DGC 型瓦斯含量快速測定技術的應用

趙明強，張鵬沖

(1.晉能集團 一通三防部，山西 太原 030000； 2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

目前，測定瓦斯含量是高瓦斯和突出礦井在瓦斯防治方面必須進行的工作之一，其測定結果不僅是區域預測的主要依據，還是指導礦井抽采設計、判定是否抽采達標的主要依據[1]. 因此，必須保證瓦斯含量測定結果的準確性和可靠性。目前，瓦斯含量測定方法主要有間接法和直接法兩種，由于間接法測定工作量大、時間長，在實際煤層瓦斯含量測定中，多數采用直接法。因此，中煤科工集團重慶研究院研制了DGC 型瓦斯含量直接測定裝置，以快速準確地得出煤層瓦斯含量。

1 DGC測定瓦斯含量原理及測定步驟

1.1 DGC測定瓦斯含量原理

DGC瓦斯含量快速測定裝置快速測定煤層瓦斯含量的原理：通過測量和推算一定質量的煤芯在有限時間內所解吸出的所有瓦斯在標準狀況下的體積，得到單位質量煤芯解吸出的瓦斯含量，即為煤層瓦斯含量。該測定裝置將煤層的瓦斯含量分為煤樣損失瓦斯含量Q1、煤樣自然解吸量Q2、煤樣粉碎解吸量Q3、煤樣殘余瓦斯含量Q4四部分，即Q=Q1+Q2+Q3+Q4. 其中，煤樣損失瓦斯含量Q1是取煤樣過程中損失的瓦斯量；煤樣自然解吸量Q2是煤樣罐中煤樣自然解吸的瓦斯量，包括井下煤樣罐中瓦斯自然解吸量和地面實驗室自然解吸量兩部分；煤樣粉碎解吸量Q3是煤樣在粉碎過程中的瓦斯解吸量；煤樣殘余瓦斯含量Q4是在1個大氣壓下，仍在煤中不能解吸出來的瓦斯量。其中，煤樣殘余瓦斯含量Q4采用朗格繆爾公式計算得出。

1.2 測定步驟

傳統的取樣方式是通過取芯鉆孔將煤樣從煤層鉆孔中取出，并及時放入到煤樣罐中密封。通過取芯管取樣時，鉆孔施工到預定取樣位置，退出鉆桿換上取芯管取樣，取到樣后退出鉆桿。取芯過程復雜且導致煤樣暴露時間過長，難以保證煤樣取出后5 min內放入煤樣罐中。引進深孔定點取樣裝置后改變了這種現狀。

SDQ深孔快速取樣裝置采用世界先進的航天噴射和多級引射技術，實現不撤鉆桿取樣，可在5 min內實現煤層100 m或更大范圍內任意點的快速定點取樣，是目前國內能實現GB/T23250《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》“采樣時間小于5 min且定點取樣”要求并滿足《防治煤與瓦斯突出規定》、《瓦斯抽采達標暫行規定》相關規定的取樣裝備。

深孔取樣是通過深孔取樣裝置將煤樣從煤層中快速取出后迅速放入煤樣罐中密封。

深孔定點取樣裝置的打鉆過程與普通打鉆過程基本相同，使用壓風排渣，當打到所需取樣位置時，停止鉆進，關閉壓風。取下打鉆尾辮，換上取樣尾辮，再將壓風管連上取樣尾辮。以低于正常鉆進速度進行打鉆(根據現場鉆進排渣量而定，大約0.5 m/min)，這時壓風從鉆具的環形空間送到孔底，再把取樣鉆頭切削下來的煤樣經鉆具內管送到孔口，完成定點煤樣的快速采集，經篩分后迅速裝入煤樣罐。取樣時間一般為2 min，可根據需取煤樣量適當延長取樣時間。

取樣后，用井下解吸儀器測量煤樣罐中瓦斯解吸量，并以此來計算瓦斯損失量Q21；把煤樣罐帶到實驗室在地面解吸儀上測量從煤樣罐中釋放出的瓦斯量Q22，計算得到煤樣罐中瓦斯解吸量Q2；將煤樣罐中的部分煤樣經稱量系統稱重后裝入密封的粉碎系統加以粉碎，測量在粉碎過程及粉碎后一段時間所解吸出的瓦斯量(常壓下)，并以此計算粉碎瓦斯解吸量Q3；借助水分測定系統、氣體成分測定系統和數據計算系統求取可解吸瓦斯含量：瓦斯損失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3[2-3]. DGC瓦斯含量測定流程圖見圖1.

圖1 DGC瓦斯含量測定流程圖

2 現場應用

2.1 試驗地點概況

試驗地點選在陽泉某礦15202工作面，該工作面標高為+944～+1 020 m，地面標高為+944～+1 020 m，埋深305～355 m，工作面走向長1 035 m，傾向180 m，煤層平均厚度5.5 m，傾角7°～12°，煤質為瘦煤。煤層頂板為泥巖和砂質泥巖互層，底板為砂質泥巖。采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法處理采空區。

15202工作面采用順層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施，在工作面的進、回風巷施工順層鉆孔，鉆孔孔徑為120 mm，進風、回風巷鉆孔長度為100 m，中間交叉20 m，鉆孔間距為5 m，鉆孔封孔深度不小于15 m.

2.2 瓦斯含量直接測定在區域防突措施中的應用

根據《防治煤與瓦斯突出規定》的要求，15202工作面長度為180 m，大于120 m，在回采方向按照每隔30～50 m，沿工作面方向布置兩個孔測定殘余瓦斯含量進行預抽煤層瓦斯效果檢驗。15202工作面區域防突措施效果檢驗測試鉆孔布置示意圖見圖2.

區域效果檢驗采用DGC裝置測定煤層瓦斯含量，將殘余瓦斯含量小于8 m3/t作為臨界值，對預抽煤層瓦斯區域防突措施進行檢驗。經區域措施效果檢驗合格后，再經區域驗證后方可進行回采作業；經效果檢驗仍為突出危險區的，必須繼續進行或者補充實施區域防突措施，直至效果檢驗合格。經區域防突措施后，采取“鉆屑瓦斯解吸指標法”K1、S值預測工作面與瓦斯突出危險性。15202工作面效果檢驗及區域驗證的部分結果見表1.

從表1可以看出，在統計的8個單元中，瓦斯含量介于5.45～10.31 m3/t，其中超過臨界值兩次，分別是10.31 m3/t和8.92 m3/t，在采取補充防突措施后，瓦斯含量降到7.22 m3/t和6.54 m3/t.

經過效果檢驗合格后，在區域驗證時瓦斯解吸指標K1值的分布范圍在0.17～0.41 mL/(g·min1/2)，鉆屑量S分布在2.7～4 kg/m，滿足了防突的要求，表明了只要采取合理的區域措施，就能實現工作面的安全生產。

圖2 15202工作面區域防突措施效果檢驗測試鉆孔布置示意圖

地點殘余瓦斯含量/m3/t區域驗證K1/mL/g·min1/2S/kg/m補充措施后瓦斯含量/m3/t區域驗證K1/mL/g·min1/2S/kg/m單元16.870.313.2單元26.320.363.6單元35.490.222.8單元410.317.220.413.3單元55.450.243.0單元67.430.384.0單元78.926.540.362.8單元85.780.172.7

3 結 論

1) 采用 “DGC+定點取樣”的方式解決了傳統取樣不能滿足行業標準要求，取樣難度大、測量誤差大的問題，能滿足《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T 23250-2009)要求。

2) 形成了一套基于“DGC+定點取樣”測定瓦斯含量評價工作面突出危險的體系。瓦斯含量小于8 m3/t的區域，進行區域驗證時鉆屑解吸指標也小于臨界值；瓦斯含量大于8 m3/t的區域，進行補充防突措施后，進行區域驗證時鉆屑解吸指標也降到了臨界值以下。礦井采用“DGC+定點取樣”裝置，嚴格按照兩個“四位一體”措施執行，實現了回采工作面安全回采。