瓦斯突出参数测定仪升级优化及现场对比考察应用*

朱天辉 张玉柱 谢安福 李文彬 蒋鹏飞

(1.贵州发耳煤业有限公司 贵州六盘水 553017； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039)

0 引言

钻屑瓦斯解吸指标K1值作为煤与瓦斯突出危险性和瓦斯抽采达标评判的重要依据[1-3]，在煤矿生产中广泛应用。赵旭生等[4]通过现场跟踪试验，发现测定装置的气密性、钻屑暴露时间、人员操作对K1值的测定产生较大的影响；史广山等[5]通过理论分析确定钻屑粒度、瓦斯压力等对K1值测定的影响；邵军[6]针对K1值的测定进行了大量实验室试验，并利用多元回归的方法得出K1值与煤层瓦斯压力之间的关系。目前，现场K1值测定主要通过WTC型瓦斯突出参数测定仪，但该装置体积较大且密封性能不可靠，测定过程受环境温度影响较大，测量精度有限。因此，进一步提高K1值的测量精度、优化装置的可靠性及便捷式，对于煤矿生产有较大的实用意义。

1 钻屑瓦斯解吸指标K1值理论分析

K1的物理意义：单位质量的煤样暴露在空气中1 min内所累积的瓦斯解吸量，cm3/(g·min1/2)。由巴雷尔公式可知：

(1)

式中，Qt为单位质量煤样暴露时间t内的瓦斯解吸量，cm3/g；t为暴露时间，min；K1为钻屑瓦斯解吸指标。

考虑打钻取样测定煤样瓦斯解吸量时，测量前有一损失量W，则：

(2)

tj=t0+t1j

(3)

式中，Qtj为实测的第i点累计瓦斯解吸量，cm3/g；tj为从煤样暴露时刻起到第j个测量点的时间，min；t0为测量前煤样的暴露时间，min；t1j为开始测量时刻到第j个测量点的时间，min；j=1,2,…，n。

依据数据组(Qtj,tj)，通过最小二乘法可得：

(4)

WTC型瓦斯突出参数测定仪通过定容测压法测定瓦斯解吸量Qtj，假设测量容器内气体温度恒定，根据理想气体方程可得：

Qtj=a△Pj+b

(5)

式中，a，b均为实验室标定系数；△Pj为第j个测量点气体压力与大气压之差。

结合式(4)—式(5)可得K1值，且K1值与Qtj、△Pj均呈线性关系，即：1.1△Pj→1.1Qtj→1.1K1。因此，为提高K1值测定的精度，需要进一步提高瓦斯解吸压力的测量精度。

2 瓦斯突出参数测定仪升级优化

2.1 结构优化

WTC型瓦斯突出参数测定仪采用煤样罐与主机分离式设计，测定过程中煤样罐与主机间采用胶皮管连接，增加了现场人员的操作难度，同时有仪器漏气的可能，且仪器零部件较多、便携性差。为了解决此类问题，提出煤样罐与主机一体化的设计思路，以减小仪器重量和体积，增加仪器测定过程的可靠性。

通过模块化设计，将温度传感器、压力传感器、处理器、蓝牙模块等植入优化后的主机中，并通过蓝牙技术与手机APP进行终端操作，以简化现场测定程序，避免仪器连接中可能造成的漏气；基于无线宽带技术，利用井下无线通讯基站将现场测定的K1值数据实时传输到地面监控中心，以实现井下突出预测参数的信息化管理。

通过实验室材料对比，选用耐腐蚀、高绝缘性的聚四氟乙烯作为主机材料，优化后仪器重632.5 g，相对减轻77.5%，从而减轻井下人员的劳动强度，瓦斯突出参数测定仪优化前后对比见图1。

(a)优化前 (b)优化后

2.2 测量精度优化

K1值的测定实质是瓦斯解吸规律的测定，煤矿井下多用容量法测定瓦斯解吸压力来反算解吸量，结合理论分析可知，瓦斯解吸压力的测量精度直接影响K1值测定的精度。为了提高K1值测定精度，将优化后的仪器选用新型的压力传感器，通过实验室压力校核，使测定误差由±1.5%F·S(0～10 kPa)控制到±1%F·S(6 895 Pa)，压力相对误差降低了81 Pa，大大提高了解吸压力的测定精度。

国内相关学者[7-9]认为：当煤层温度与巷道风流温度不同时，风流的温度变化在一定程度上影响着钻屑的瓦斯解吸量。为了进一步提高解吸压力的测定精度，减小温度变化对仪器测定瓦斯压力的影响，针对仪器外观进行风流测试，确定为扁平隔缘凸台设计，该设计能够使风流沿仪器向上绕流，减小钻屑解吸气体受到温度变化的影响，如图2所示；针对仪器主机材质进行导热率测试，选用导热率为0.24 W/m·k的聚四氟乙烯代替导热率为80 W/m·k的铸铁，进一步减小环境温度对仪器内气体温度的影响。

图2 巷道风流仪器绕流示意

通过对压力测定精度、风流温度、材质导热率3个方面进一步优化，较大程度上减小了环境因素对K1值测定的影响，以保证K1值测定结果的可靠性。

3 现场工业性试验

3.1 工作面概况

贵州发耳煤业有限公司(简称“发耳煤矿”)为典型的煤与瓦斯突出矿井，其工作面、掘进头均采用K1值作为突出预测指标，本次现场对比考察试验选在313204回采工作面，走向长900 m，倾向宽135 m，煤层赋存稳定，无构造影响，平均煤厚2.5 m，最大瓦斯压力1.28 MPa。

3.2 现场试验对比考察

根据发耳煤矿313204回采工作面实际情况确定校检钻孔每隔10 m一个，共布置13个，校检钻孔采用煤电钻施工，孔深均为10 m，钻孔布置示意图如图3所示。

图3 钻孔布置示意(单位：m)

现场K1值对比考察选用优化前和优化后的仪器同时测定，测定时间相同，并由2名熟练的技术人员操作仪器，以消除人员对结果的影响因素。优化前和优化后仪器测的K1值如图4所示。

由图4可以看出，优化前与优化后仪器所测定K1值变化趋势基本相符，优化后仪器所测定K1值普遍高于优化前仪器所测定K1值，且优化后仪器所测定K1值精度平均提高12.59%，大大提升了K1值测定的精度，保证了突出预测的可靠性。

4 结论

(1)提出结构一体化的设计思路，并通过风流测试，确定扁平隔缘凸台的结构，使风流沿仪器向上绕流，降低钻屑解吸气体受巷道风流温度变化的影响；同时选用聚四氟乙烯作为主机材料，使得优化后仪器较优化前重量减轻77.5%，并进一步降低环境温度对仪器内气体温度的影响。

(2)优化后的仪器采用测定误差±1%F·S(6 895 Pa)的压力传感器，使得压力相对误差降低了81 Pa，提高了仪器的测量灵敏度，保证了仪器的测量精度。

(3)通过现场试验对比考察，在相同时间、相同条件下，优化后仪器所测定的K1值普遍高于优化前仪器所测定的K1值，且精度平均提高了12.59%，保证了突出预测的准确性。