煤層瓦斯損失量計算方法探討及其實(shí)踐*

崔福田，魏 強(qiáng)*，馮文青，石從秋，劉士言，童家穎

（1.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州234000；2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州234000）

煤層瓦斯含量是煤層瓦斯研究的重要參數(shù)，是礦井通風(fēng)設(shè)計、煤與瓦斯突出預(yù)測、礦井瓦斯涌出量預(yù)測等基礎(chǔ)參數(shù)。然而，在瓦斯解吸過程中，即使瓦斯測定人員操作無誤，瓦斯損失量依然很難精確得出[1]。關(guān)于瓦斯損失量數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)計算方法，張向陽[2]等通過對法、冪函數(shù)法和井下瓦斯解吸損失量快速推算法三種方法進(jìn)行比較分析，得出結(jié)果法是計算瓦斯損失量的最優(yōu)方法。周侃[3]等采用回歸分析的方法對實(shí)測瓦斯解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對數(shù)模型、二次模型、三次模型和線性模型都能較好地擬合瓦斯解吸數(shù)據(jù)，但是只有二次模型的計算結(jié)果能夠較好地符合瓦斯解吸的規(guī)律性。

以往的研究及提出的方法都是關(guān)于瓦斯損失量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)計算方法，或基于數(shù)學(xué)模型的建立，來提高瓦斯損失量的計算精確度。然而，瓦斯損失量的誤差更多存在于瓦斯解吸過程中。在用解吸法測定瓦斯含量中損失量的計算有國標(biāo)法和泥漿法兩種。國標(biāo)法是直接現(xiàn)場進(jìn)行收集數(shù)據(jù)來測定瓦斯量，以鉆孔煤樣提至鉆孔深度的一半為瓦斯解吸點(diǎn)；而泥漿法是測出煤樣被提升至煤層瓦斯壓力與泥漿壓力平衡的時間，用此時間點(diǎn)作為煤樣開始暴露的時間，以此來求瓦斯損失量。通過國標(biāo)法和泥漿法的對比，得出計算瓦斯損失量更為恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑥亩鵀榛茨厦簩託赓Y源評估與勘探開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)[4]。

1 瓦斯解吸法

當(dāng)煤體中游離瓦斯和吸附瓦斯不平衡時，吸附于煤體中的瓦斯開始解吸，直至達(dá)到新的平衡[2]。煤體解吸過程中，利用普通煤芯管鉆取煤芯，當(dāng)煤芯管提出孔口，用封閉罐采取含瓦斯的煤樣，根據(jù)煤樣的暴露時間計算采樣過程中的瓦斯損失量。將封閉罐送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)而測煤芯中的瓦斯量。

2 損失量的計算方法

2.1 國標(biāo)法

國標(biāo)法比較直接，以鉆孔煤樣提至鉆孔深度的一半為瓦斯解吸點(diǎn)來計算瓦斯解吸量。假設(shè)鉆機(jī)提取樣品的速度為勻速，取提鉆時間的一半為樣品在孔內(nèi)的暴露時間，則將煤樣至井口到裝罐前的時間之和為樣品暴露總時間，加上樣品的現(xiàn)場解吸累積時間即可得煤樣的解吸時間點(diǎn)[5]。國標(biāo)法具有操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前普遍采用的瓦斯含量測定方法。但直接測定法瓦斯損失量Vs是一個估計值，精度受暴露時間影響較大[6]。

式中：Voi-暴露時間t0內(nèi)的瓦斯解吸量；Vs-暴露時間t0內(nèi)的瓦斯損失量；K-待定系數(shù)；t0-暴露時間。

圖解法是以換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積Voi為縱坐標(biāo)，以解吸時間的平方根為橫坐標(biāo)[7]，將全部測點(diǎn)繪在坐標(biāo)紙上，測點(diǎn)的直線關(guān)系線的截距的絕對值即為瓦斯損失量。

2.2 泥漿法

國標(biāo)法是以煤樣被提升到鉆孔深度的一半作為瓦斯解吸點(diǎn)，來計算瓦斯解吸量，而不考慮樣品在瓦斯和泥漿壓力下的狀況[5]。而泥漿法則考慮了瓦斯壓力與泥漿壓力的平衡狀況（見圖1）。

圖1 國標(biāo)法與泥漿法示意圖

根據(jù)對煤芯瓦斯解吸機(jī)理的分析，煤樣被提升至煤層瓦斯壓力和泥漿壓力平衡的時間作為煤樣的初始暴露時間，與實(shí)際的暴露時間相吻合（此時解吸時間為零，解吸量也為零）。基于此認(rèn)識，只需根據(jù)煤層瓦斯壓力（P瓦）換算與之相等的泥漿壓力所處的深度（ρ泥），然后依據(jù)鉆機(jī)平均提升速度，可推算出煤樣由此深度到達(dá)孔口的時間，即煤樣在孔內(nèi)的暴露時間[7]，以此用于暴露總時間的計算。因?yàn)榛茨厦禾镢@機(jī)介質(zhì)為泥漿，計算使用泥漿的密度，假設(shè)鉆機(jī)提升速度為勻速，則煤樣在孔內(nèi)的暴露時間為：

式中：P瓦-煤層瓦斯壓力（Pa）；ρ泥-泥漿密度，1.1×103kg/m3；t1-煤樣在孔內(nèi)暴露時間（min）；t-提鉆時間（min）；h-孔深（m）。

3 瓦斯損失量測定實(shí)驗(yàn)及分析

分別采集13-1和11-2煤層樣品。采樣方法為，待鉆孔煤樣提至井口打開取煤裝置后，立即將煤樣裝至罐內(nèi)，最后展開對煤樣的含氣量現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)。

3.1 數(shù)據(jù)處理

以瓦斯解吸量的解吸量Voi作為縱坐標(biāo)，以解吸時間的平方根為橫坐標(biāo)，將現(xiàn)場解吸的解吸量點(diǎn)標(biāo)注在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙上[8]。將開始解吸一段時間內(nèi)并呈線性關(guān)系較好的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行連線，得出函數(shù)方程，求出瓦斯損失量。

基于13-1煤層瓦斯解吸量兩種方法對比圖顯示（見圖2），解吸時間與瓦斯解吸量Voi呈一次函數(shù)關(guān)系，瓦斯損失量即在縱軸上的截距，得出國標(biāo)法瓦斯損失量Vs1=73.07ml，同樣泥漿法瓦斯損失量Vs2=67.31ml。同樣基于11-2煤層瓦斯解吸量兩種方法對比圖（見圖3），得出國標(biāo)法瓦斯損失量Vs3=176.58ml，泥漿法中瓦斯損失量Vs4=157.82ml。

圖2 13-1煤層瓦斯解吸量兩種方法對比圖

圖3 11-2煤層瓦斯解吸量兩種方法對比圖

3.2 瓦斯損失量對比分析

以13-1煤層為代表，國標(biāo)法暴露點(diǎn)時間t1為31min，泥漿法暴露點(diǎn)總時間t2為27.53min，二者時間值差3.47min，則相對時間誤差為12.60%，國標(biāo)法和泥漿法瓦斯損失量分別為Vs1=73.07ml，Vs2=67.31ml，損失量相差5.76ml，相對損失量誤差為8.60%（如表1所示）。煤樣暴露時間越短，瓦斯損失量計算的結(jié)果越符合實(shí)際情況[9-10]，可見國標(biāo)法計算的瓦斯損失量與實(shí)際誤差較大（見圖4）。

表1 兩種方法瓦斯損失量對比表

以11-2煤層為代表，國標(biāo)法暴露點(diǎn)時間t3為43min，泥漿法暴露點(diǎn)總時間t4為38.32min，二者時間值差4.68min，則相對時間誤差為12.20%，國標(biāo)法和泥漿法瓦斯損失量分別為Vs3=176.58ml，Vs4=157.82ml，但損失量相差18.76ml，相對損失量誤差為3.00%（如表1所示），則國標(biāo)法計算的瓦斯損失量誤差更大（見圖4）。

圖4 13-1和11-2煤層解吸時間與損失量對比圖

由于瓦斯壓力和孔深的不同，國標(biāo)法和泥漿法所計算出的暴露時間不同，瓦斯損失量差值也不一樣。若煤層瓦斯壓力大且鉆孔淺時，國標(biāo)法計算的暴露時間較實(shí)際短，瓦斯損失量也比實(shí)際低；而當(dāng)瓦斯壓力小且鉆孔較深時，國標(biāo)法計算的暴露時間較實(shí)際長，瓦斯損失量也比實(shí)際高。由此可見，根據(jù)瓦斯壓力確定瓦斯解吸時間，對于確定瓦斯損失量有著重要的意義。

4 結(jié)論

（1）恰當(dāng)?shù)慕馕鼤r間是計算瓦斯損失量的一個重要因子。泥漿法和國標(biāo)法的煤層瓦斯損失量計算結(jié)果顯示，兩者主要由于暴露時間的不同，最終獲得計算結(jié)果不同。對比發(fā)現(xiàn)，基于泥漿法瓦斯損失量計算方法較符合實(shí)際情況。

（2）泥漿法有效地計算了瓦斯損失量，但是因不同的區(qū)域?qū)嶋H的地質(zhì)環(huán)境有所不同，加之本文僅對泥漿法和國標(biāo)法來計算瓦斯的損失量，所以有一定的局限性。因此需要運(yùn)用更多的方法來對比驗(yàn)證，才能得出更滿意的結(jié)果。