基于鉆屑瓦斯解吸規律的瓦斯含量快速測定方法

張　帥　崔永國　任　威　高　強　劉　寧

(山西高河能源有限公司)

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基于鉆屑瓦斯解吸規律的瓦斯含量快速測定方法

張帥崔永國任威高強劉寧

(山西高河能源有限公司)

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

鉆屑瓦斯解吸規律瓦斯含量快速測定

分析煤瓦斯解吸規律是進行煤層瓦斯含量測定的基礎。現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，根據瓦斯解吸規律計算取樣過程中的瓦斯損失量，在此基礎上與實驗室測定的煤層內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，現場應用較繁瑣。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律的瓦斯含量快速測定方法。

1　試驗裝置及方法

試驗系統見圖1，該系統主要功能包括：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　試驗裝置結構

2　試驗分析

2.1試驗結果

進行瓦斯含量測定時，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，并根據參考罐在充氣前后氣體參數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，突然打開上側閥門，瓦斯將向集氣罐中解吸釋放，罐內的氣體壓力也將相應升高。使用傳感器連續采集罐內的氣體壓力值，并將測得的數據進行記錄，據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，可認為煤樣罐中的氣體是向大氣環境中釋放，其解吸規律并不受影響。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，煤體內吸附的瓦斯量逐漸減小，內部瓦斯向外解吸擴散的動力降低；②由煤的孔隙結構的復雜性決定的，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(即擴散系數)較大，而到了后期，決定瓦斯釋放快慢的主要為煤體內大量的小孔和微孔，瓦斯在該類孔中的擴散系數將縮小1～2個數量級。

2.2試驗數據處理與分析

根據相關研究成果，煤樣暴露初期的解吸瓦斯量與時間的平方根成線性關系，根據對本研究試驗數據的處理分析，驗證了上述解吸量與時間的線性關系，但隨著煤樣暴露時間的延長，直線的斜率會出現微小的下降，并且隨著煤層瓦斯壓力的增大，斜率越來越大。考慮到煤礦井下瓦斯含量測定的具體情況，目前井下應用較多的解吸法包括井下瓦斯含量直接測定時進行的30min解吸和進行解吸指標Kt值測定時進行的5min解吸，其共同點是在進行解吸測定之前，煤樣會暴露一段時間，尤其是30min解吸時，暴露時間相對更長，并且無統一要求，若鉆孔施工較長，那么暴露時間將遠大于規范要求，從而導致瓦斯測定結果出現較大偏差。因此，在快速測定瓦斯含量時，須在煤礦現有的技術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Kt來反映解吸過程，并探尋其與煤層瓦斯含量之間的關系。根據試驗測得的煤樣各關聯參數(包括工業性分析、吸附常數以及密度等參數)，并結合各試驗煤樣的氣體壓力，對各試驗煤樣的瓦斯含量進行了計算，并通過數據處理得到了不同煤樣暴露時間(t)下的Kt值，結果見表1。

圖2　不同氣體壓力下實驗室模擬解吸測試結果

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Kt逐漸變小，并且隨著氣體壓力的增大，解吸特征系數Kt逐漸增大，說明解吸特征系數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Kt為橫坐標，以瓦斯含量為縱坐標，繪制了解吸特征系數Kt與煤層瓦斯含量的關系曲線，見圖3。

圖3　不同暴露時間下瓦斯含量與解吸特征系數的關系

由圖3可知：煤層瓦斯含量與解吸特征系數Kt之間成線性關系，并且具有較好的相關性，其相關系數隨著煤樣暴露時間的延長出現微小的下降，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的常數。

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Kt的關系表達式的精度進行分析，對不同暴露時間下具體參數R2進行對比，結果見表2。

由表2可知：對于R2來言，使用解吸特征系數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0.991 46。另外，從實驗室測定結果來看，隨著暴露時間的延長，使用解吸特征系數Kt描述煤樣瓦斯壓力和瓦斯含量的相關系數雖然有一定的下降，但在5min以內，相關系數的下降幅度較小，不足以影響瓦斯測定結果的準確性。

表2　各表達式精確度對比

3　方法可靠性驗證

3.1實驗室驗證

以實驗室測定數據為基礎，分別利用新方法對煤樣的瓦斯含量進行了回歸計算，結果見表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后的數據進行了計算，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果

3.2現場驗證

對高河煤礦3#煤層的瓦斯含量進行了現場測試，測試地點為高河煤礦北翼進風大巷，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，該方法在現場應用中可較準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　現場驗證結果

4　結　論

(1)煤層瓦斯壓力及瓦斯含量與煤的解吸特征系數Kt成線性關系，且該函數關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，實驗室和現場驗證結果表明，該方法可較準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.煤屑瓦斯全程擴散規律的實驗研究[J].煤炭學報，2011，36(10)：1699-1703．

[2]齊黎明，陳學習，程五一，等.新型煤層瓦斯含量準確測定方法研究[J].采礦與安全工程學報，2010，27(3)：111-115．

2016-06-12)

張帥(1984—)，男，工程師，046000 山西省長治市。