恒壓條件井下煤樣瓦斯解吸規律研究

孫 星 于寶種

(1.陽泉煤業(集團)有限責任公司五礦，山西 045000；2.中煤科工集團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行區域瓦斯治理的最重要的指標之一。準確測定井下煤層瓦斯含量依據標準《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T 23250—2009)執行。井下煤層瓦斯含量的測定方法為施工鉆孔將煤壁剝落的煤樣裝入煤樣罐中并進行現場解吸，通過現場解吸量推算瓦斯損失量，最后經地面脫氣(或者地面自然解吸并計算不可解吸量)獲得煤層瓦斯含量。在實際測定過程中標準給出了指導意見，但瓦斯損失量計算、取樣方法對測定煤層瓦斯含量的影響并不明確。本文針對這幾個問題做進一步探討。

2 瓦斯含量測定中損失瓦斯量的計算分析

表1 新景礦1號煤樣現場測定解吸數據記錄(暴露時間為2min)

續表

井下所采集煤樣的解吸過程為等壓解吸過程，利用不同的推算公式進行計算，可得到煤樣暴露時間內的瓦斯損失量。

煤粒從煤壁剝落后，瓦斯的涌出符合擴散規律，巴雷爾通過將定壓條件下天然沸石對氣體的吸附規律進行研究，獲得了瓦斯累計解吸量計算方法即巴雷爾式。煤屑瓦斯解吸時根據煤樣開始暴露一段時間內瓦斯解吸量與煤樣暴露時間成直線關系確定：

(1)

當煤樣暴露時間為2min時，煤樣裝罐后不同解吸時間與解吸量的關系如圖1所示。

圖1 不同的解吸時間對推算瓦斯損失量的影響

表2 利用法在不同解吸時間內的推算損失量影響因素

圖2 不同的暴露時間對推算瓦斯損失量的影響

表3 利用法在不同暴露時間內的推算損失量影響因素

2.2 冪函數法(烏斯季諾夫式)

qt=q0×(1+t)-n

(2)

式中：qt為t時間的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0為t=0時間的瓦斯解吸速度，cm3/min；t為瓦斯解吸時間， min；n為瓦斯解吸速度衰減系數，0

煤樣的瓦斯損失量計算公式為：

(3)

2.2.1 利用冪函數法推算損失量計算過程中煤樣解吸時間的影響因素分析

冪函數法推算瓦斯損失量為烏斯季諾夫在實測數據的統計分析基礎上得出，本文利用冪函數法對新景井下實測解吸數據進行擬合，得到不同的解吸時間的瓦斯初始解吸速率，進而求得在暴露時間2min內的瓦斯損失量(表4)。

圖3 不同的解吸時間對瓦斯損失量的推算影響

解吸時間損失量推算公式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間的延長逐漸變小，利用冪函數法擬合不同解吸時間的解吸速率，當總解吸時間較短時，通過擬合推算的初始時刻瓦斯解吸速度很小，但解吸速度衰減系數也小，根據此解吸時間計算的瓦斯損失也較其他為小。因此，當解吸時間最長為30min時推算的瓦斯損失量較其他總解吸時間為8min、12min、16min及25min時推算的損失量誤差為7%、6.6%、5.6%和2%。因此，總解吸時間為30min時，利用冪函數法推算的瓦斯損失量值可認為是損失量的準確值。

2.2.2 利用冪函數法推算損失量過程中煤樣暴露時間的影響因素分析

煤樣的暴露時間也是影響瓦斯損失量推算的重要因素，利用冪函數法對新景井下所取1號煤樣進行損失瓦斯量推算，當煤樣暴露時間計2min、3min、5min及10min時根據實測數據擬合的瓦斯解吸曲線(解吸時間為30min)如圖4所示。

圖4 不同的暴露時間對瓦斯損失量的推算影響

暴露時間損失量推算公式Q0n損失量/cm3現場解吸量/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—

利用冪函數擬合解吸量數據時，煤樣暴露的時間越長，所推算的瓦斯損失量越大，但這是可能是長時間的煤樣暴露時間所貢獻得結果，要比較暴露時間對損失量推算的影響，可分析在煤樣暴露時間與解吸時間的總時間(t+t0=32min)內的總瓦斯解吸量。當暴露時間為2min時煤樣的總解吸量最大，暴露時間達到10min時，計算的總瓦斯解吸量較2min時誤差達到14%，因此，針對新景1號煤樣利用冪函數法推算瓦斯損失量時應取暴露時間為2min(表5)。

通過不同的計算方法對新景1號煤樣瓦斯損失量的推算分析如表6所示。

表6 利用不同方法對瓦斯損失量的推算分析

3 不同取樣方式的瓦斯含量測定結果分析

目前測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取樣等三種方式，由于煤礦井下利用巖心管取樣所用時間較長，一般在30min以上，導致煤樣暴露的時間過長，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取樣裝置所取煤樣的測值。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定的瓦斯含量采用巖心管取樣，由于取樣時間太長，導致在煤樣提升時瓦斯解吸耗散，現場解吸煤樣時經常無法解吸出瓦斯，由此瓦斯含量測值偏小。而井下孔口接粉采樣時由于鉆桿在鉆進時對煤壁的繞動，致使煤樣的混樣現象嚴重，深部無法測得準確的瓦斯含量值。在采集煤樣過程中利用定點取樣裝置取樣可以很好的解決這些問題，定點取樣優勢如下：

(1)定點取樣，由定點取樣裝置負壓引射的原理可知，煤樣采集時從中空的鉆桿內流出，無其他地點的煤樣混樣，取樣地點精確，真正實現了煤樣的定點采集。

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

(3)提高了測定瓦斯含量的準確性，值得提出的是定點取樣測定的瓦斯含量值并非一定比孔口接粉取樣的測定值大，2-2號及3-1號煤樣測得的瓦斯含量就是孔口接粉測值為大，但是混樣的存在導致瓦斯含量測值不準確，利用深孔定點取樣裝置測得的瓦斯含量能更準確的反應煤層內不同深度的瓦斯賦存情況，更精準的進行防災減災工作。

4 結論

(2)利用冪函數法對新景1號煤樣進行瓦斯損失量的推算，獲得了針對1號煤樣的準確損失量推算值即當暴露時間為2min，解吸時間為30min時，推算的瓦斯損失量為93.54cm3；

(4)通過不同的取樣方法的分析可知采用深孔定點取樣方式采集煤樣測定瓦斯含量具有定點、快速及測值準確的優點，值得推廣。

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