基于瓦斯解吸率的煤中瓦斯含量測定新方法

安豐華，袁 宇，陳向軍，3

（1．河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作454000；2．煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作454000；3．中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083）

煤層瓦斯含量測定方法可分為間接法和直接法。間接法多通過瓦斯含量方程由瓦斯壓力推算瓦斯含量值，然而由于煤層瓦斯壓力測定周期長、測試條件要求嚴格、準確測壓困難，因此難以大量推廣。直接測定瓦斯含量方法將煤中瓦斯分為現場解吸量、前期取樣瓦斯逸散推算量及實驗室測定殘存瓦斯量3 部分，在地勘鉆孔、井下鉆孔測定中得到廣泛應用。對于瓦斯含量直接測定方法，煤樣暴露階段解吸瓦斯損失量計算的不準確性是影響其應用的關鍵[1]。研究表明，煤樣類型[2]、取樣條件[3]、推算公式的選取[4]等都會對測試結果產生影響。為提高測試結果準確性，諸多學者從改進取樣裝置[5-6]、定點取樣[7]、解吸模型[8-9]、冷凍降溫[10]等方面做了大量工作，通過連續加熱解吸[11]、直接粉碎解吸[12]、確立解吸特征參數值與瓦斯含量關系[8,13-14]等方法來縮短測試周期、減少測試流程，提高瓦斯含量測定效率。目前快速測定方法多以煤樣解吸規律推算瓦斯含量，其中解吸動力學模型的確定對測定結果影響較大，還需要更多研究來保障快速測定方法的高效、準確。通過對瓦斯解吸規律研究，提出利用解吸率確定瓦斯含量，無需選取解吸模型和測定殘存瓦斯量，可作為礦井快速測定煤層瓦斯含量的選用方法。

1 煤屑瓦斯解吸實驗

1.1 實驗煤樣基礎參數

分別從淮南潘一東礦11 號煤層、淮北祁南煤礦7 號煤層采集20 kg 煤樣。篩選出1～3 mm 粒徑煤樣作為解吸實驗煤樣，0.2～0.25 mm 粒徑煤樣作為吸附性能測試煤樣，0.2 mm 以下粒徑煤樣作為工業分析煤樣。采用高壓容量法測定了潘一東礦11 號煤層、祁南煤礦7 號煤層吸附常數，采用加熱稱量方法進行了煤的工業分析，采用比重瓶、蠟封法測定了煤的真、假密度，煤樣基礎參數見表1。

表1 煤樣基礎參數

1.2 解吸測定實驗

稱取一定質量1～3 mm 粒徑的煤樣放入煤樣罐中，進行檢漏后對煤樣罐進行抽真空。抽真空8 h 以上時間之后，煤樣罐充入甲烷氣體，沖入氣體壓力為預定平衡壓力。然后置于30℃恒溫水浴中平衡，在煤樣進行吸附罐內壓力下降過程中，不斷補充甲烷至預定平衡壓力。當煤樣罐內瓦斯壓力48 h 時間內變化不超過0.05 MPa 時，認為達到吸附平衡。然后進行解吸測試，采用排水集氣法測定煤樣0～120 min 解吸曲線，并記錄室溫和大氣壓。

圖1 不同瓦斯平衡壓力下瓦斯解吸量

潘一東礦11 號煤、祁南煤礦7 號煤不同瓦斯平衡壓力下瓦斯解吸量分別如圖1?？梢钥吹?，隨吸附平衡壓力增加瓦斯解吸量顯著增長。瓦斯吸附壓力對瓦斯解吸量有決定性影響。

2 瓦斯解吸率變化

2.1 理論分析

假設煤粒為各向同性的均質球形顆粒，由菲克擴散公式，利用分離變量法得到其解析率F 為[15]：

式中：Qt為t 時刻時煤粒的瓦斯擴散量，mL/g；Q∞為煤粒極限瓦斯擴散量，mL/g；r0為煤粒半徑，cm；D 為擴散系數，cm2/s。

極限瓦斯解吸量Q∞通?？杀硎緸樵纪咚购颗c常壓下不可解吸量之差，即：

式中：p 為瓦斯平衡壓力，MPa；p0為大氣壓，取0.1 MPa。

不同平衡壓力下煤中瓦斯含量可利用瓦斯含量方程計算：

式中：W 為煤中水分含量，%；A 為煤中灰分含量，%；φ 為煤孔隙率，%；ρ 為煤體積密度，g/mL。

由式（1）可看出，瓦斯解吸率F 與瓦斯擴散系數、解吸時間、煤樣粒徑有關。在煤樣類型、粒徑、解吸溫度確定的條件下，解吸率僅與解吸時間有關，不受煤中原始瓦斯含量大小影響。根據式（1）～式（3），可以對不同瓦斯壓力下煤中瓦斯解吸率變化進行分析。

2.2 解吸實驗結果分析

由瓦斯解吸實驗結果，潘一東礦11 號煤和祁南煤礦7 號煤不同瓦斯平衡壓力下瓦斯解吸率隨時間變化分別如圖2。由圖2 可以看到，盡管平衡壓力增加后瓦斯解吸率有增大趨勢，但是在取樣、解吸通常所需的1~2 h 內瓦斯解吸率差異在10%以內，且煤樣解吸時間越短瓦斯解吸率差異越小。

造成解吸率隨時間產生差異的原因在于理論分析中認為擴散系數為常量，而瓦斯壓力、解吸時間都會對擴散系數產生影響。前期研究已表明瓦斯解吸具有時變性[9,16]，隨解吸時間增加，瓦斯擴散系數發生變化。根據變擴散系數解吸模型[17]，若擴散系數D依賴于時間t，則解吸率隨時間變化規律可簡化為：

給定y 值，隨時間變化的擴散系數D 計算如下：

將實驗數據代入式（5）、式（6），可求得變擴散系數D。潘一東礦11 號煤和祁南煤礦7 號煤不同瓦斯平衡壓力下瓦斯擴散系數如圖3。由圖3 可以看到，隨解吸時間增加擴散系數皆呈降低趨勢，且在解吸初期變化較大。在不同吸附平衡壓力下，盡管擴散系數大小及變化趨勢相近，但是瓦斯平衡壓力依然對擴散系數產生影響，進而對瓦斯解吸率產生影響。隨解吸進行，瓦斯壓力造成的擴散系數差異導致的瓦斯解吸率偏離愈加顯著。為消除此因素產生的誤差，新方法取樣及現場解吸時間不能過長。

圖2 不同瓦斯平衡壓力下瓦斯解吸率

圖3 不同瓦斯平衡壓力下瓦斯擴散系數

3 新的瓦斯含量測定方法及應用

3.1 新瓦斯含量測定方法

在需要測定煤層瓦斯含量的地點進行鉆孔取樣，在鉆孔鉆至煤層時開始計時，稱重后裝入帶有壓力表的煤樣罐中，然后進行現場解吸測試，記錄現場解吸測試開始進行時的時間為t1，開始瓦斯解吸測定后，記錄時間點t2，同時記錄t1至t2時間段內煤樣的瓦斯解吸量QJ0。

向煤樣罐中注入瓦斯，將煤樣罐放于與煤層溫度相同的恒溫水浴中進行吸附平衡，記錄平衡壓力為p1，然后打開煤樣罐測定并記錄在t1、t2時刻煤樣的瓦斯解吸量QJ1、QJ2。

根據瓦斯含量方程式（3）可計算煤樣在吸附平衡壓力p1下煤層瓦斯含量Qp1和標準大氣壓p0下煤層瓦斯含量Qp0，進而可得到吸附平衡壓力p1下可解吸瓦斯量Q∞=Qp1-Qp0。

然后，通過下式可計算瓦斯壓力p1下，開始解吸時間t1及終止解吸時間t2時刻解吸率增加值n1-2為：

根據不同瓦斯壓力下煤樣解吸率與時間關系在初期接近一致的特點及實驗室測定結果，可取現場解吸煤樣在t1至t2時刻解吸率變化值為n1-2。則現場解吸煤樣的瓦斯含量Q 可通過下式計算：

所得瓦斯含量值即為取樣地點煤層瓦斯含量。

3.2 現場應用

祁南煤礦位于宿南向斜西南轉折端，煤層賦存條件復雜，地質構造復雜。7 煤和3 煤為礦井主采煤層，煤系地層以泥巖、粉砂巖為主，煤層瓦斯具有較好的生儲蓋條件。在716 底板巷施工期間，利用底板抽采鉆孔采集7 煤煤樣。從鉆孔中接到煤屑后迅速篩選出1~3 mm 粒徑煤屑裝入解吸罐中進行現場解吸測定，開始解吸時間為5 min，終止解吸時間為30 min，祁南煤礦716 底板巷現場及實驗室瓦斯解吸曲線如圖4。將煤樣罐帶入實驗室，充入瓦斯，并進行吸附平衡。在吸附平衡時間為7 d 后，瓦斯壓力保持不變，瓦斯壓力為1.91 MPa。然后，打開煤樣罐進行瓦斯解吸，利用解吸量筒測定5～30 min 解吸數據。

圖4 祁南煤礦716 底板巷現場及實驗室瓦斯解吸曲線

由瓦斯含量式（3）可得在平衡壓力1.91 MPa 下7 煤中瓦斯含量為9.14 mL/g，大氣壓力下不可解吸瓦斯量為1.25 mL/g，則由式（7）可得5～30 min 解吸率增加值為1.10 mL/g （/9.14 mL/g -1.25 mL/g）=13.94%。由式（8）可得現場瓦斯含量為0.75 mL/g/13.94%+1.25 mL/g =6.63 mL/g。在此相同地點取樣2 次，利用煤層瓦斯含量井下直接測定方法測得瓦斯含量為6.1、7.2 mL/g，取7.2 mL/g 作為煤層瓦斯含量，則與新方法誤差率為7.9%。

4 結 論

1）不同吸附平衡壓力下，煤中瓦斯擴散系數值及變化相近，在解吸初期對瓦斯解吸率影響較小。

2）利用不同平衡壓力下瓦斯解吸初期解吸率變化小的特點，提出新的煤層瓦斯含量確定方法，不需選用解吸模型，并節省了殘存瓦斯含量測試過程。

3）在相同地點，分別利用新瓦斯含量測定方法與井下煤層瓦斯含量直接測定法進行了對比驗證，表明新方法具有工程應用可行性。