煤樣暴露時間對瓦斯含量測定的影響分析

（潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046000）

煤炭是我國能源的主體[1]，但開采煤炭會有瓦斯涌出。瓦斯災害作為煤礦安全的“第一殺手”[2]，極大威脅著煤礦安全生產。而摸清煤礦瓦斯含量有助于通過合理決策來治理或利用瓦斯。直接測試法操作簡便，目前普遍采用。該法測定的煤層瓦斯含量包括瓦斯解吸量VJ、瓦斯損失量VS、瓦斯殘存量VC[3]，除瓦斯損失量為擬合值外，其余兩者為實測值。因此，瓦斯損失量的擬合精度是影響測試結果準確性的關鍵。瓦斯損失量擬合中僅暴露時間易于控制，因而暴露時間是決定測值誤差的重要因素。

張淑同[4]通過現場及室內試驗研究，表明暴露時間與煤樣的保質性決定了損失瓦斯量推算精度；孫健等[5]指出暴露時間對瓦斯損失量估算有關鍵影響。YANG 等[6]的實驗研究結果表明暴露時間較長時，建模推算值更接近實際瓦斯損失量。

上述研究從多個方面探索研究了暴露時間的不同對煤礦瓦斯含量測定準確度的影響，但對于暴露時間未做詳細研究。因此，本文在總結常見煤層瓦斯含量測定方法的原理及優缺點后，以直接測試法中的井下鉆孔瓦斯解吸法展開，研究了不同暴露時間對瓦斯損失量推算精度的影響，并推算出損失量的修正公式，希望為煤礦瓦斯含量測定提供一定參考。

表1 煤礦瓦斯含量測定方法對比

1 直接測定法

直接測定法是直接利用采取的煤樣測定瓦斯含量。常見煤礦瓦斯含量測定方法優缺點對比見表1，直接測定法具有操作簡便、結果可靠的優點，是當前普遍采用的瓦斯含量測定方法。但直接測定法中瓦斯損失量VS是一個估計值，精度受暴露時間影響較大。

1.1 地勘鉆孔瓦斯解吸法

地勘鉆孔瓦斯解吸法是指在地勘鉆孔階段，通過改裝鉆孔采樣儀器在孔底取煤芯并快速置于煤樣罐中實現取樣，然后保持密閉采用瓦斯解吸速度測定儀測定VJ，同時記錄暴露時間以確定VS，接著在室內測定VC，VJ、VS、VC之和與煤樣質量的比值即為煤層瓦斯含量。地勘鉆孔瓦斯解吸法在我國已應用30多年，廣泛應用于地勘階段測定煤層瓦斯含量。

1.2 井下鉆孔瓦斯解吸法

井下鉆孔瓦斯解吸法測值精度較高，其原理與地勘鉆孔瓦斯解吸法相同，二者僅在采樣環節有所區別，井下鉆孔瓦斯解吸法的采樣是在礦井生產階段鉆孔采集煤層煤屑或煤芯。

2 暴露時間對瓦斯測定影響

井下鉆孔解吸法中，煤樣暴露時間越長瓦斯損失量誤差越大。本次試驗依照規范[7]進行，在室內模擬井下鉆孔解吸法過程，研究暴露時間對測試結果的影響。由于規范規定暴露時間不超過5 min，本次試驗設計0、1、2、3 min四組暴露時間。

2.1 試驗步驟

（1）用粉碎機粉碎煤樣后篩分出粒徑0.5～1 mm的煤灰放入壓力機罐體密封；

（2）連接真空泵將壓力機罐體抽真空6小時；

（3）連接瓦斯鋼瓶使煤樣吸附瓦斯12小時后，取出煤樣并控制暴露時間；

（4）測定瓦斯解吸量；

（5）重復步驟（1）～（4），依次控制暴露時間為0、1、2、3 min；

（6）按照規范要求進行數據處理并使用法推算瓦斯損失量。

2.2 試驗成果

試驗測得的瓦斯解吸量見表2，累計瓦斯解吸量數據曲線見圖1，瓦斯解析速率見圖2。

表2 瓦斯累計解吸量(單位：ml/g)

圖1 累計瓦斯解吸量曲線

圖2 瓦斯解吸速率曲線

（1）根據圖1可知，累計瓦斯解吸量隨解吸時間呈現對數增長趨勢，曲線先急劇上升，在50 min左右趨于平緩；且暴露時間越長，煤樣累計解吸量越小；不同暴露時間的累積解吸量曲線間的差異非線性，暴露時間為0 min的曲線與其余三條曲線間的差異顯著大于其余三條曲線之間的差異。

（2）根據圖2可知，瓦斯解吸速率隨解吸時間呈現對數減小趨勢，曲線先急劇下降，在50 min左右趨于平緩；且暴露時間越長初始解析速率越小，不同暴露時間的煤樣在解吸30 min后瓦斯解吸速率趨于一致，最終瓦斯解吸速率接近0，約為0.002 mL/s；不同暴露時間的解吸速率曲線間的差異同樣為非線性。

分析其原因，為煤樣取出后因氣壓降低瓦斯迅速溢出，瓦斯含量逐漸降低，瓦斯解吸速率隨之降低，最終煤樣內瓦斯在新的氣壓下達到平衡，累計解吸量曲線逐漸平緩，解吸速率趨于0。

2.3 瓦斯損失量分析

式中：t為解吸時間，min；V為t時間內累計解析量，cm3；K為擬合參數，t0為暴露時間，min；Vs為t0時間內瓦斯解析量，cm3。

表3 瓦斯損失量匯總( 單位：cm3/min)

從試驗結果分析可得：瓦斯損失量隨暴露時間增加而增加，瓦斯損失量偏差百分數呈現非線性規律，隨暴露時間先減小后增大，暴露時間2 min時誤差最小。分析其原因為受煤樣瓦斯解吸速率由大變小的影響，煤樣在取出后2 min內瓦斯迅速溢出且偏離法估值較大，隨后瓦斯溢出平緩更符合法估值規律。

圖3 推算瓦斯損失量偏差百分數與暴露時間關系曲線

通過對推算瓦斯損失量偏差百分數隨不同暴露時間變化關系進行二次項擬合，擬合結果見圖3，擬合度較好。因此，可由偏差百分數推算實際瓦斯含量：

3 結語

本文基于煤礦瓦斯含量直接測定法中井下鉆孔瓦斯解析法研究不同暴露時間對瓦斯損失量的影響，通過室內試驗，控制暴露時間（0、1、2、3 min），測定瓦斯解吸量并分析損失量受控制時間的影響，提出了瓦斯損失量的推算修正公式。

通過實驗數據及分析得到以下結果：（1）暴露時間越長，煤樣累計解吸量越少，初始解析速率越小，瓦斯損失量越大；（2）隨暴露時間的增加，損失量誤差先減小后增大，且暴露時間為2 min時誤差最小。為煤礦瓦斯含量測定提供一定參考。

綜上所述，在采用直接測定法測定煤礦瓦斯含量過程中，需控制暴露時間在2 min左右，同時采用瓦斯損失量的推算修正公式，也是一個提高煤礦瓦斯含量測定準確性的有效途徑。