煤層瓦斯含量測定流程及影響因素分析

仵勝利，解永青

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

煤層瓦斯含量是指煤層內單位重量或單位體積的煤在自然條件下所含的瓦斯量[1-3]。要有效地治理煤礦瓦斯，首先必須準確測量煤層瓦斯含量，推算出煤層瓦斯涌出量大小，才能為礦井瓦斯預測提供可靠的基礎數據[4-6]。因此，煤礦通過開展煤層瓦斯基礎參數測定，了解井下各開采煤層的瓦斯參數分布規律，對于煤礦合理制定瓦斯防治措施具有重要意義。

1 測定裝置簡介

1.1 DGC型瓦斯含量直接測定裝置

DGC型瓦斯含量直接測定裝置是實驗室結合井下使用的成套測定設備。由井下測定裝置和地面測定裝置組成，分為井下取芯與井下解析系統、地面瓦斯解析系統、稱重系統、煤樣粉碎解析系統、水分測定系統和數據處理系統。

1.2 工作原理

煤層瓦斯含量分為：瓦斯損失量W1、常壓瓦斯解析量W2、粉碎瓦斯解析量W3和殘存瓦斯量WC[7-11]。試驗工作原理是向煤層施工取芯鉆孔，用井下取芯系統將煤芯從煤層深部取出，及時封入煤樣筒中；在井下進行煤樣瓦斯解吸速度測定以及損失時間的記錄，依據解吸規律進行瓦斯損失量W1的計算；把裝有煤樣的煤樣筒帶到實驗室進行常壓解吸，測量從煤樣筒中釋放出的瓦斯量W21與井下測量的瓦斯解吸量W22，計算煤芯瓦斯解吸量W2；稱量煤樣總重后稱取二次煤樣進行常壓粉碎解吸，并以此計算粉碎瓦斯解吸量W3；可解吸瓦斯含量Wa為：Wa=W1+W2+W3，采用朗格繆爾公式計算殘存瓦斯量W，可得出煤層瓦斯含量W=Wa+WC。

2 瓦斯含量測定流程

2.1 井下解吸試驗

試驗器材準備：入井前準備好煤樣罐、解吸儀、空盒氣壓計、秒表等試驗儀器，并對煤樣罐、解吸儀進行氣密性測定，保證氣密性良好。

解吸具體實施步驟：到達采樣地點，首先在瓦斯解吸儀內充入冷水，放置在采樣地點附近靜置，保證水溫與井下環境溫度相近。取樣鉆孔全程采用風力排渣進行施工，當鉆孔施工到40～45 m時，記錄停鉆時間，開始取樣并記錄取樣開始時間，煤樣裝滿后記錄取樣結束時間并擰緊閥門和煤樣罐罐蓋，放置在清水池中檢查煤樣罐氣密性，經檢查氣密性良好后，開始進行井下解吸試驗并記錄開始解吸時間。

解吸時數據記錄：開始進行解吸試驗時，記錄井下溫度、氣壓以及解吸儀初始刻度值，然后每分鐘記錄一次解吸儀刻度值，并記錄在解析試驗記錄表中(見表1)，直至30 min后結束。

解吸后檢查：解吸完畢后，立即關閉閥門，將煤樣罐放置在清水中進行檢測，如果發現漏氣，則該煤樣作廢，重新進行取樣，如果煤樣罐氣密性良好，則將試驗記錄和煤樣罐一同帶到實驗室進行地面解吸及粉碎解吸試驗。

2.2 地面解吸試驗

檢查量管氣密性：試驗開始前，在DGC瓦斯含量測定儀量管內充入甲基橙鹽溶液，檢查量管氣密性。如果在1 min內，量管液面下降則氣密性較差，需要檢查氣密性情況；如果液面無變化，將甲基橙鹽溶液液面與量管0刻度線調平，并將煤樣罐與量管上的膠管相連接，打開煤樣罐閥門進行地面解吸試驗，直至5 min內無氣泡冒出，則地面解吸試驗結束，記錄量管的刻度值和實驗室溫度以及大氣壓力。

表1 解析試驗記錄表

煤樣總量稱重：打開煤樣罐，將全部煤樣倒入稱重盆內利用電子天平進行煤樣總量稱重，并記錄在試驗記錄上。

2.3 粉碎解吸試驗

篩分煤樣：將稱量過總重的煤樣進行篩分，稱量2份粗大的顆粒放在稱重盆內做粉碎解吸試驗，2份煤樣均為100～200 g之間，2份煤樣的重量必須相同。將篩分出來的細小顆粒預留20 g左右，準備做煤質分析試驗。

煤質分析試驗：打開粉碎研磨機上蓋，擰開粉碎料缽頂蓋，倒入第一份煤樣，擰緊頂蓋螺絲，用粉碎研磨機上的膠管連接解吸儀量管，蓋上粉碎研磨機上蓋，利用定時開關給粉碎研磨機定時5 min，打開粉碎機電源開關進行研磨，直至1 min的粉碎解吸量小于10 mL時停止粉碎，記錄第一份煤樣粉碎解吸的瓦斯量，打開粉碎料缽，倒出粉碎后的煤粉；按照上述步驟開始第二份煤樣粉碎解吸。當兩份煤樣之間的體積相差30%以上時，重新稱量一份等質量的煤樣進行粉碎解吸。

煤質分析與數據記錄：將20 g細小顆粒的煤樣進行煤質分析，分析結束后，將煤的灰分、水分數據進行記錄。

2.4 灰分、水分測定試驗

煤樣準備：準備粒徑在0.2 mm以下，50 g左右的煤樣。

煤質工業分析：開啟煤質分析儀→開啟監控電腦→設置分析參數→開始測試→輸入試樣編號、名稱、化驗員→選取試驗所需的坩堝數量→儀器自動稱量空坩堝帶蓋重→系統提示移去坩堝蓋(包括 0號校正坩堝，且坩堝蓋順序不能亂)→儀器自動稱量空坩堝重→稱量完畢系統提示放樣(每個坩堝放樣 0.5～1.2 g，0號坩堝禁止放樣)→放樣完畢待重量數據顯示穩定后確認放樣→開始試驗分析→試驗進入水分測試階段→水分測試完成進入第二階段測試揮發分測試階段→打開爐蓋加坩堝蓋→按照順序蓋好坩堝蓋→高溫爐開始加熱，溫度穩定為7 min→打開高溫爐蓋(小心燙手)進行冷卻→冷卻到 250 ℃蓋上高溫爐蓋→系統分析揮發分結束后打開爐蓋，去除坩堝蓋(包括 0號坩堝)→蓋好高溫爐蓋→進入灰分測試階段→坩堝質量變化不超過設定精度時灰分測試結束→記錄水分、灰分、揮發分數值→關閉高溫爐電源→關閉監測電腦→打開爐蓋散熱→煤質工業分析試驗結束。

2.5 瓦斯含量計算

基本數據錄入：添加煤樣編號，并錄入礦井名稱，取樣地點，選擇原始含量測定或殘余含量測定，輸入取樣時間、井下大氣壓力、地面大氣壓力、井下環境溫度、實驗室溫度等信息，輸入取樣深度、取樣人員等信息，見表2。

表2 基本信息記錄表

Wa值計算：①在損失瓦斯含量W1計算選項欄選擇煤樣編號，并選擇對應的煤樣破壞類型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)5類，輸入打鉆結束時間、開始取芯時間、取芯結束時間、開始解吸時間，輸入井下解吸時量管初始刻度、開始解吸時間以及每分鐘解吸對應的瓦斯總量，計算出瓦斯損失量；②進入常壓解吸瓦斯含量W2計算，填入井下瓦斯解吸量，地面瓦斯解吸量，計算出常壓瓦斯解吸含量；③粉碎解吸瓦斯含量W3計算，填寫2份粉碎煤樣的重量和粉碎解吸瓦斯量，計算粉碎解吸瓦斯含量，最后進行可解吸瓦斯含量Wa計算。

壓力計算：在信息欄內填入a值和b值，煤的孔隙度、視密度(由于開采同一煤層，a、b值、煤的孔隙度及視密度使用原測定數據)、煤層溫度、灰分、水分等試驗測定值并計算，計算出壓力值P，殘余瓦斯含量Wc，原始瓦斯含量W，保存計算數據。

全部數據打印后由礦總工程師審核簽字，并蓋章存檔。

3 試驗注意事項及問題優化

3.1 注意事項

人員配備：為保證井下解吸試驗正常進行，井下試驗部分必須配備2名以上試驗人員，一人負責取樣，一人負責記錄時間，保證取樣時間精確；解吸時一人記錄時間，一人讀取刻度值，保證每分鐘的解吸量讀數及時。

氣壓計：入井之前將空盒氣壓計與地面大氣壓進行比較，避免空盒氣壓計顯示的壓力、溫度與地面實際的壓力、溫度存在較大誤差，造成損失量計算出現誤差。

取樣：避免取樣煤體受采動影響而產生裂隙，最終影響瓦斯含量，取樣人員取樣深度一般以40～60 m為最佳。

煤樣罐檢查：地面必須進行煤樣罐氣密性檢查。氣密性檢查時，拆掉罐口密封圈，在密封圈及密封圈卡槽內涂抹真空硅脂，并將罐口及罐蓋內的煤渣清理干凈，擰緊罐蓋，充入壓力為0.4 MPa左右的氮氣或空氣，然后放置在水槽內靜置。如果罐口及閥門處無冒泡現象，則氣密性良好；氣密性不良好的煤樣罐會導致井下解吸量減小，造成損失量計算值降低，導致瓦斯含量測定試驗結果偏小。

檢查解吸儀：井下解吸時，解吸儀內嚴禁充入設備冷卻水，設備冷卻水水溫較高，會導致氣體體積膨脹，造成試驗結果偏大；捂住解吸儀出水口，對解吸儀進行吹氣，查看解吸儀底部放水閥門是否漏水，如果漏水則擰緊底部放水閥門。

記錄：井下解吸必須準確記錄解吸儀量管初始刻度，為了保證試驗讀數準確無誤，一般初始為0，若初始刻度不為0，填寫解析記錄表中井下解析量時必須減去量管初始體積，減少試驗誤差。

排渣：取樣時嚴禁采用水力排渣。水力排出的鉆渣表面會形成一層水膜，降低瓦斯解吸速度，造成損失量計算值出現誤差；水力排渣會導致鉆渣水分含量升高，煤質分析時煤樣含水量高于煤層原始含水量，計算時會造成瓦斯含量降低。

記錄各試驗節點：井下解吸試驗必須精準記錄停鉆時間、開始取樣時間、取樣結束時間和開始解吸時間，減小試驗計算誤差。

3.2 存在的問題及其優化

目前煤層瓦斯含量測定多采用孔口接煤的取心方式，由于煤樣受壓風與暴露時間長等問題影響而導致損失氣量估算不準，且孔深越深，問題越突出，最終影響試驗結果。近期，行業內最新研發了密閉取芯裝置，可以保證煤心在鉆割后、退鉆、自然解吸全程被密閉，減少損失氣量估算環節，大幅提高瓦斯含量測試精度。

密閉取心裝置主要構件有外套筒、取心鉆頭、聯動裝置、取心內筒等，如圖1所示。外套筒直徑100 mm，長1 360 mm；鉆頭外徑108 mm、內徑38 mm；取心內筒內徑40 mm、筒長560 mm。

圖2 密閉取心測試工藝流程

密閉取心測試工藝流程，包括鉆孔施工、取心鉆進及投球等步驟，如圖2所示。應用該技術可以提高瓦斯含量測試精度20%以上，使測試結果更接近實際。同時由于減少了損失氣量估算環節，簡化瓦斯含量測試技術流程，提高了測試效率，更便于現場工程人員實踐應用。

4 結語

煤層瓦斯含量的測定與應用是煤礦進行瓦斯防治的基礎工作，選擇合理的方法快速準確地測定煤層瓦斯含量是實行精準抽采的必要條件。通過合理的測定方法，了解井下各開采煤層的瓦斯參數分布規律，可以為煤礦合理地制定瓦斯防治措施提供一定參考。