直接法測定煤層瓦斯含量影響因素分析及對策

張樓生ZHANG Lou-sheng

（平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司，淮南232001）

0 引言

《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定，煤層瓦斯含量是煤層區(qū)域突出危險性預(yù)測、突出煤層和突出礦井鑒定、區(qū)域防突措施效果檢驗等工作的重要指標，準確測定煤層瓦斯含量，為煤與瓦斯突出防治、煤礦瓦斯治理工作提供數(shù)據(jù)支持，具有非常重要的作用。

1 煤層瓦斯含量直接測定方法的工作原理

瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)是以吸附和游離狀態(tài)存在，當開始取樣時，瓦斯在煤層中的原來平衡狀態(tài)遭到了破壞，瓦斯開始解吸，直到達到新的平衡狀態(tài)。煤層瓦斯含量直接測定方法就是通過測定煤層瓦斯的井下自然解吸瓦斯量、粉碎前自然解吸瓦斯量、粉碎后脫氣瓦斯量、殘存瓦斯含量，然后推算損失瓦斯量，將這些瓦斯量相加即得到瓦斯含量。

2 煤層瓦斯含量直接測定方法的主要操作方法及注意事項

2.1 井下現(xiàn)場解吸

①井下解吸系統(tǒng)包括井下解吸儀、煤樣罐、礦用大氣壓力表、溫度計、秒表、機械表、連接膠管及扳手。下井前要仔細準備并反復(fù)檢查上述攜帶物品，保證無遺漏且完好。

②井下鉆孔取樣時，首先確定取樣鉆孔傾角、方位、鉆頭直徑、開孔高度及鉆機型號并做好相關(guān)記錄。取樣采用定點取樣法。當鉆機帶動鉆桿鉆到預(yù)定深度時，停止鉆機，記錄下此時的時間為打鉆結(jié)束時間，例如需要測量61m 深度煤層的瓦斯含量，當打鉆到60m 時，停止鉆機，記錄下此時的時間便是打鉆結(jié)束時間；隨后開啟鉆機繼續(xù)進尺，同時記錄下此時時間作為取樣開始時間，將孔底切削下來的新鮮煤樣通過專用定點取樣裝置快速取出孔外，然后利用袋子或其它容器在鉆孔出口處收集煤樣。待收集滿后，記錄下此時的時間作為取樣結(jié)束時間，取樣工作結(jié)束。在預(yù)先準備好的記錄表上記錄下取樣位置、取樣位置埋深、取樣人員、鉆機及鉆頭型號、開孔時間及位置、開孔高度、開孔傾角及方位角、煤樣粒度大小、煤層厚度、取樣深度、打鉆結(jié)束時間、取樣開始時間、取樣結(jié)束時間、開始解吸時間。

③井下解吸儀時（見圖1），首先要檢查氣密性，先將井下現(xiàn)場解吸儀底部密封塞打開，通過解吸儀底部向解吸儀注水，到適當位置后，放入密封墊圈，擰緊密封塞。將井下解吸儀零刻度朝上放置，觀察解吸儀里面水面是否下降，是否有氣泡，如果不下降且沒有氣泡產(chǎn)生說明密封性良好，如果液面下降，就要檢查并擰緊密封塞。

④井下解吸裝置連接圖如圖1 所示。

圖1 井下解吸裝置連接示意圖

⑤將所取煤樣進行適當篩選，選取顆粒較完整，總質(zhì)量大于500g 的煤樣立即裝入煤樣罐，安裝好密封圈，蓋緊煤樣罐，快速把煤樣罐出氣嘴連接到乳膠管的一端，記錄下此時時間作為井下開始解吸時間。

⑥在將煤樣罐與井下解吸儀連接之前，要先讀取液面初值刻度，并記錄在事先準備好的表格里面。連接煤樣罐，在連接瞬間，待氣體涌出后，打開秒表開始計時，然后每一分鐘讀取一次解吸儀液面刻度值，直至30min 結(jié)束；如果解吸量比較小，到不了30min，可以在一分鐘內(nèi)瓦斯解吸量少于2ml 時結(jié)束。如果解吸過程中解吸瓦斯體積達到井下解吸儀最大量程的85%時，應(yīng)立即關(guān)閉煤樣罐閥門，重新給井下解吸儀灌水后再開啟煤樣罐閥門，然后繼續(xù)解吸，并將換水時間內(nèi)的累加解吸量平均分配到換水時間上。解吸30min 后解吸儀讀數(shù)與初始刻度讀數(shù)之差即為井下瓦斯解吸量。待升井后，將記錄的數(shù)據(jù)輸入到軟件里，軟件會利用井下瓦斯解吸量與時間的關(guān)系，推算出煤樣暴露時間的瓦斯損失量。

⑦解吸完畢后關(guān)閉煤樣罐閥門，檢查煤樣罐氣密性，如果漏氣，煤樣作廢；如果不漏氣就放置一旁，等待升井的時侯一同帶到地面實驗室。如果有多個煤樣，就重復(fù)采樣與井下解吸操作步驟，全部取樣完成后收好工具升井。在升井或地面運輸過程中嚴禁煤樣罐相互撞擊，以免罐蓋或閥門松動漏氣。

⑧注意事項：盡可能地減少取樣時間；如實記錄打鉆過程中的噴孔、頂鉆、排屑等情況。井下解吸系統(tǒng)操作過程中一定要檢查煤樣罐和井下解吸儀的氣密性，在煤樣罐升井直至地面解吸開始前，要確保閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，注意碰撞松動。

2.2 實驗室操作

①首先要檢查地面解吸儀的氣密性，開啟地面解吸儀的背光燈，方便觀察液面刻度，將解吸管上的控制手柄扭轉(zhuǎn)到吸水排氣位置，開啟真空泵進行排氣吸水，直到液面到達零刻度位置時停止。觀察解吸管內(nèi)液面情況，注意不要將液體吸入膠管和微型真空泵中，調(diào)整解吸管操作手柄到隔絕真空泵連通狀態(tài)，使解吸管處于密封狀態(tài)。觀察液面下降情況，如果1min 內(nèi)玻璃管內(nèi)液面無下降則氣密性好，如果下降說明有漏氣，要及時排除原因，才能進行解吸（見圖2）。

圖2 地面瓦斯解吸連接示意圖

②在調(diào)試完成后，緩慢打開煤樣罐閥門，每隔一段時間讀一次液面刻度，時間間隔的長短要看瓦斯解吸速度的大小；在解吸過程中注意觀察解吸累計量的變化情況，如果發(fā)現(xiàn)解吸速度異常，要及時處理或報廢。如果單根解吸管的量程小于解吸量，要關(guān)閉煤樣罐閥門，注意記錄下此時的液面刻度。開啟真空泵進行排氣吸水，將液面吸到零刻度位置或更換到另外一根事先準備好的解吸管。打開煤樣罐閥門解吸，直至一分鐘內(nèi)瓦斯解吸量少于2ml 時結(jié)束。測量結(jié)束后，液面下降體積（如果是用兩根解吸管進行解吸還需乘以2）便是地面解吸瓦斯含量，地面解吸瓦斯含量與井下瓦斯解吸量之和為常壓可解吸瓦斯含量，將以上數(shù)據(jù)作好記錄。

③研磨前先檢查出氣嘴及膠管，防止有細煤粉堵塞。確認沒有堵塞后，把稱量好的煤樣裝入研磨組件，壓緊密封好，開始研磨，在研磨煤樣過程中不得打開上蓋。不要長時間研磨，一天內(nèi)同一個研磨組件的連續(xù)使用次數(shù)應(yīng)控制在10 次以內(nèi)。在研磨初始階段研磨瓦斯解吸量較大，容易將粉碎后的煤粉帶入地面解吸儀中，造成清洗困難，而且可能堵塞氣管，因此必須采用過濾器進行過濾。

④注意事項：為保證解吸管的氣密性，解吸管頂端上的玻璃活塞（控制手柄下端）要涂抹潤滑脂。在使用中避免猛烈摔打、碰撞。不得改變地面解吸儀有關(guān)電器元件的型號及其參數(shù)；應(yīng)經(jīng)常擦拭地面解吸儀外部的煤塵、污垢，定期更換老化的乳膠管等，保持裝置的清潔、美觀。

⑤數(shù)據(jù)處理采用專門的瓦斯含量直接測定計算軟件進行處理，軟件操作可參考軟件中的幫助文檔，在計算殘存瓦斯含量時需要輸入實驗室測定的吸附常數(shù)、工業(yè)分析等有關(guān)數(shù)據(jù)。

3 煤層瓦斯含量井下直接測定方法影響因素分析及對策

通過對直接法測定煤層瓦斯含量的全部過程進行認真分析，可以總結(jié)出影響瓦斯含量測定結(jié)果的各方面因素，針對這些影響因素采取針對性的對策，可以測定過程中各種因素引入的不確定度減少到最低程度，提高瓦斯含量測定結(jié)果的準確性。

3.1 煤樣采樣地點的選擇

煤層瓦斯含量的大小，與煤的吸附性、孔隙率、煤的變質(zhì)程度、煤層賦存狀態(tài)等因素密切相關(guān)。一般來說煤的變質(zhì)程度越高，煤的瓦斯含量越高。煤樣采樣地點應(yīng)充分考慮到該煤層的煤田地質(zhì)史、煤的變質(zhì)程度，應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造地點，盡量選擇在水文地質(zhì)條件相對簡單、煤層含水量小的地點。

3.2 氣密性影響

在井下采取煤樣進行井下解吸時，如果煤樣罐發(fā)生漏氣，煤樣罐里面的瓦斯就會在向量管內(nèi)排放的同時，也向空氣中排放；如果井下解吸儀或地面解吸儀漏氣，那么周圍的空氣進入量管內(nèi)也會使得液面下降。因此在使用前先要檢查煤樣罐、井下解吸儀、地面解吸儀的氣密性，查看是否有漏氣現(xiàn)象。取樣過后的煤樣罐如果漏氣，應(yīng)作為廢樣處理。井下解吸儀、地面解吸儀如果漏氣，應(yīng)排除問題后重新實驗。

3.3 煤樣暴露時間的影響

煤樣暴露時間是指從煤樣脫離煤體到裝入煤樣罐內(nèi)密封好的時間。在這段時間內(nèi)，煤樣中的瓦斯一直在正常解吸，因此應(yīng)該盡量縮短煤樣的暴露時間。《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》（GB/T23250-2009）標準規(guī)定，煤樣的采樣時間不超過5min，通過實踐證明，只有將煤樣暴露時間有效控制在5min 以內(nèi)，才能測得比較準確的瓦斯含量值。因此，在井下鉆孔取樣的時候應(yīng)該采取直接定點取樣方法，選擇合適的定點取樣裝置，盡量縮短煤樣暴露時間，減少煤層瓦斯損失量。

直接法測定瓦斯含量是目前煤層區(qū)域突出危險性預(yù)測、突出煤層和突出礦井鑒定、區(qū)域防突措施效果檢驗等工作的重要指標，瓦斯含量測定準確與否，具有重要意義。在實踐測定工作中應(yīng)嚴格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定，排除各種影響因素，才能確保測定結(jié)果準確，為煤礦安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。