井下煤層瓦斯含量測試輔助系統研究與應用

黃晶晶，肖 健，單文選

（華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊065201）

0 引 言

近年來，瓦斯含量測定直接方法一般指國標GBT23250-2009中的測定方法[1]，該方法被廣泛應用，但由于在實際測定過程中，不同礦井選擇常壓解吸法或脫氣法進行測定，其中關于損失量計算，已有軟件系統多采用圖解法，并且采用不同的輸出報表，最終結果經常需要在不同報告所需報表格式中互相轉化，增加工作量與復雜度。而煤層瓦斯含量測定值的準確性與精度，直接關系到瓦斯災害的預測和防治效果。

盧小海和陳寶[2-3]基于excel實現了煤層瓦斯含量計算，雖可以實現計算，但是用戶使用不簡便，并且不易推廣。隨著時間累積，會由于數據量增長而難以存儲，不易保存。平煤集團張建國、王滿[4]和張俊培[5]研發了基于web的數據計算系統和瓦斯含量數字化處理系統，雖較excel有了較大改進，但其中損失量計算選擇了法，較為單一，無法滿足不同礦井的不同情況，其使用瀏覽器訪問實現了查看數據的方便性，但仍沒有解決數據留存與輸出的問題。

本文進行煤層瓦斯含量測定輔助系統的研究，目的是為解決目前煤層瓦斯含量測定的準確性與手工計算復雜的問題，研制簡易，方便，具有標準化操作流程的軟件。

1 總體設計

煤層瓦斯含量測定輔助系統基于Java設計，使用MySQL數據庫存儲和管理實驗數據，使用IntelliJ IDEA進行開發，使實驗數據處理過程程序化，減少實驗過程中手工計算工作量，提高了工作效率并使計算結果更加精準[6]。創建了記錄整個實驗過程的數據庫系統，提高了數據的一致性，設置了用戶表，通過用戶不同的權限可對報表進行分級操作，提高了系統安全度。系統具有平臺無關性，用戶使用Windows系統安裝軟件即可進行操作，簡單易用。

2 系統主要功能實現

2.1 用戶登錄與管理

為保障數據安全，系統采用認證訪問，必須使用用戶名和密碼進入系統，輸入無法匹配的用戶名或密碼會進行提示。并對用戶進行分級管理，分系統管理員、普通、室內實驗人員和井下實驗人員。其中管理員可在登陸系統之后在用戶管理界面操作信息更改。通過List結構調用數據庫里的用戶姓名，可在登陸用戶管理界面時為管理員展現已有的目前所有用戶姓名。

2.2 采樣等基本信息錄入

數據錄入分為基本數據、井下采樣基本數據和實驗室溫度，壓力及采樣人員記錄等部分。基本數據包括煤樣采樣點的基本信息、采樣時間、鉆孔參數和取樣過程異常記錄等；井下和實驗室數據包括井下大氣壓力，環境溫度，實驗室大氣壓力實驗室溫度等數據。可在該部分進行添加煤樣編號，刪除試樣信息，保存修改，以及選擇煤樣編號直接查詢信息等功能。

在信息錄入過程中，設置了取樣方式的選擇，若為水排渣，需在最后計算步驟里進行質量校正。底部4個button按鈕分別實現了添加煤樣，保存當前界面數據，刪除目前界面的煤樣編號及信息和退出系統4個功能。若當前煤樣為需新錄入的信息，則在界面輸入好數據后，點擊添加煤樣編號。依照當前時間生成煤樣編號，若當天已有數據，則在尾部加1，以此遞推。若需修改某天某個煤樣信息，則在煤樣編號選擇框里單擊所需編號，界面自動填充該煤樣信息，在文本框里修改好數據后點擊保存更新信息即可。

2.3 損失量計算交互式選擇

根據煤層瓦斯含量井下直接測定方法（GB/T 23250-2009），損失瓦斯量的推算可選用冪函數法、法和其他經試驗驗證有效的方法。空氣介質中損失量計算方法[7]見表1。

表1 空氣介質中損失量計算方法Table 1 Calculation method of loss in air medium

據研究[8-9]，各損失量計算公式在短時間內都具有較顯著的擬合效果。在實際應用過程中，需根據現場實際，靈活選用損失量計算公式。所以該系統仍采用交互式的損失量計算方式，即讓用戶根據實際情況選擇合適的損失量計算公式。本系統實現了根號t和冪函數2種方式，選取其中最為合適的瓦斯損失量結果提交到系統數據庫。

實現過程中，依據井下自然解吸瓦斯記錄表中的井下解吸數據，首先可根據已列時間進行暴露時間計算，然后點擊計算按鈕可進行V=at-b型的數據擬合，b即為所求損失量，自動將結果填入右下文本框中后，點擊保存可將當前頁面所有數據存入數據庫。若選擇冪函數法，則根據含量測定標準中的公式，填入的解吸量信息，換算成解吸速度，進行擬合，求得q0（t=0時的瓦斯解吸速度）和系數n，帶入表1中重慶院式即可求出V損[14]。

該部分的30個解吸數據實現了從excel導入的功能。用戶可直接根據已有的excel里保存的解吸數據，點擊導入，彈出文件選擇窗口，選取.xls文件，數據即可自動填充（圖1）。

圖1 損失量與井下解吸量計算圖Fig.1 Legend of calculation of loss and desorption

2.4 其他部分計算

數據計算部分，總共包括4步，步驟一為井下自然解吸瓦斯量記錄，其中損失量可選擇不同計算公式，并且同步得出井下解吸量；步驟二為實驗室煤樣自然解吸瓦斯量記錄，可得出粉碎前后解吸量；步驟三為可解吸瓦斯含量Xa計算，在該步驟中，總結所有得出的含量數據，并轉換成標準狀況下的氣體體積；步驟四為不可解吸瓦斯量Xb。可依據工業分析結果按步驟進行得出，如圖2～圖4所示。

圖2 實驗室解吸量計算圖例Fig.2 Laboratory desorption calculation legend

圖3 可解吸瓦斯含量匯總Fig.3 Summary of desorbable gas content

圖4 不可解吸瓦斯含量Xb數據輸入界面Fig.4 Input interface of undesorbable gas content Xb data

井下自然解吸瓦斯量需進行體積的換算：

殘存量也需依據所輸入數據按下式得出：

式中：Qc為煤在標準大氣壓下不可解吸瓦斯含量，m3/t；a為吸附常數，試驗溫度下煤的極限吸附量，m3/t；b為吸附常數，MPa-1；Ad為原煤灰分，%；Mad為煤的水分，%；φ為孔隙率，m3/m3；為視密度，t/m3。

其中，各階段瓦斯量=各階段某種氣體體積/煤樣質量。

井下解吸瓦斯量，損失瓦斯量，粉碎前自然瓦斯解吸量，粉碎后自然瓦斯解吸量均按上式進行計算。所有數據均可通過煤樣編號在數據庫系統中串聯起來，保證數據的一致性和完整性。

2.5 報表打印

可實現把樣品的實驗數據根據樣品編號歸結到一個實驗報告里，并通過數據庫進行增刪改查等數據操作，方便數據管理。可實現通過煤樣編號查詢信息，其中包括煤樣基本信息和含量計算結果顯示，其中打印按鈕實現了將當前頁面保存為項目所在文件夾內的圖片。可方便直接打印及留存，保存為a file.jpg。

在圖片保存部分，通過點擊打印按鈕，觸發button按鈕監聽，通過生成圖片方法打印當前頁面內容。

3 礦井含量實測

基于河南省平頂山市平煤股份六礦戊8煤層進行瓦斯含量現場實測，檢驗本軟件研究應用效果。

3.1 煤層瓦斯含量測定過程

將井下解吸過程中記錄的相關數據輸入所研制的輔助系統，自動計算出瓦斯損失量V2。

常壓自然瓦斯解吸量包括兩部分，即井下測定的解吸量和井上實驗室測定的瓦斯量。經溫度、壓力校正到標準狀態后可求出井下解吸量X1、實驗測定解吸量X3與粉碎后解吸量X4。

最后進行殘存瓦斯量即常壓不可解吸量Xb的測定。

根據華北科技學院實驗室工業分析結果、孔隙率測定結果及吸附常數測試結果將相關數值代入系統，即可求出殘存瓦斯量（表2）。

表2 戊8煤基礎參數數據結果Table 2 Basic parameter data results of No.戊8 coal seam

3.2 測定結果

煤層瓦斯含量由X1、X2、X3、X4、X5累加得出，利用風排鉆屑取樣，取樣后按上述步驟進行瓦斯含量測定，共取6個測點進行瓦斯含量測定，測試結果見表3。

表3 各測點瓦斯含量構成Table 3 Composition of gas content at each measuring point

表4 瓦斯含量測定結果Table 4 Determination results of gas content

根據區域瓦斯含量實測值，得出該區域內原始瓦斯含量的最大值為5.30 m3/t。

4 結 語

本文從系統實現所需理論、系統實現關鍵步驟和現場實測等方面，詳細描述了井下煤層瓦斯含量測定輔助系統的設計思路、設計過程和實踐應用。

雖然煤層瓦斯含量數據處理的設計計算不涉及復雜的數學理論，但該系統解決了平時含量計算的重復性、頻繁性及給人工計算帶來了諸多不便等問題。通過制作出科學化，標準化的計算軟件，實現了依照含量測定標準進行含量計算各步驟，增加損失量選擇模塊，并且通過現場實踐，將該系統應用在平頂山天安煤業六礦戊8煤層，得出區域內實測最大原始瓦斯含量為5.30 m3/t，在實際瓦斯含量測定中也得到了很好的應用。