新大地煤礦瓦斯含量定點取樣對比試驗研究

馬正恒

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

★ 煤礦安全 ★

新大地煤礦瓦斯含量定點取樣對比試驗研究

馬正恒1，2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

為提高瓦斯含量測試準(zhǔn)確性和可靠性，新大地煤礦引進深孔定點取樣裝置，在15403工作面回風(fēng)巷向原始煤體中施工4個取樣鉆孔進行定點取樣對比試驗。試驗表明，深孔定點取樣的瓦斯含量測定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性更高，取樣時間符合規(guī)定要求，并且整個井下取樣過程耗時更短，較之礦井日常采用的孔口接粉及巖芯管取樣具有明顯優(yōu)勢。

瓦斯含量 深孔定點取樣 巖芯管取樣 取樣時間 損失量修正模型

隨著礦井開采深度的增加，采掘過程中瓦斯動力現(xiàn)象持續(xù)增加，瓦斯災(zāi)害已成為制約礦井高產(chǎn)高效的主要因素。為了在瓦斯防治中避免盲目性治理，需要準(zhǔn)確把握煤層中瓦斯賦存的基本情況。煤層瓦斯含量是煤層瓦斯基本參數(shù)之一，是礦井煤層氣資源評價、瓦斯涌出量預(yù)測、瓦斯抽采設(shè)計、突出危險性區(qū)域預(yù)測、區(qū)域防突措施效果檢驗及瓦斯地質(zhì)圖編制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是礦井日常瓦斯預(yù)測及防治最主要、最常用參數(shù)。快速準(zhǔn)確地測定煤層瓦斯含量對重大瓦斯災(zāi)害預(yù)測及防治、保障煤礦安全生產(chǎn)具有極其重要的意義。

新大地煤礦主采15#煤層，近年來瓦斯問題成為制約其生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，瓦斯含量為礦井日常預(yù)測預(yù)報及校檢的主要指標(biāo)。國家標(biāo)準(zhǔn)《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T23250-2009)要求定點采集煤樣，并且取樣過程不超過5 min。新大地煤礦日常采用孔口接粉及巖芯管取芯的方式取樣測試瓦斯含量。孔口接粉取樣無法對取樣位置做出準(zhǔn)確標(biāo)定，并且受孔壁殘粉影響大；巖芯管取樣可以做到定點取樣，但取樣時間長。

2015年6月，重慶煤科院、陽煤晉東公司、新大地煤礦技術(shù)人員在15403回風(fēng)巷道分別采用深孔定點取樣裝置與礦用巖芯管進行對比取樣試驗，取得了良好的效果。

1 試驗區(qū)域概況

15403回風(fēng)巷位于礦井東北部四采區(qū)，東南部為東翼膠帶巷，東北部為15402進風(fēng)巷(未掘)，西南部為15403內(nèi)錯尾巷。回風(fēng)巷道設(shè)計長度為1271 m，凈寬為5 m，凈高為3 m，凈斷面積為15 m2，煤層平均厚度5.31 m。15403回風(fēng)巷于2013年7月沿15#煤層底板掘進施工，至680 m處時，由于巷道的軟分層位于煤層頂板下方2 m處，如繼續(xù)沿15#煤層底板掘進，不利于瓦斯抽放，頂板管理難度增大，因此，改為沿15#煤層頂板掘進，在頂板上方留設(shè)1.2 m托頂煤。截至試驗開始前，15403回風(fēng)巷已基本施工完畢。

2 測試方法及裝備

2.1 煤層瓦斯含量組成

煤層瓦斯含量由4部分組成，即：

W=W1+W2+W3+Wc

式中：W——煤層瓦斯含量；

W1——指定取樣點處煤樣從脫離煤體到放入煤樣罐期間所釋放的瓦斯量，是取樣過程中損失的瓦斯量，根據(jù)煤樣在井下解吸情況，通過煤樣瓦斯解吸規(guī)律來推斷其值；

W2——煤樣進入煤樣罐后至粉碎前所釋放的瓦斯總量，包含井下現(xiàn)場解吸量及煤樣粉碎前實驗室解吸瓦斯量兩部分；

W3——煤樣在粉碎機中粉碎到95%的煤樣粒度小于0.25 mm的過程中所釋放的瓦斯量；

Wc——常壓不可解吸瓦斯量，即殘存量(常壓狀態(tài)下，粉碎解吸后仍殘存在煤樣中不可解吸的瓦斯量，是與煤層特性有關(guān)的固定值)。

2.2 深孔定點取樣裝置

深孔定點取樣裝置由雙壁鉆桿、雙通道水尾、噴射取樣鉆頭組成。雙壁鉆桿內(nèi)設(shè)計了2個通道，即內(nèi)管與環(huán)形空間；噴射取樣鉆頭融合了環(huán)形噴射技術(shù)和正循環(huán)鉆進技術(shù)，在氣體流道優(yōu)化的基礎(chǔ)上將噴射器內(nèi)置于鉆頭內(nèi)部。正常鉆進時雙壁鉆桿內(nèi)管與環(huán)形空間同時進風(fēng)排渣；取樣時采用反循環(huán)鉆進原理，即壓風(fēng)由雙壁鉆桿環(huán)形空間進入，把旋風(fēng)噴射取樣鉆頭切削的煤樣沿雙壁鉆桿內(nèi)管正壓吹出，實現(xiàn)快速取樣。取樣裝置如圖1所示。

圖1 深孔定點取樣裝置

3 瓦斯含量測試關(guān)鍵影響因素分析

瓦斯含量測試過程中導(dǎo)致測試數(shù)值與實際值出現(xiàn)較大偏差一般為W1值。W1值的影響因素主要有兩個方面：一是暴露時間(即煤樣從脫離煤體開始到放入煤樣罐的時間)與煤樣粒徑的關(guān)系；二是解吸特征與煤樣粒徑的關(guān)系。取樣時間越短，根據(jù)煤層瓦斯解吸曲線所推斷出的W1值越準(zhǔn)確；在同等粒徑下，不同解吸特性的煤樣的解吸規(guī)律不盡相同。

因此，盡可能縮短取樣時間，建立適合特定煤層的損失量(W1值)修正模型，可提高瓦斯含量測定準(zhǔn)確度。

4 兩種取樣方式測試過程及相關(guān)參數(shù)對比分析

4.1 兩種取樣方式過程及相關(guān)參數(shù)

在15403回風(fēng)巷道左側(cè)原始煤體中施工4個取樣鉆孔，2#鉆孔未達取樣深度遇矸，1#、3#、4#鉆孔取樣成功，其中在1#鉆孔30 m處、4#鉆孔30 m、45 m處采用深孔定點取樣裝置取樣，3#鉆孔30 m、45 m處采用巖芯管取樣。1#鉆孔深45 m，距回風(fēng)巷掘進頭133 m；3#鉆孔深45 m，距回風(fēng)巷掘進頭80 m；4#鉆孔深45 m，距回風(fēng)巷掘進頭87 m。測試鉆孔布置示意圖如圖2所示，鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1，測試結(jié)果見表2。

圖2 測試鉆孔布置示意圖

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)表

表2 測試結(jié)果對比表

4.2 測試結(jié)果分析

4.2.1 W1值測試過程

根據(jù)煤樣井下瓦斯解吸量及解吸時間，依據(jù)解吸規(guī)律進行W1值計算。此過程在DGC內(nèi)置軟件內(nèi)直接完成測試輸出。

深孔定點取樣裝置取樣與巖芯管取樣在W1測試方面有較大偏差。深孔定點取樣裝置所取的100011、5000、5001號煤樣取樣時間分別為3 min、2 min、1 min，滿足《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T23250-2009)中關(guān)于“煤樣從暴露到被裝入煤樣罐密封的時間不應(yīng)超過5 min”的要求，根據(jù)損失量修正模型推算的值更加可靠。

巖芯管所取5004、5005號煤樣取樣時間分別為23 min、39 min。取樣時間過長，導(dǎo)致樣品失真，根據(jù)解吸規(guī)律推斷的W1值存在明顯誤差。

4.2.2 W2值測試過程

(1)深孔定點取樣裝置具體施工流程為：鉆進至取樣位置，卸下打鉆尾辮換上取樣尾辮，接壓風(fēng)，待孔口返風(fēng)后鉆進取樣；取樣結(jié)束后卸下取樣尾辮換上打鉆尾辮，接壓風(fēng)正常鉆進。

取樣結(jié)束后，將取樣罐通過膠管與DGC井下解吸裝置連接，打開煤樣罐閥門，井下進行煤樣瓦斯解吸量及解吸時間記錄，記錄時間為30 min，每分鐘讀取液面刻度一次，直至30 min結(jié)束。井下解吸結(jié)束后解吸儀讀數(shù)終值與初始刻度讀數(shù)之差即為井下瓦斯解吸量。

解吸完畢后關(guān)閉煤樣罐閥門，帶入實驗室進行地面解吸。

井下解吸釋放的瓦斯量與地面常壓解吸釋放的瓦斯量相加即為W2。

(2)巖芯管取樣具體施工流程為：首先鉆孔施工到取樣點，退桿后加上取芯管，再次推進到取樣位置取樣，退桿將煤樣取至煤樣罐中。取樣結(jié)束后操作與深孔定點取樣相同。

深孔定點取樣裝置實際取樣過程中均在3 min以內(nèi)，巖芯管取樣單個取樣時間從30～40 min不等，遠超規(guī)定要求時間，導(dǎo)致煤樣瓦斯長時間釋放，井下瓦斯解吸量偏小。

對比3#鉆孔和4#鉆孔取樣過程，同等條件下30 m、45 m處取樣，深孔定點取樣裝置整個井下取樣過程耗時150 min，巖芯管取樣耗時274 min。

從對深孔定點取樣裝置取得的3組煤樣測定結(jié)果分析，100011、5000號煤樣取樣點在正常煤層中，所測得的結(jié)果比較符合礦井實際情況；而5001號煤樣在取樣時間為1 min的情況下，井下解吸量為2380 ml，而其他測試樣品最大解吸量為1690 ml，煤樣從脫離煤體到進入煤樣罐的過程中所釋放的瓦斯量(即損失量)比較大，從而推斷5001號取樣點可能出現(xiàn)在15#煤層的軟分層中，導(dǎo)致?lián)p失量無法準(zhǔn)確標(biāo)定，在未建立相應(yīng)的損失量補償模型和推算方法的情況下，導(dǎo)致測定結(jié)果與15#煤層真實瓦斯含量存在一定程度上的偏差。

4.2.3 W3值測試過程

稱取煤樣總重后，稱取兩次100 g的煤樣進行常壓下粉碎解吸，常壓粉碎解吸所釋放的瓦斯量即為W3。

深孔定點取樣與巖芯管取樣在此一過程基本無差別。

4.2.4 Wc測試過程

Wc值為殘存瓦斯量，通過礦井煤層特征參數(shù)計算所得，兩種取樣方式無明顯差別。

5 結(jié)論與存在的問題

(1)從本次試驗取樣過程及測試結(jié)果來看，深孔定點取樣裝置測得的結(jié)果比較符合礦井真實情況，所得數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)客觀有效。新大地煤礦日常采用的孔口接粉及巖芯管取樣存在明顯不足。

(2)深孔定點取樣裝置取樣時間均小于5 min，符合規(guī)定要求，并且能做到不用退桿在同一鉆孔不同位置多次取樣，整個井下取樣過程耗時相對較少。

(3) 針對15#煤層存在軟分層的現(xiàn)象，應(yīng)有針對性的建立損失量補償模型和推算方法，最大限度地提高瓦斯含量測定的準(zhǔn)確度。

(4)深孔定點取樣裝置在取樣深度加大及穿層孔、鉆孔施工過程中遇構(gòu)造等條件下取樣鉆桿適應(yīng)性有待考察。

(5)新大地煤礦下一步應(yīng)研究瓦斯含量直接測定技術(shù)的操作規(guī)范，編制礦區(qū)瓦斯含量直接測定作業(yè)指導(dǎo)書和操作標(biāo)準(zhǔn)。對取樣測試人員進行培訓(xùn)，以便使其熟悉瓦斯含量測定原理，熟練掌握井下取樣、地面測試流程及注意事項，提高取樣效率及準(zhǔn)確性。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社,2009

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中國人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB50471-2008煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社,2009

[3] 劉志偉,何俊材,馮康武.瓦斯含量直接測定法在大方煤田的研究[J]. 中國煤炭,2011(1)

[4] 皺銀輝,張慶華.我國煤礦井下瓦斯含量直接測定方法的技術(shù)進展[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009(8)

[5] 胡千庭,鄒銀輝等.瓦斯含量法預(yù)測突出危險新技術(shù)[J].煤炭學(xué)報,2007(3)

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[9] 李建功,呂貴春,隆清明等. 深孔定點快速取樣技術(shù)在瓦斯含量測定中的應(yīng)用效果考察[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2014(11)

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Gascontentfixed-pointsamplingexperimentresearchatXindadiMine

Ma Zhengheng1，2

(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Shapingba, Chongqing 400037, China;2. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China)

To improve the test accuracy and reliability of gas content, Xindadi Mine introduced deep hole fixed-point sampling device and drilled 4 sampling boreholes to the raw coal to undertake fixed-point sampling comparison test. The results showed that comparing with orifice powder and rock core tube sampling, deep hole fixed-point sampling had higher accuracy and reliability, its sampling time met the requirements of the regulations, and the entire underground sampling process took shorter time, which means it had obvious advantages.

gas content, deep hole fixed-point sampling, rock core tube sampling, sampling time, loss correction model

國家油氣重大專項資助項目(2016ZX05043005-001)，國家自然科學(xué)基金資助項目(51304237)

馬正恒. 新大地煤礦瓦斯含量定點取樣對比試驗研究[J].中國煤炭，2017,43(8)：144-147. Ma Zhengheng . Gas content fixed-point sampling experiment research at Xindadi Mine[J]. China Coal, 2017，43(8):144-147.

TD712

A

馬正恒(1984-)，男，陜西咸陽人，助理研究員，碩士，主要從事瓦斯災(zāi)害防治、瓦斯地質(zhì)方面的研究工作。