免封孔煤層瓦斯壓力測定技術可行性研究

崔永杰，王兆豐，2，范道鵬

（1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454000；2.煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南焦作 454000）

煤與瓦斯突出是煤體-圍巖系統(tǒng)在采掘活動下發(fā)生的一種礦井動力災害，其本質就是能量的意外積累與釋放[1-2]。而瓦斯壓力在煤與瓦斯突出的孕育和發(fā)生過程中起著至關重要的作用[3-5]，瓦斯壓力不僅是煤層瓦斯含量計算和煤層突出危險性預測、評價的基本參數(shù)，也是瓦斯防治措施效果檢驗的主要指標[6-7]。準確測定煤層瓦斯壓力對預測煤與瓦斯突出危險性以及合理制定瓦斯防治措施等都具有非常重要的意義，是煤礦安全生產的重要保障[8]。因此，煤層瓦斯壓力測定結果的可靠性、準確性至關重要。正確的測壓方法是獲得準確、可靠的煤層瓦斯壓力值的前提條件[9-11]。國內外現(xiàn)行的煤層瓦斯壓力測定方法可歸納為2 大類：直接測壓法和間接測壓法[12-14]。但直接測壓法對測試地點的選擇和封孔質量要求嚴格導致其測壓成功率較低，測試成本高且周期長[15]；而間接測壓法目前主要形成了根據(jù)煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯壓力梯度、煤屑瓦斯解吸量和解吸指標△h2等方法，以及從熱力學角度和考慮地應力、地溫影響的煤層瓦斯壓力理論計算方法[16]，但這些方法在準確性、實驗操作、測試周期、技術要求等方面存在一定不足。綜上所述，在一些特殊情況下，直接測壓法和間接測壓法均無法準確、快速地獲取煤層瓦斯壓力值，這對礦井的煤與瓦斯突出防治工作帶來極大不便。基于此，開展了免封孔煤層瓦斯壓力測定技術可行性研究，以期為礦井煤層瓦斯壓力測定提供一種新途徑。

1 基本原理與實驗裝備

免封孔測壓法的基本原理是基于瓦斯壓力測試煤樣由井下煤層賦存條件到裝入實驗煤樣罐后發(fā)生3 個變化：①煤樣被揭露到裝入煤樣罐的取樣過程中，煤體瓦斯解吸導致瓦斯量漏失；②煤體由井下煤層圍壓條件下的致密塊狀形態(tài)裝入煤樣罐后煤體破碎膨脹變?yōu)樗缮⒌念w粒狀態(tài)，取樣前后煤樣所占據(jù)的死空間體積發(fā)生了改變；③煤樣前后2 種狀態(tài)所處環(huán)境溫度由井下煤層溫度變?yōu)閷嶒炇覘l件溫度。

免封孔煤層瓦斯壓力測定技術現(xiàn)場應用時，針對煤樣前后發(fā)生的3 種不同變化分別進行煤樣漏失瓦斯量補償，煤心體積復原以及人工模擬煤體儲層溫度來復原煤體賦存條件下的瓦斯壓力。具體分5個步驟進行：①煤樣采集分為2 份，分別裝入測壓罐和解吸罐；②井下平行樣解吸測定推算測壓樣漏失瓦斯量；③測壓樣漏失瓦斯量補償；④測壓樣煤心體積復原；⑤儲層溫度下瓦斯壓力恢復。

實驗研究該測壓技術可行性時需要首先設定1個初始吸附平衡壓力p0，然后通過壓力恢復，比較其恢復值ps與初始值p0誤差大小，以驗證該測壓技術是否可行。

實驗主要依托自主研發(fā)的免封孔煤層瓦斯壓力測定儀完成，該裝備主要有7 個系統(tǒng)組成，分別為：抽真空系統(tǒng)、解吸測定系統(tǒng)、常壓定量補氣系統(tǒng)、煤心體積復原系統(tǒng)、儲層環(huán)境瓦斯壓力恢復系統(tǒng)、死體積標定系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。免封孔煤層瓦斯壓力測定儀原理圖如圖1[17]。

圖1 免封孔煤層瓦斯壓力測定儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas pressure measuring instrument for non-sealing hole coal seam

2 實驗過程

2.1 煤體賦存環(huán)境條件模擬

以井下打鉆壓風取樣為例，一般采集的煤樣多為粒徑較小且多種粒徑混雜的顆粒。因此，為了使實驗所用煤樣盡可能與現(xiàn)場取樣采集的煤樣顆粒大小一致，將實驗選取的古漢山煤樣篩分至粒徑3 mm 以下，作為實驗對象。在確認整個實驗設備氣密性良好無誤的前提下開始實驗。操作步驟如下：

1）實驗前確保煤樣罐中的活塞位于最頂端位置，并將煤樣罐內部擦拭干凈，確認無水分殘留；然后稱取篩分好的實驗煤樣400 g，裝入煤樣罐下部的煤樣室內，擰好罐蓋，連接好管路。

2）將恒溫水浴盛滿水，設置30 ℃循環(huán)工作模式，打開真空泵開關，然后依次打開閥門21、閥門24 和閥門25，對煤樣室及與其連通的管路進行抽真空，以排除由于煤樣暴露于空氣中而吸附的其他成分氣體對實驗的影響，當負壓真空計示數(shù)為10 Pa 時，關閉真空泵開關和閥門21。

3）打開恒速恒壓泵吸液閥，將泵體吸滿水后關閉吸液閥，依次打開閥門8、閥門7、閥門14 和閥門17，然后將恒速恒壓泵設置為20 MPa 恒壓模式（以煤層埋深800 m 為例，垂直應力為20 MPa），接著打開排液閥向活塞煤樣罐上腔液壓室注水加壓至恒速恒壓泵壓力示數(shù)為20 MPa，并持續(xù)穩(wěn)壓。

4）打開高壓甲烷氣體鋼瓶閥門，調節(jié)調壓閥2至適當刻度后打開進氣閥2，使甲烷氣體進入?yún)⒖脊藓箨P閉鋼瓶閥門、調壓閥2 和進氣閥2；待壓力傳感器4 示數(shù)穩(wěn)定不變后打開閥門5，將甲烷氣體充入煤樣罐中，使其在30 ℃恒溫水浴條件下吸附平衡；當壓力偏大或偏小時可分別進行放氣/補氣操作，使吸附平衡壓力達到設定值；設置了0.10、0.31、0.53、0.74、1.00、1.50 MPa 共6 個吸附平衡壓力。6個煤樣等溫吸附曲線如圖2。

圖2 6 個煤樣等溫吸附曲線圖Fig.2 Six coal samples isotherm adsorption curves diagrams

2.2 取樣過程模擬

煤樣從賦存狀態(tài)至被采集裝入煤樣罐中經歷3個過程：先是鉆頭接觸煤體，煤體被剝落之前地應力卸除的同時游離瓦斯急劇釋放過程；接著為煤體被剝落掉至鉆孔內，壓風排渣，孔口接樣裝入煤樣罐的瓦斯逸散過程，此過程煤樣已處于常壓狀態(tài)；最后為煤樣裝罐后的井下環(huán)境常壓解吸過程。基于此，分3 個步驟模擬井下取樣過程煤樣狀態(tài)變化：

1）關閉恒速恒壓泵的排液閥，接著打開閥門19使解吸計量裝置與煤樣罐及相應管路連通并開始計時；與此同時，打開煤樣罐上腔的排液閥9 并收集排出的液體，解吸30 s 后關閉閥門19，此氣體量為煤體被剝落過程中的瓦斯逸散量。

2）活塞煤樣罐上腔閥門9 保持打開狀態(tài)，繼續(xù)放液卸壓使活塞移動至煤樣罐最頂端，排液閥9 不再有液體流出為止，關閉閥門9，收集的液體總量即為取樣前后煤心空間增量△V。

3）打開閥門19，繼續(xù)解吸記錄30 min，前后2部分放氣量即為取樣過程中的瓦斯漏失量與井下解吸量之和Qf，然后關閉閥門19，進入殘余瓦斯壓力自然恢復階段。

2.3 瓦斯壓力恢復

2.3.1 常壓定量補氣

1）由于放氣解吸和后續(xù)的補氣吸附是在同一實驗條件下（溫度、壓力）完成的，所以無需進行不同環(huán)境條件的氣體體積轉換，前文所述的放氣量Qf即為對應的瓦斯補償量Qb。但實際應用中，需要記錄井下平行樣解吸時的大氣壓力p1，和環(huán)境溫度T1以及實驗室進行定量補氣時的大氣壓力p2，環(huán)境溫度T2；然后根據(jù)氣體狀態(tài)方程p1Qf/Z1=nRT1和p2Qb/Z2=nRT2（Z1、Z2分別為p1、T1和p2、T2條件下甲烷氣體的壓縮因子；n 為氣體的物質的量，mol；R 為摩爾氣體常數(shù)，J/（mol·K）），將p1、T1條件下的放氣量Qf轉化為p2、T2條件下的補氣量Qb。

2）根據(jù)瓦斯補償量Qb和定量補氣的活塞容器上腔底面積S，可知位移傳感器應移至的對應刻度H1。①關閉閥門24，接著打開甲烷氣體鋼瓶閥門，調節(jié)調壓閥2，并打開進氣閥2 使甲烷氣體進入?yún)⒖脊? 中，充氣結束后關閉甲烷氣體鋼瓶閥門和進氣閥2；②打開活塞容器下端放液閥門27，接著依次打開閥門5、閥門6、閥門7、閥門14、閥門13 和閥門15，使氣體進入活塞容器上腔推動活塞下移至刻度H1時，立即關閉放液閥門27 和閥門5、閥門6、閥門7、閥門14 和閥門13，打開閥門16 放氣至壓力傳感器12 示數(shù)為0 后關閉（或將與閥門16 相連的軟管插入水中至不再有氣泡冒出為止）；③打開活塞容器下端注液閥門28，通過恒速恒壓泵向活塞容器下腔持續(xù)注液至活塞移動到最頂端位置，關閉閥門28；④打開閥門11 和閥門25 將逸散瓦斯量Qf補償至煤樣罐中，關閉閥門11，完成瓦斯壓力測試煤樣的常壓定量補氣；⑤打開閥門24，觀察壓力傳感器18 的示數(shù)變化。由于活塞容器的容積為1 000 mL，所以當1 次補氣不夠時可以重復以上操作，分多次完成氣體定量補償。6 個吸附平衡壓力的放氣量與補氣量參數(shù)見表1。

表1 6 個吸附平衡壓力的放氣量與補氣量參數(shù)Table 1 Parameters of outgassing and supplementing gas of six adsorption equilibrium pressures

2.3.2 煤心體積復原

前文所收集的卸壓放液體積△V 即為取樣前后2 種狀態(tài)瓦斯壓力測試煤樣的死體積增量；根據(jù)死體積增量△V 和活塞容器的上腔底面積S，可知位移傳感器應移至的對應刻度H2，然后打開閥門8、閥門7、閥門14、閥門13、閥門15 和活塞容器下端注液閥門28，通過恒速恒壓泵向活塞容器下端注液推動活塞上移向煤樣罐上腔液壓室定量注液充填瓦斯壓力測試煤樣的死體積增量，持續(xù)注液至活塞移動到最頂端位置，關閉閥門8、閥門7、閥門14、閥門13、閥門15、閥門28，完成死體積增量充填。6 個吸附平衡壓力的體積復原參數(shù)見表2。

表2 6 個吸附平衡壓力體的積復原參數(shù)Table 2 Six adsorption equilibrium pressure volume restoration parameters

2.3.3 儲層溫度模擬

將恒溫水浴盛滿水，保證水位淹沒煤樣罐，打開開關，設置與初始吸附平衡時一樣的溫度值（30℃），使瓦斯壓力測試煤樣在與“煤層溫度”一致的條件下再次吸附平衡，觀察壓力傳感器18 的示數(shù)變化，當示數(shù)連續(xù)4 h 以上穩(wěn)定不變時，記錄此時的壓力示數(shù)，即為該測壓試樣的瓦斯壓力恢復值。6 個測壓試樣的瓦斯壓力恢復曲線如圖3。

圖3 6 個測壓試樣的瓦斯壓力恢復曲線Fig.3 Gas pressure recovery curves of six pressure test samples

3 實驗結果

以0.74 MPa 測壓試樣瓦斯壓力恢復曲線為例，從解吸結束開始記錄至再次吸附平衡可分為4 個階段：①階段1：解吸結束至定量補償瓦斯前的殘余瓦斯壓力恢復階段；②階段2：實驗室常壓環(huán)境瓦斯定量補償過程和煤心體積復原前瓦斯吸附階段；③階段3：向煤樣罐液壓室定量注液煤心體積復原階段；④階段4：瓦斯補償和體積復原后測壓試樣在恒溫水浴（煤層溫度）環(huán)境中壓力恢復階段。這4 個階段共計耗時16 h 左右，即測壓試樣壓力恢復工作一般在1 d 之內即可完成，大大縮短了煤層瓦斯壓力的測定周期。0.74 MPa 試樣壓力恢復曲線如圖4。

圖4 0.74 MPa 試樣壓力恢復曲線Fig.4 Pressure recovery curve of sample at 0.74 MPa

由圖4 可知，6 個測壓試樣的瓦斯壓力恢復值分別為0.09、0.30、0.50、0.73、1.01、1.61 MPa。6 個瓦斯壓力恢復值與初始值相對誤差見表3。

表3 6 個瓦斯壓力恢復值與初始值相對誤差Table 3 Six relative errors between gas pressure recovery values and initial values

分析實驗結果誤差原因，可能是由于煤樣罐雖然置于恒溫水浴環(huán)境中，但測壓傳感器放置于實驗室環(huán)境溫度下，而實驗室環(huán)境溫度較難保持絕對恒定，因此可能造成結果略有偏差；還可能是因為定量補氣時閥門11～閥門13 段管路會殘留很小部分氣體未能補償至煤樣罐中導致的。

通過以上實驗充分說明免封孔煤層瓦斯壓力測定技術是可行的，可以作為礦井煤層瓦斯壓力測定的一種方法；其關鍵技術主要包括漏失瓦斯量補償，煤心體積復原和儲層溫度模擬3 部分，而儲層溫度模擬很容易實現(xiàn)（恒溫水浴）。因此，若能保證取樣過程漏失瓦斯量推算準確和煤心體積復原至儲層狀態(tài)即可快速、準確地得到測壓地點的瓦斯壓力值。

4 結 論

1）6 個壓力恢復值分別為0.09、0.30、0.50、0.73、1.01、1.61 MPa；與對應的初始吸附平衡壓力誤差分別為-0.01、-0.01、-0.03、-0.01、0.01、0.11 MPa；相對誤差分別為-10.00%、-3.23%、-5.66%、-1.35%、1.00%、7.33%。

2）免封孔煤層瓦斯壓力測定技術，測壓結果可靠且能有效降低測壓成本，大大縮短測壓周期，具有顯著的優(yōu)點。

3）免封孔煤層瓦斯壓力測定技術不受測試地點和封孔工藝的限制，為煤礦原始瓦斯壓力特別是采取瓦斯治理措施后的煤層殘余瓦斯壓力的測定提供了一條快速、可靠的新途徑。