煤層瓦斯含量井下一站式自動化精準測定方法

周福寶，康建宏，王有湃，張 冉

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國安全生產科學研究院，北京 100012)

隨著煤炭開采逐年進入深部，瓦斯賦存條件變得更加復雜，煤與瓦斯突出危險性顯著增加，煤層瓦斯含量是煤與瓦斯突出防治的基礎參數，其測定的準確性制約著突出危險性預測的可靠性。目前，煤層瓦斯含量測定方法可分為2類：直接法和間接法。GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》將直接法作為煤層瓦斯含量測定的標準方法。

多年來，學者們研發(fā)了各種煤層瓦斯含量直接測定方法和技術裝備。中煤科工集團重慶研究院有限公司研發(fā)了DGC型瓦斯含量測定裝置。王飛通過建立瓦斯參數與解吸曲線的數據庫，在煤礦井下測量時只需要獲取短時間的解吸數據即可與數據庫進行匹配，從而獲得其瓦斯參數，并依據該原理研發(fā)了煤層瓦斯參數快速測定儀。文光才等發(fā)明了一種自動化煤層可解吸瓦斯含量直接測定裝置，該裝置通過地面自動化瓦斯解吸系統(tǒng)和井下自動化瓦斯解吸系統(tǒng)2個子系統(tǒng)，分別測定地面和煤礦井下可解吸瓦斯含量。杜澤生等發(fā)明了一種便攜式智能瓦斯含量快速測定儀，該儀器根據煤樣在真空下的解吸規(guī)律獲得瓦斯含量測定結果。楊宏民等根據解吸速度法研制了井下便攜式煤層瓦斯含量快速測定儀，該測定儀利用瓦斯含量和瓦斯解吸速度特征參數之間的線性關系來計算煤層瓦斯含量。

盡管已開展了大量的研究，但現有的瓦斯含量測定方法和技術裝備依舊存在一些不足：需要井下、地面分階段測量，耗時長、效率低；從井下攜帶煤樣罐至地面破碎的過程中瓦斯易泄漏；損失瓦斯量的計算誤差可達20%以上；井下測定過程需要人工讀取和記錄瓦斯解吸數據，然后在地面重新輸入計算軟件，操作復雜；部分設備不符合GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》的原理要求。針對上述問題，筆者提出一種煤層瓦斯含量井下一站式自動化測定方法，并研制出CWH12煤層瓦斯含量測定儀，同時考慮煤孔隙結構的非均勻性，建立瓦斯分數階擴散模型來推算損失瓦斯量，實現了煤層瓦斯含量的快速準確測定。最后，在煤礦現場進行了應用試驗，驗證了新方法和技術裝備的可靠性。

1 井下一站式自動化測定方法的原理

直接法測定煤層瓦斯含量包含4個部分：損失瓦斯量()、井下直接解吸瓦斯量()、粉碎解吸瓦斯量()和常壓不可解吸瓦斯量()。在煤層中打鉆取樣后，采集煤樣裝入專用煤樣罐，保持煤樣在常壓條件下解吸，測定一段時間的瓦斯解吸數據，并據此推算打鉆時煤樣暴露過程中的損失瓦斯量，隨后將煤樣粉碎至一定粒徑以下，保證煤樣內瓦斯充分放散，各部分之和即為煤層瓦斯含量。

井下一站式自動化測定瓦斯含量的方法原理是通過在井下破碎煤樣、自動計量瓦斯解吸量、自動推算損失瓦斯量，實現全部流程在井下完成，從而達到快速測定煤層瓦斯含量的目的。測定方法完全符合GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》的規(guī)定。

1.1 模型和冪函數模型

(1)

式中，為解吸時間內的瓦斯累計解吸量，mL/g；為擬合系數，mL/(g·min)；為瓦斯解吸時間，min；為煤樣暴露時間，min。

冪函數模型是先將瓦斯解吸量數據轉化為解吸速率數據，然后按照式(2)計算待定系數：

=(1+)-

(2)

其中，為瓦斯解吸時間為時的瓦斯解吸速率，mL/(g·min)；為=0時刻的瓦斯解吸速率，mL/(g·min)；為瓦斯解吸速率衰減系數，0<<1。采用式(3)計算損失瓦斯量：

(3)

1.2 瓦斯分數階擴散模型

瓦斯主要以吸附態(tài)賦存于煤的孔隙內，而煤基質孔隙結構具有高度非均勻性，孔隙大小從幾埃到幾微米以上，且煤孔隙的比表面積大，對甲烷分子具有較強的吸附作用，導致氣體分子的微觀運動并不服從高斯分布。因此，在這種復雜多孔介質中，不能用簡單的Fick定律來描述擴散過程。筆者考慮孔隙結構的非均勻性，基于連續(xù)隨機游走原理，假設微觀粒子的概率密度函數在時間上服從泊松分布(Poissonian waiting time)，在空間上滿足萊維飛行(Levy flight)，然后引入描述分形特征的分數階微積分理論，建立如下非均質煤基質內瓦斯的分數階擴散模型：

(4)

其中，(,)為氣體擴散質量濃度，kg/m；為擴散系數，m+1/s；為徑向距離，m。算子?1-?1-和??為分數階黎曼-劉維爾時間和空間導數，其定義分別為

(5)

其中，和分別為分數階時間和空間參數，0<<2，0<<2；為一個正整數，≤<+1；Γ(·)為伽馬函數。顯然，當==1時，分數階擴散模型就退化為經典的均勻孔隙擴散模型。

瓦斯解吸分數可按照式(6)計算：

(6)

式中，為最大解吸量，mL/g；為煤粒的半徑，m；為煤粒內氣體擴散質量濃度，kg/m；為煤粒邊界處氣體擴散質量濃度，kg/m。

(7)

式中，為常數。

可以使用分數階擴散模型(4)的差分格式對瓦斯解吸曲線進行擬合，但由于該模型的非線性和模型參數較多的影響，數值模擬的擬合結果可能出現解不唯一和不穩(wěn)定的現象。為了避免這一問題，需要進行約束條件下的模型參數估計計算(限定0.5≤≤1.0,1≤≤2)，常用的參數估計算法有非線性共軛梯度法、貝葉斯方法、擬牛頓法等。此外，也可以利用近似公式(7)進行瓦斯解吸曲線擬合，此時模型簡化為時間的冪函數形式，雖然仍是非線性模型，但只有2個參數需要擬合，采用共軛梯度算法可快速給出最優(yōu)解。與直接采用微分方程的差分格式擬合相比，采用近似公式擬合損失量的計算量較小，但對不同瓦斯解吸規(guī)律的擬合效果和擬合精度可能會降低。

2 模型的實驗驗證

為了驗證損失瓦斯量補償模型的推算精度，構建了井下煤層瓦斯含量測定的誤差分析系統(tǒng)及方法。首先按照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》精確計算出煤樣罐中煤的吸附瓦斯量和自由空間的游離瓦斯量，然后測試煤樣在常壓狀態(tài)下不同時刻瓦斯的累計解吸量。累計解吸量減去游離瓦斯量，即得到煤中吸附瓦斯的解吸量。然后，在不打開煤樣罐的情況下直接破碎煤樣至GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》規(guī)定的粒徑，測量粉碎解吸量，再按照間接法計算出不可解吸量。最后，計算出模擬的瓦斯含量測定值。

2.1 實驗系統(tǒng)

如圖1所示，井下煤層瓦斯含量測定誤差分析系統(tǒng)包含吸附單元、破碎單元、數據處理單元和瓦斯解吸自動化計量單元。其中，吸附單元由氦氣/甲烷氣源、真空泵、參比罐、壓力傳感器、恒溫箱等構成；破碎單元包括吸附/解吸/破碎一體化煤樣罐，以及安設在底部的氣動破碎機；瓦斯解吸自動化計量單元可以自動計量、存儲、顯示瓦斯解吸量，采樣頻率為0.5 Hz，且自動將測得的瓦斯解吸量校準到標況狀態(tài)。

圖1 井下煤層瓦斯含量測定誤差分析系統(tǒng)

2.2 實驗步驟

(1)井下采集西山煤電集團東曲礦8號煤層的貧煤，粉碎后篩分選取粒徑在1～3 mm的煤樣，置于真空干燥箱中60 ℃抽真空干燥24 h。將干燥后的煤樣稱重并裝入一體化吸附/解吸/破碎罐，設置可調溫式恒溫箱溫度，使參比罐和一體化吸附/解吸/破碎罐的溫度穩(wěn)定，保持實驗溫度為25 ℃。

(2)按照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》，測量出一體化吸附/解吸/破碎煤樣罐內的自由空間體積。首先充入5 MPa的氦氣檢查實驗系統(tǒng)的氣密性，隨后充入0.5～3.0 MPa甲烷，吸附平衡后，分別計算出煤樣的吸附瓦斯量和游離瓦斯量。這里的游離瓦斯量指自由空間體積內的游離瓦斯量，可利用氣體狀態(tài)方程計算，而煤樣孔隙內的游離瓦斯量計入煤樣的吸附瓦斯量，可用充入系統(tǒng)的總瓦斯量扣除游離瓦斯量，即得到吸附瓦斯量。

(3)吸附平衡后，迅速將閥門IV打開，煤樣罐中煤吸附的瓦斯開始解吸，與此同時，與煤樣罐連接的瓦斯解吸儀立即自動計量累積解吸瓦斯量，1.5 h后關閉閥門IV，結束解吸。將不同時刻累積解吸瓦斯量扣除自由空間內的游離瓦斯量，得到不同時刻煤樣瓦斯的直接解吸瓦斯量，即獲得了解吸瓦斯量隨時間變化的解吸規(guī)律曲線。

(4)啟動一體化吸附/解吸/破碎罐的氣動破碎馬達，粉碎煤樣，使用氣體解吸儀測量粉碎解吸瓦斯量(即殘余瓦斯解吸量)，再計算粉碎后煤樣的常壓不可解吸瓦斯量。常壓不可解吸量采用GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》中的相關公式，按間接法計算大氣壓下煤樣的含氣量。

(6)誤差計算。實驗測定的瓦斯含量按照式(8)計算，鉆孔損失瓦斯量的推算誤差以及煤層瓦斯含量測定誤差按照式(9)，(10)計算。

=′+++

(8)

(9)

(10)

2.3 結果分析

圖2 在0.38 MPa吸附平衡壓力下不同模型對損失瓦斯量的推算結果

圖3 在2.13 MPa吸附平衡壓力下不同模型對損失瓦斯量的推算結果

由上述分析不難發(fā)現，選取損失瓦斯量補償模型時，不能以模型對井下解吸數據的擬合度來判斷模型的優(yōu)劣，而應以是否能夠準確描述完整的煤粒瓦斯解吸動力學過程來衡量，特別是對煤樣暴露初期瓦斯解吸速率快、逸散量大等特征信息的捕捉能力。瓦斯分數階反常擴散模型考慮了煤孔隙結構的非均勻性，能夠準確描述瓦斯解吸的全時間過程，因此可以作為損失瓦斯量的高精度補償模型。

3 井下一站式自動化測定技術裝備

3.1 井下一站式自動化測定的關鍵技術

煤層瓦斯含量井下一站式自動化測定技術主要包括井下煤樣密封破碎系統(tǒng)、瓦斯解吸自動化計量系統(tǒng)和數據自動采集處理系統(tǒng)。

(1)井下煤樣密封破碎系統(tǒng)。井下煤樣破碎系統(tǒng)是采用旋轉動密封技術和高速機械破煤方法，在井下現場破碎煤樣，進而測定殘余瓦斯量。煤樣破碎系統(tǒng)以井下壓風作為動力源，使用高速旋轉刀片對煤樣進行破碎，在破碎罐與馬達之間設置機械旋轉密封件。傳統(tǒng)方法需要分別使用瓦斯解吸罐和煤樣破碎裝置，井下煤樣密封破碎系統(tǒng)將2者融為一體，該系統(tǒng)既是瓦斯解吸罐也是破碎裝置，實現了測定過程中煤樣不遷移、罐體不打開，保證了測量準確性。

(2)瓦斯解吸自動化計量系統(tǒng)。瓦斯解吸自動化計量系統(tǒng)是利用微流量氣體質量傳感器，高頻讀取瓦斯解吸時的瞬時流量并轉換為累計解吸量，然后將瓦斯解吸數據和解吸時間同步傳輸至工控主板，實現瓦斯解吸量的自動測量與記錄。同時，采集井下溫度和大氣壓力參數，瓦斯解吸體積自動換算為標準狀態(tài)條件下的數值。自動化計量系統(tǒng)采用本安型電池供電，保證井下測定過程的安全性。

(3)數據自動采集處理系統(tǒng)。數據自動采集處理系統(tǒng)是控制井下瓦斯含量測定過程的核心軟件?？梢宰詣硬杉c存儲解吸瓦斯量和解吸時間數據，根據內置的補償模型自動推算損失瓦斯量，并自動生成測定報表。計算軟件在得到測定結果后，通過人機交互界面實時顯示，供測試人員現場決策，也可通過無線發(fā)射器傳送至井下基站，再由井下基站通過高速通信網絡傳送到地面中央控制室。此外，瓦斯含量自動化分析計算軟件還能夠根據不同礦井的煤層瓦斯賦存特點，調節(jié)井下瓦斯解吸和粉碎時長、數據采集頻率。

根據煤層瓦斯含量井下一站式自動化測定方法，筆者設計出一種瓦斯含量快速測定裝備，如圖4所示。綜合考慮測定精度、安全和便攜等要求，該裝備的主要技術指標見表2。

表2 井下一站式自動化測定技術指標

圖4 煤層瓦斯含量井下一站式快速測定系統(tǒng)設計

3.2 CWH12型煤層瓦斯含量測定儀

基于煤層瓦斯含量井下一站式快速測定技術，研制了CWH12型煤層瓦斯含量測定儀(圖5)，主要由不銹鋼殼體、觸摸顯示屏、工控主板、本安型電池、氣體流量傳感器、煤樣破碎罐、氣動馬達、調壓過濾器和支架組成。設備由12 V本安型直流電池供電，能夠連續(xù)工作20 h，流量精度為0.01 mL/min，測定儀總質量約9.8 kg。測定儀的人機交互界面具有取樣時間、瓦斯解吸量和瓦斯解吸放散衰減速率實時動態(tài)顯示，以及煤樣質量輸入、井下壓力和溫度輸入、測量結果一鍵導出等功能，簡單便攜，可快速準確測定煤層瓦斯含量。

圖5 CWH12型煤層瓦斯含量測定儀實物

測定儀的基本操作流程如下：① 測定前瓦斯解吸量自動化測定裝置進氣口與煤樣破碎罐出氣口通過防爆氣管連接，氣動馬達進氣口與井下壓風管相連；② 打鉆取樣時，通過人機交互界面記錄取樣時間，系統(tǒng)即自動計算煤樣暴露時長；③ 將煤樣裝入破碎罐后，先測量30 min瓦斯解吸量，隨后打開井下壓風管閥門，井下風壓驅動氣動馬達帶動刀片破碎煤樣，破碎后持續(xù)解吸測定30～60 min。為了避免因高速旋轉破碎而產生熱量積聚，一般采用間歇性的破碎方式，即每次粉碎1 min，關閉壓風管閥門，待瓦斯自然解吸5 min，然后再次打開壓風管閥門，繼續(xù)粉碎1 min，如此往復進行3～4個循環(huán)，不再進行破碎；④ 取出煤樣稱重，并通過界面輸入，軟件自動計算出煤層瓦斯含量，并實時生成測定報表，測定人員選擇導出數據或繼續(xù)測量。

4 現場應用

淮南礦業(yè)集團朱集東礦和潘三礦(以下分別簡稱ZJD，PS)位于安徽省淮南市，屬于煤與瓦斯突出礦井。ZJD設計生產能力為400 Mt/a，平均煤厚1.2 m，平均瓦斯含量5.15 m/t。PS設計生產能力為400 Mt/a，平均煤厚1.72 m，平均瓦斯含量6.7 m/t。在ZJD井下1321(1)軌道巷11-2煤層，PS井下1682(1)軌道巷11-2煤層，同時使用煤礦原有瓦斯含量測定裝置和CWH12型煤層瓦斯含量測定儀測試同一鉆孔、同一深度煤樣的瓦斯含量(圖6)，鉆孔取樣參數見表3。

圖6 CWH12型煤層瓦斯含量測定儀在潘三礦井下應用

表3 鉆孔取樣參數信息

現場進行了8次井下測試，每次取樣時間不超過5 min，井下自然解吸時間30 min，粉碎解吸30 min，測定總時間均在1.5 h以內，測定結果見表4和圖7。可以看出，在同一鉆孔、同一深度取樣條件下，CWH12型煤層瓦斯含量測定儀的測定結果比傳統(tǒng)瓦斯含量測定裝置的結果稍大一些，測定的瓦斯含量平均提高了13.5%。原因主要有3點：① CWH12型煤層瓦斯含量測定儀在計算損失瓦斯量時，采用了分數階擴散模型，能夠更接近真實的損失瓦斯量。② CWH12型煤層瓦斯含量測定儀直接在井下粉碎煤樣并測定粉碎解吸量，整個測定期間不打開煤樣罐，省去了將煤樣罐運送至地面，然后在實驗室破碎解吸的流程，減少了損失瓦斯量。③ CWH12型煤層瓦斯含量測定儀采用微流量瓦斯氣體傳感器自動計量解吸瓦斯量，精度達到0.01 mL/min，避免了人工讀數產生的操作誤差?，F場應用結果驗證了CWH12型煤層瓦斯含量測定儀的準確性與可靠性。

表4 現場測定數據

圖7 現場瓦斯含量測定結果對比

5 結 論

(2)基于分數階模型，提出了煤層瓦斯含量井下一站式自動化精準測定方法及其關鍵技術，包括井下煤樣密封破碎系統(tǒng)、瓦斯解吸自動化計量系統(tǒng)和數據自動采集處理系統(tǒng)，闡述了各系統(tǒng)的主要功能和關鍵指標，為新裝備的研發(fā)奠定了技術基礎。

(3)與傳統(tǒng)煤層瓦斯含量測定裝置相比，研發(fā)的CWH12型煤層瓦斯含量測定儀在井下直接粉碎解吸煤樣，采用高精度氣體質量流量傳感器，并且自動處理數據和生成報表，其測定值平均提高了13.5%以上，測定時間縮短至1.5 h以內，實現了煤層瓦斯含量井下一站式自動化快速測定。