就是孔口接粉測(cè)值為大，但是混樣的存在導(dǎo)致瓦斯含量測(cè)值不準(zhǔn)確，利用深孔定點(diǎn)取樣裝置測(cè)得的瓦斯含量能更準(zhǔn)確的反應(yīng)煤層內(nèi)不同深度的瓦斯賦存情況，更精準(zhǔn)的進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作。

4 結(jié)論

(2)利用冪函數(shù)法對(duì)新景1號(hào)煤樣進(jìn)行瓦斯損失量的推算，獲得了針對(duì)1號(hào)煤樣的準(zhǔn)確損失量推算值即當(dāng)暴露時(shí)間為2min，解吸時(shí)間為30min時(shí)，推算的瓦斯損失量為93.54cm3；

(4)通過(guò)不同的取樣方法的分析可知采用深孔定點(diǎn)取樣方式采集煤樣測(cè)定瓦斯含量具有定點(diǎn)、快速及測(cè)值準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。

5 討論