煤样暴露时间对瓦斯含量测定的影响分析

（潞安集团漳村煤矿，山西 长治 046000）

煤炭是我国能源的主体[1]，但开采煤炭会有瓦斯涌出。瓦斯灾害作为煤矿安全的“第一杀手”[2]，极大威胁着煤矿安全生产。而摸清煤矿瓦斯含量有助于通过合理决策来治理或利用瓦斯。直接测试法操作简便，目前普遍采用。该法测定的煤层瓦斯含量包括瓦斯解吸量VJ、瓦斯损失量VS、瓦斯残存量VC[3]，除瓦斯损失量为拟合值外，其余两者为实测值。因此，瓦斯损失量的拟合精度是影响测试结果准确性的关键。瓦斯损失量拟合中仅暴露时间易于控制，因而暴露时间是决定测值误差的重要因素。

张淑同[4]通过现场及室内试验研究，表明暴露时间与煤样的保质性决定了损失瓦斯量推算精度；孙健等[5]指出暴露时间对瓦斯损失量估算有关键影响。YANG 等[6]的实验研究结果表明暴露时间较长时，建模推算值更接近实际瓦斯损失量。

上述研究从多个方面探索研究了暴露时间的不同对煤矿瓦斯含量测定准确度的影响，但对于暴露时间未做详细研究。因此，本文在总结常见煤层瓦斯含量测定方法的原理及优缺点后，以直接测试法中的井下钻孔瓦斯解吸法展开，研究了不同暴露时间对瓦斯损失量推算精度的影响，并推算出损失量的修正公式，希望为煤矿瓦斯含量测定提供一定参考。

表1 煤矿瓦斯含量测定方法对比

1 直接测定法

直接测定法是直接利用采取的煤样测定瓦斯含量。常见煤矿瓦斯含量测定方法优缺点对比见表1，直接测定法具有操作简便、结果可靠的优点，是当前普遍采用的瓦斯含量测定方法。但直接测定法中瓦斯损失量VS是一个估计值，精度受暴露时间影响较大。

1.1 地勘钻孔瓦斯解吸法

地勘钻孔瓦斯解吸法是指在地勘钻孔阶段，通过改装钻孔采样仪器在孔底取煤芯并快速置于煤样罐中实现取样，然后保持密闭采用瓦斯解吸速度测定仪测定VJ，同时记录暴露时间以确定VS，接着在室内测定VC，VJ、VS、VC之和与煤样质量的比值即为煤层瓦斯含量。地勘钻孔瓦斯解吸法在我国已应用30多年，广泛应用于地勘阶段测定煤层瓦斯含量。

1.2 井下钻孔瓦斯解吸法

井下钻孔瓦斯解吸法测值精度较高，其原理与地勘钻孔瓦斯解吸法相同，二者仅在采样环节有所区别，井下钻孔瓦斯解吸法的采样是在矿井生产阶段钻孔采集煤层煤屑或煤芯。

2 暴露时间对瓦斯测定影响

井下钻孔解吸法中，煤样暴露时间越长瓦斯损失量误差越大。本次试验依照规范[7]进行，在室内模拟井下钻孔解吸法过程，研究暴露时间对测试结果的影响。由于规范规定暴露时间不超过5 min，本次试验设计0、1、2、3 min四组暴露时间。

2.1 试验步骤

（1）用粉碎机粉碎煤样后筛分出粒径0.5～1 mm的煤灰放入压力机罐体密封；

（2）连接真空泵将压力机罐体抽真空6小时；

（3）连接瓦斯钢瓶使煤样吸附瓦斯12小时后，取出煤样并控制暴露时间；

（4）测定瓦斯解吸量；

（5）重复步骤（1）～（4），依次控制暴露时间为0、1、2、3 min；

（6）按照规范要求进行数据处理并使用法推算瓦斯损失量。

2.2 试验成果

试验测得的瓦斯解吸量见表2，累计瓦斯解吸量数据曲线见图1，瓦斯解析速率见图2。

表2 瓦斯累计解吸量(单位：ml/g)

图1 累计瓦斯解吸量曲线

图2 瓦斯解吸速率曲线

（1）根据图1可知，累计瓦斯解吸量随解吸时间呈现对数增长趋势，曲线先急剧上升，在50 min左右趋于平缓；且暴露时间越长，煤样累计解吸量越小；不同暴露时间的累积解吸量曲线间的差异非线性，暴露时间为0 min的曲线与其余三条曲线间的差异显著大于其余三条曲线之间的差异。

（2）根据图2可知，瓦斯解吸速率随解吸时间呈现对数减小趋势，曲线先急剧下降，在50 min左右趋于平缓；且暴露时间越长初始解析速率越小，不同暴露时间的煤样在解吸30 min后瓦斯解吸速率趋于一致，最终瓦斯解吸速率接近0，约为0.002 mL/s；不同暴露时间的解吸速率曲线间的差异同样为非线性。

分析其原因，为煤样取出后因气压降低瓦斯迅速溢出，瓦斯含量逐渐降低，瓦斯解吸速率随之降低，最终煤样内瓦斯在新的气压下达到平衡，累计解吸量曲线逐渐平缓，解吸速率趋于0。

2.3 瓦斯损失量分析

式中：t为解吸时间，min；V为t时间内累计解析量，cm3；K为拟合参数，t0为暴露时间，min；Vs为t0时间内瓦斯解析量，cm3。

表3 瓦斯损失量汇总( 单位：cm3/min)

从试验结果分析可得：瓦斯损失量随暴露时间增加而增加，瓦斯损失量偏差百分数呈现非线性规律，随暴露时间先减小后增大，暴露时间2 min时误差最小。分析其原因为受煤样瓦斯解吸速率由大变小的影响，煤样在取出后2 min内瓦斯迅速溢出且偏离法估值较大，随后瓦斯溢出平缓更符合法估值规律。

图3 推算瓦斯损失量偏差百分数与暴露时间关系曲线

通过对推算瓦斯损失量偏差百分数随不同暴露时间变化关系进行二次项拟合，拟合结果见图3，拟合度较好。因此，可由偏差百分数推算实际瓦斯含量：

3 结语

本文基于煤矿瓦斯含量直接测定法中井下钻孔瓦斯解析法研究不同暴露时间对瓦斯损失量的影响，通过室内试验，控制暴露时间（0、1、2、3 min），测定瓦斯解吸量并分析损失量受控制时间的影响，提出了瓦斯损失量的推算修正公式。

通过实验数据及分析得到以下结果：（1）暴露时间越长，煤样累计解吸量越少，初始解析速率越小，瓦斯损失量越大；（2）随暴露时间的增加，损失量误差先减小后增大，且暴露时间为2 min时误差最小。为煤矿瓦斯含量测定提供一定参考。

综上所述，在采用直接测定法测定煤矿瓦斯含量过程中，需控制暴露时间在2 min左右，同时采用瓦斯损失量的推算修正公式，也是一个提高煤矿瓦斯含量测定准确性的有效途径。