煤层瓦斯损失量计算方法探讨及其实践*

2021-12-11崔福田冯文青石从秋刘士言童家颖

科技创新与应用 2021年36期

崔福田，魏强*，冯文青，石从秋，刘士言，童家颖

（1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州234000；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，安徽宿州234000）

煤层瓦斯含量是煤层瓦斯研究的重要参数，是矿井通风设计、煤与瓦斯突出预测、矿井瓦斯涌出量预测等基础参数。然而，在瓦斯解吸过程中，即使瓦斯测定人员操作无误，瓦斯损失量依然很难精确得出[1]。关于瓦斯损失量数据数学计算方法，张向阳[2]等通过对法、幂函数法和井下瓦斯解吸损失量快速推算法三种方法进行比较分析，得出结果法是计算瓦斯损失量的最优方法。周侃[3]等采用回归分析的方法对实测瓦斯解吸数据进行分析，发现对数模型、二次模型、三次模型和线性模型都能较好地拟合瓦斯解吸数据，但是只有二次模型的计算结果能够较好地符合瓦斯解吸的规律性。

以往的研究及提出的方法都是关于瓦斯损失量的数据处理和数学计算方法，或基于数学模型的建立，来提高瓦斯损失量的计算精确度。然而，瓦斯损失量的误差更多存在于瓦斯解吸过程中。在用解吸法测定瓦斯含量中损失量的计算有国标法和泥浆法两种。国标法是直接现场进行收集数据来测定瓦斯量，以钻孔煤样提至钻孔深度的一半为瓦斯解吸点；而泥浆法是测出煤样被提升至煤层瓦斯压力与泥浆压力平衡的时间，用此时间点作为煤样开始暴露的时间，以此来求瓦斯损失量。通过国标法和泥浆法的对比，得出计算瓦斯损失量更为恰当的方法，从而为淮南煤层气资源评估与勘探开发提供了重要的理论依据[4]。

1 瓦斯解吸法

当煤体中游离瓦斯和吸附瓦斯不平衡时，吸附于煤体中的瓦斯开始解吸，直至达到新的平衡[2]。煤体解吸过程中，利用普通煤芯管钻取煤芯，当煤芯管提出孔口，用封闭罐采取含瓦斯的煤样，根据煤样的暴露时间计算采样过程中的瓦斯损失量。将封闭罐送至实验室进而测煤芯中的瓦斯量。

2 损失量的计算方法

2.1 国标法

国标法比较直接，以钻孔煤样提至钻孔深度的一半为瓦斯解吸点来计算瓦斯解吸量。假设钻机提取样品的速度为匀速，取提钻时间的一半为样品在孔内的暴露时间，则将煤样至井口到装罐前的时间之和为样品暴露总时间，加上样品的现场解吸累积时间即可得煤样的解吸时间点[5]。国标法具有操作简便的优点，是当前普遍采用的瓦斯含量测定方法。但直接测定法瓦斯损失量Vs是一个估计值，精度受暴露时间影响较大[6]。

式中：Voi-暴露时间t0内的瓦斯解吸量；Vs-暴露时间t0内的瓦斯损失量；K-待定系数；t0-暴露时间。

图解法是以换算到标准状态下的瓦斯体积Voi为纵坐标，以解吸时间的平方根为横坐标[7]，将全部测点绘在坐标纸上，测点的直线关系线的截距的绝对值即为瓦斯损失量。

2.2 泥浆法

国标法是以煤样被提升到钻孔深度的一半作为瓦斯解吸点，来计算瓦斯解吸量，而不考虑样品在瓦斯和泥浆压力下的状况[5]。而泥浆法则考虑了瓦斯压力与泥浆压力的平衡状况（见图1）。

图1 国标法与泥浆法示意图

根据对煤芯瓦斯解吸机理的分析，煤样被提升至煤层瓦斯压力和泥浆压力平衡的时间作为煤样的初始暴露时间，与实际的暴露时间相吻合（此时解吸时间为零，解吸量也为零）。基于此认识，只需根据煤层瓦斯压力（P瓦）换算与之相等的泥浆压力所处的深度（ρ泥），然后依据钻机平均提升速度，可推算出煤样由此深度到达孔口的时间，即煤样在孔内的暴露时间[7]，以此用于暴露总时间的计算。因为淮南煤田钻机介质为泥浆，计算使用泥浆的密度，假设钻机提升速度为匀速，则煤样在孔内的暴露时间为：

式中：P瓦-煤层瓦斯压力（Pa）；ρ泥-泥浆密度，1.1×103kg/m3；t1-煤样在孔内暴露时间（min）；t-提钻时间（min）；h-孔深（m）。

3 瓦斯损失量测定实验及分析

分别采集13-1和11-2煤层样品。采样方法为，待钻孔煤样提至井口打开取煤装置后，立即将煤样装至罐内，最后展开对煤样的含气量现场解吸实验。

3.1 数据处理

以瓦斯解吸量的解吸量Voi作为纵坐标，以解吸时间的平方根为横坐标，将现场解吸的解吸量点标注在标准坐标纸上[8]。将开始解吸一段时间内并呈线性关系较好的数据点进行连线，得出函数方程，求出瓦斯损失量。

基于13-1煤层瓦斯解吸量两种方法对比图显示（见图2），解吸时间与瓦斯解吸量Voi呈一次函数关系，瓦斯损失量即在纵轴上的截距，得出国标法瓦斯损失量Vs1=73.07ml，同样泥浆法瓦斯损失量Vs2=67.31ml。同样基于11-2煤层瓦斯解吸量两种方法对比图（见图3），得出国标法瓦斯损失量Vs3=176.58ml，泥浆法中瓦斯损失量Vs4=157.82ml。

图2 13-1煤层瓦斯解吸量两种方法对比图

图3 11-2煤层瓦斯解吸量两种方法对比图

3.2 瓦斯损失量对比分析

以13-1煤层为代表，国标法暴露点时间t1为31min，泥浆法暴露点总时间t2为27.53min，二者时间值差3.47min，则相对时间误差为12.60%，国标法和泥浆法瓦斯损失量分别为Vs1=73.07ml，Vs2=67.31ml，损失量相差5.76ml，相对损失量误差为8.60%（如表1所示）。煤样暴露时间越短，瓦斯损失量计算的结果越符合实际情况[9-10]，可见国标法计算的瓦斯损失量与实际误差较大（见图4）。

表1 两种方法瓦斯损失量对比表

以11-2煤层为代表，国标法暴露点时间t3为43min，泥浆法暴露点总时间t4为38.32min，二者时间值差4.68min，则相对时间误差为12.20%，国标法和泥浆法瓦斯损失量分别为Vs3=176.58ml，Vs4=157.82ml，但损失量相差18.76ml，相对损失量误差为3.00%（如表1所示），则国标法计算的瓦斯损失量误差更大（见图4）。

图4 13-1和11-2煤层解吸时间与损失量对比图

由于瓦斯压力和孔深的不同，国标法和泥浆法所计算出的暴露时间不同，瓦斯损失量差值也不一样。若煤层瓦斯压力大且钻孔浅时，国标法计算的暴露时间较实际短，瓦斯损失量也比实际低；而当瓦斯压力小且钻孔较深时，国标法计算的暴露时间较实际长，瓦斯损失量也比实际高。由此可见，根据瓦斯压力确定瓦斯解吸时间，对于确定瓦斯损失量有着重要的意义。