恒壓條件井下煤樣瓦斯解吸規(guī)律研究

孫 星 于寶種

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦，山西 045000；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 454003)

1 前言

煤層瓦斯含量是礦井進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理的最重要的指標(biāo)之一。準(zhǔn)確測定井下煤層瓦斯含量依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T 23250—2009)執(zhí)行。井下煤層瓦斯含量的測定方法為施工鉆孔將煤壁剝落的煤樣裝入煤樣罐中并進(jìn)行現(xiàn)場解吸，通過現(xiàn)場解吸量推算瓦斯損失量，最后經(jīng)地面脫氣(或者地面自然解吸并計(jì)算不可解吸量)獲得煤層瓦斯含量。在實(shí)際測定過程中標(biāo)準(zhǔn)給出了指導(dǎo)意見，但瓦斯損失量計(jì)算、取樣方法對測定煤層瓦斯含量的影響并不明確。本文針對這幾個(gè)問題做進(jìn)一步探討。

2 瓦斯含量測定中損失瓦斯量的計(jì)算分析

表1 新景礦1號煤樣現(xiàn)場測定解吸數(shù)據(jù)記錄(暴露時(shí)間為2min)

續(xù)表

井下所采集煤樣的解吸過程為等壓解吸過程，利用不同的推算公式進(jìn)行計(jì)算，可得到煤樣暴露時(shí)間內(nèi)的瓦斯損失量。

煤粒從煤壁剝落后，瓦斯的涌出符合擴(kuò)散規(guī)律，巴雷爾通過將定壓條件下天然沸石對氣體的吸附規(guī)律進(jìn)行研究，獲得了瓦斯累計(jì)解吸量計(jì)算方法即巴雷爾式。煤屑瓦斯解吸時(shí)根據(jù)煤樣開始暴露一段時(shí)間內(nèi)瓦斯解吸量與煤樣暴露時(shí)間成直線關(guān)系確定：

(1)

當(dāng)煤樣暴露時(shí)間為2min時(shí)，煤樣裝罐后不同解吸時(shí)間與解吸量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同的解吸時(shí)間對推算瓦斯損失量的影響

表2 利用法在不同解吸時(shí)間內(nèi)的推算損失量影響因素

圖2 不同的暴露時(shí)間對推算瓦斯損失量的影響

表3 利用法在不同暴露時(shí)間內(nèi)的推算損失量影響因素

2.2 冪函數(shù)法(烏斯季諾夫式)

qt=q0×(1+t)-n

(2)

式中：qt為t時(shí)間的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0為t=0時(shí)間的瓦斯解吸速度，cm3/min；t為瓦斯解吸時(shí)間， min；n為瓦斯解吸速度衰減系數(shù)，0

煤樣的瓦斯損失量計(jì)算公式為：

(3)

2.2.1 利用冪函數(shù)法推算損失量計(jì)算過程中煤樣解吸時(shí)間的影響因素分析

冪函數(shù)法推算瓦斯損失量為烏斯季諾夫在實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上得出，本文利用冪函數(shù)法對新景井下實(shí)測解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同的解吸時(shí)間的瓦斯初始解吸速率，進(jìn)而求得在暴露時(shí)間2min內(nèi)的瓦斯損失量(表4)。

圖3 不同的解吸時(shí)間對瓦斯損失量的推算影響

解吸時(shí)間損失量推算公式Q0n損失量誤差分析8miny=46.27?(1+x)-0.1046.270.1086.937%12miny=46.78?(1+x)-0.1146.780.1187.336.6%16miny=47.77?(1+x)-0.1247.770.1288.255.6%25miny=51.03?(1+x)-0.1751.030.1791.532%30miny=52.93?(1+x)-0.1952.930.1993.54—

煤樣的解吸速率隨著解吸時(shí)間的延長逐漸變小，利用冪函數(shù)法擬合不同解吸時(shí)間的解吸速率，當(dāng)總解吸時(shí)間較短時(shí)，通過擬合推算的初始時(shí)刻瓦斯解吸速度很小，但解吸速度衰減系數(shù)也小，根據(jù)此解吸時(shí)間計(jì)算的瓦斯損失也較其他為小。因此，當(dāng)解吸時(shí)間最長為30min時(shí)推算的瓦斯損失量較其他總解吸時(shí)間為8min、12min、16min及25min時(shí)推算的損失量誤差為7%、6.6%、5.6%和2%。因此，總解吸時(shí)間為30min時(shí)，利用冪函數(shù)法推算的瓦斯損失量值可認(rèn)為是損失量的準(zhǔn)確值。

2.2.2 利用冪函數(shù)法推算損失量過程中煤樣暴露時(shí)間的影響因素分析

煤樣的暴露時(shí)間也是影響瓦斯損失量推算的重要因素，利用冪函數(shù)法對新景井下所取1號煤樣進(jìn)行損失瓦斯量推算，當(dāng)煤樣暴露時(shí)間計(jì)2min、3min、5min及10min時(shí)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合的瓦斯解吸曲線(解吸時(shí)間為30min)如圖4所示。

圖4 不同的暴露時(shí)間對瓦斯損失量的推算影響

暴露時(shí)間損失量推算公式Q0n損失量/cm3現(xiàn)場解吸量/cm3總解吸量/cm3誤差分析10miny=38.11?(1+x)-0.1938.110.19279.36403.05682.4114%5miny=46.15?(1+x)-0.1946.150.19187.24580.16767.403.6%3miny=48.64?(1+x)-0.1848.640.18125.70657.98783.671.5%2miny=52.93?(1+x)-0.1952.930.1993.54702.43795.97—

利用冪函數(shù)擬合解吸量數(shù)據(jù)時(shí)，煤樣暴露的時(shí)間越長，所推算的瓦斯損失量越大，但這是可能是長時(shí)間的煤樣暴露時(shí)間所貢獻(xiàn)得結(jié)果，要比較暴露時(shí)間對損失量推算的影響，可分析在煤樣暴露時(shí)間與解吸時(shí)間的總時(shí)間(t+t0=32min)內(nèi)的總瓦斯解吸量。當(dāng)暴露時(shí)間為2min時(shí)煤樣的總解吸量最大，暴露時(shí)間達(dá)到10min時(shí)，計(jì)算的總瓦斯解吸量較2min時(shí)誤差達(dá)到14%，因此，針對新景1號煤樣利用冪函數(shù)法推算瓦斯損失量時(shí)應(yīng)取暴露時(shí)間為2min(表5)。

通過不同的計(jì)算方法對新景1號煤樣瓦斯損失量的推算分析如表6所示。

表6 利用不同方法對瓦斯損失量的推算分析

3 不同取樣方式的瓦斯含量測定結(jié)果分析

目前測定瓦斯含量的取樣方式主要有巖心管取樣、孔口接粉取樣及深孔定點(diǎn)取樣等三種方式，由于煤礦井下利用巖心管取樣所用時(shí)間較長，一般在30min以上，導(dǎo)致煤樣暴露的時(shí)間過長，其損失量的推算誤差較大，本文主要比較了井下孔口接粉及利用深孔定點(diǎn)取樣裝置所取煤樣的測值。比較如表7及圖5所示(取樣共6組)。

表7 利用不同取樣方法獲得瓦斯含量

圖5 利用不同取樣方法獲得瓦斯含量比較

目前存在的三種取樣方式中地勘期間測定的瓦斯含量采用巖心管取樣，由于取樣時(shí)間太長，導(dǎo)致在煤樣提升時(shí)瓦斯解吸耗散，現(xiàn)場解吸煤樣時(shí)經(jīng)常無法解吸出瓦斯，由此瓦斯含量測值偏小。而井下孔口接粉采樣時(shí)由于鉆桿在鉆進(jìn)時(shí)對煤壁的繞動(dòng)，致使煤樣的混樣現(xiàn)象嚴(yán)重，深部無法測得準(zhǔn)確的瓦斯含量值。在采集煤樣過程中利用定點(diǎn)取樣裝置取樣可以很好的解決這些問題，定點(diǎn)取樣優(yōu)勢如下：

(1)定點(diǎn)取樣，由定點(diǎn)取樣裝置負(fù)壓引射的原理可知，煤樣采集時(shí)從中空的鉆桿內(nèi)流出，無其他地點(diǎn)的煤樣混樣，取樣地點(diǎn)精確，真正實(shí)現(xiàn)了煤樣的定點(diǎn)采集。

(2)快速取樣，相較巖心管取樣實(shí)現(xiàn)了井下快速準(zhǔn)確取樣，在所有煤樣的采集過程中所有煤樣均實(shí)現(xiàn)10min內(nèi)采集完畢，最快速的煤樣采集時(shí)間壓縮在1.5min，滿足了瓦斯損失量推算的需要。

(3)提高了測定瓦斯含量的準(zhǔn)確性，值得提出的是定點(diǎn)取樣測定的瓦斯含量值并非一定比孔口接粉取樣的測定值大，2-2號及3-1號煤樣測得的瓦斯含量就是孔口接粉測值為大，但是混樣的存在導(dǎo)致瓦斯含量測值不準(zhǔn)確，利用深孔定點(diǎn)取樣裝置測得的瓦斯含量能更準(zhǔn)確的反應(yīng)煤層內(nèi)不同深度的瓦斯賦存情況，更精準(zhǔn)的進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作。

4 結(jié)論

(2)利用冪函數(shù)法對新景1號煤樣進(jìn)行瓦斯損失量的推算，獲得了針對1號煤樣的準(zhǔn)確損失量推算值即當(dāng)暴露時(shí)間為2min，解吸時(shí)間為30min時(shí)，推算的瓦斯損失量為93.54cm3；

(4)通過不同的取樣方法的分析可知采用深孔定點(diǎn)取樣方式采集煤樣測定瓦斯含量具有定點(diǎn)、快速及測值準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。

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