基于钻屑瓦斯解吸规律的瓦斯含量快速测定方法

张　帅　崔永国　任　威　高　强　刘　宁

(山西高河能源有限公司)



基于钻屑瓦斯解吸规律的瓦斯含量快速测定方法

张帅崔永国任威高强刘宁

(山西高河能源有限公司)

通过对高河煤矿3#煤层钻屑解吸规律的实验室测定，提出了煤层瓦斯含量快速测定方法。经实验室和现场验证，发现该方法可对井下煤层瓦斯压力进行快速测定，测定结果与直接测定的瓦斯含量的平均误差在5%以内，对于煤矿井下快速、精确测定瓦斯含量有一定的参考价值。

钻屑瓦斯解吸规律瓦斯含量快速测定

分析煤瓦斯解吸规律是进行煤层瓦斯含量测定的基础。现有的瓦斯测定方法大多通过井下采集煤样实测瓦斯解吸量，根据瓦斯解吸规律计算取样过程中的瓦斯损失量，在此基础上与实验室测定的煤层内的残存瓦斯量相加得到最终的瓦斯含量值。该方法测定周期长、效率低下，现场应用较繁琐。为此，本研究基于实验室瓦斯解吸试验，提出一种基于钻屑瓦斯解吸规律的瓦斯含量快速测定方法。

1　试验装置及方法

试验系统见图1，该系统主要功能包括：①为试验提供瓦斯源；②促使煤样解吸的瓦斯在保持常压的条件下泄入瓦斯解吸测定装置，一般模拟解吸过程仅需30min，测定过程中大气压的变化可忽略不计，即可认为在模拟瓦斯解吸过程中，瓦斯泄出口压力恒定；③由于温度变化是影响煤样瓦斯解吸的一个因素，该装置的另一目的是使煤样瓦斯解吸过程中保持温度恒定。

图1　试验装置结构

2　试验分析

2.1试验结果

进行瓦斯含量测定时，首先使用真空泵对煤样罐中的煤样抽真空，然后使用参考罐向煤样罐充气，并根据参考罐在充气前后气体参数的变化确定充入煤样罐的气体体积。待煤样罐在恒温浴槽中吸附平衡后，突然打开上侧阀门，瓦斯将向集气罐中解吸释放，罐内的气体压力也将相应升高。使用传感器连续采集罐内的气体压力值，并将测得的数据进行记录，据此可绘制出煤样罐中释放的气体量随时间的变化曲线。由于集气罐体积远大于煤样罐，在测试过程中集气罐的压力始终控制在0.01MPa以下。因此，可认为煤样罐中的气体是向大气环境中释放，其解吸规律并不受影响。图2中列出了高河煤矿3#煤层煤样在筛分至1～3mm之后，分别在不同瓦斯压力下的30min解吸曲线。由图2可知：随着气体压力的增大，单位质量的煤样在相同时间点所解吸释放出的瓦斯量也逐渐增大，但其增大的幅度有所减缓，主要是受到煤体内部孔隙的限制，吸附气体的能力存在一个极限值，随着煤样暴露时间的延长，解吸曲线的斜率越来越小，曲线逐渐趋于平缓，表明煤样中气体向外解吸扩散的速度随着暴露时间的延长而逐渐减小，原因为：①随着时间的延长，煤体内吸附的瓦斯量逐渐减小，内部瓦斯向外解吸扩散的动力降低；②由煤的孔隙结构的复杂性决定的，在暴露初期，煤体大孔中的瓦斯集中向外释放，瓦斯运移的阻力(即扩散系数)较大，而到了后期，决定瓦斯释放快慢的主要为煤体内大量的小孔和微孔，瓦斯在该类孔中的扩散系数将缩小1～2个数量级。

2.2试验数据处理与分析

根据相关研究成果，煤样暴露初期的解吸瓦斯量与时间的平方根成线性关系，根据对本研究试验数据的处理分析，验证了上述解吸量与时间的线性关系，但随着煤样暴露时间的延长，直线的斜率会出现微小的下降，并且随着煤层瓦斯压力的增大，斜率越来越大。考虑到煤矿井下瓦斯含量测定的具体情况，目前井下应用较多的解吸法包括井下瓦斯含量直接测定时进行的30min解吸和进行解吸指标Kt值测定时进行的5min解吸，其共同点是在进行解吸测定之前，煤样会暴露一段时间，尤其是30min解吸时，暴露时间相对更长，并且无统一要求，若钻孔施工较长，那么暴露时间将远大于规范要求，从而导致瓦斯测定结果出现较大偏差。因此，在快速测定瓦斯含量时，须在煤矿现有的技术装备条件下考虑不同煤样暴露时间的影响，为此，本研究提出了不同暴露时间下解吸特性系数Kt来反映解吸过程，并探寻其与煤层瓦斯含量之间的关系。根据试验测得的煤样各关联参数(包括工业性分析、吸附常数以及密度等参数)，并结合各试验煤样的气体压力，对各试验煤样的瓦斯含量进行了计算，并通过数据处理得到了不同煤样暴露时间(t)下的Kt值，结果见表1。

图2　不同气体压力下实验室模拟解吸测试结果

表1　不同气体压力下的瓦斯吸附量及Kt值

由表1可知：随着暴露时间的延长，相同压力下的解吸特征系数Kt逐渐变小，并且随着气体压力的增大，解吸特征系数Kt逐渐增大，说明解吸特征系数Kt是一个反映瓦斯解吸速度快慢的物理量。

以解吸特征系数Kt为横坐标，以瓦斯含量为纵坐标，绘制了解吸特征系数Kt与煤层瓦斯含量的关系曲线，见图3。

图3　不同暴露时间下瓦斯含量与解吸特征系数的关系

由图3可知：煤层瓦斯含量与解吸特征系数Kt之间成线性关系，并且具有较好的相关性，其相关系数随着煤样暴露时间的延长出现微小的下降，但仍在0.985以上。因此，煤层瓦斯含量可用下式计算[1]：

式中，α，β分别为不同暴露时间所对应的常数。

为对不同暴露时间下煤层瓦斯压力和瓦斯含量与解吸特征系数Kt的关系表达式的精度进行分析，对不同暴露时间下具体参数R2进行对比，结果见表2。

由表2可知：对于R2来言，使用解吸特征系数Kt描述不同暴露时间下的煤样瓦斯含量和瓦斯压力，精度均较高，特别是使用Kt值来描述瓦斯含量时，R2高达0.991 46。另外，从实验室测定结果来看，随着暴露时间的延长，使用解吸特征系数Kt描述煤样瓦斯压力和瓦斯含量的相关系数虽然有一定的下降，但在5min以内，相关系数的下降幅度较小，不足以影响瓦斯测定结果的准确性。

表2　各表达式精确度对比

3　方法可靠性验证

3.1实验室验证

以实验室测定数据为基础，分别利用新方法对煤样的瓦斯含量进行了回归计算，结果见表3。由表3可知：运用新方法对2种不同压力下的煤样分别暴露1，2，3，5min后的数据进行了计算，得到的煤样瓦斯含量误差为0.2%～7.81%，平均仅为2.58%，表明新方法可准确测定煤样的瓦斯含量。

表3　新方法实验室瓦斯含量测定结果

3.2现场验证

对高河煤矿3#煤层的瓦斯含量进行了现场测试，测试地点为高河煤矿北翼进风大巷，测试时使用矿方购买的DGC瓦斯含量直接测定装置中的井下解吸部分，测试结果见表4。由表4可知：运用新方法获得的煤样瓦斯含量误差为0.1%～5.77%，平均仅为3.72%，可见，该方法在现场应用中可较准确地测定煤层瓦斯含量，反推的瓦斯含量误差较小，精度可满足工程需要[2]。

表4　现场验证结果

4　结　论

(1)煤层瓦斯压力及瓦斯含量与煤的解吸特征系数Kt成线性关系，且该函数关系受到煤样暴露时间的影响。

(2)提出了井下煤层瓦斯含量快速测定方法，在运用该方法测定煤层瓦斯含量时，煤样暴露时间宜控制在5min以内，实验室和现场验证结果表明，该方法可较准确地测定煤层瓦斯含量，满足工程需要。

[1]韩颖，张飞燕，余伟凡，等.煤屑瓦斯全程扩散规律的实验研究[J].煤炭学报，2011，36(10)：1699-1703．

[2]齐黎明，陈学习，程五一，等.新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27(3)：111-115．

2016-06-12)

张帅(1984—)，男，工程师，046000 山西省长治市。