瓦斯突出參數測定儀升級優化及現場對比考察應用*

朱天輝 張玉柱 謝安福 李文彬 蔣鵬飛

(1.貴州發耳煤業有限公司 貴州六盤水 553017； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039)

0 引言

鉆屑瓦斯解吸指標K1值作為煤與瓦斯突出危險性和瓦斯抽采達標評判的重要依據[1-3]，在煤礦生產中廣泛應用。趙旭生等[4]通過現場跟蹤試驗，發現測定裝置的氣密性、鉆屑暴露時間、人員操作對K1值的測定產生較大的影響；史廣山等[5]通過理論分析確定鉆屑粒度、瓦斯壓力等對K1值測定的影響；邵軍[6]針對K1值的測定進行了大量實驗室試驗，并利用多元回歸的方法得出K1值與煤層瓦斯壓力之間的關系。目前，現場K1值測定主要通過WTC型瓦斯突出參數測定儀，但該裝置體積較大且密封性能不可靠，測定過程受環境溫度影響較大，測量精度有限。因此，進一步提高K1值的測量精度、優化裝置的可靠性及便捷式，對于煤礦生產有較大的實用意義。

1 鉆屑瓦斯解吸指標K1值理論分析

K1的物理意義：單位質量的煤樣暴露在空氣中1 min內所累積的瓦斯解吸量，cm3/(g·min1/2)。由巴雷爾公式可知：

(1)

式中，Qt為單位質量煤樣暴露時間t內的瓦斯解吸量，cm3/g；t為暴露時間，min；K1為鉆屑瓦斯解吸指標。

考慮打鉆取樣測定煤樣瓦斯解吸量時，測量前有一損失量W，則：

(2)

tj=t0+t1j

(3)

式中，Qtj為實測的第i點累計瓦斯解吸量，cm3/g；tj為從煤樣暴露時刻起到第j個測量點的時間，min；t0為測量前煤樣的暴露時間，min；t1j為開始測量時刻到第j個測量點的時間，min；j=1,2,…，n。

依據數據組(Qtj,tj)，通過最小二乘法可得：

(4)

WTC型瓦斯突出參數測定儀通過定容測壓法測定瓦斯解吸量Qtj，假設測量容器內氣體溫度恒定，根據理想氣體方程可得：

Qtj=a△Pj+b

(5)

式中，a，b均為實驗室標定系數；△Pj為第j個測量點氣體壓力與大氣壓之差。

結合式(4)—式(5)可得K1值，且K1值與Qtj、△Pj均呈線性關系，即：1.1△Pj→1.1Qtj→1.1K1。因此，為提高K1值測定的精度，需要進一步提高瓦斯解吸壓力的測量精度。

2 瓦斯突出參數測定儀升級優化

2.1 結構優化

WTC型瓦斯突出參數測定儀采用煤樣罐與主機分離式設計，測定過程中煤樣罐與主機間采用膠皮管連接，增加了現場人員的操作難度，同時有儀器漏氣的可能，且儀器零部件較多、便攜性差。為了解決此類問題，提出煤樣罐與主機一體化的設計思路，以減小儀器重量和體積，增加儀器測定過程的可靠性。

通過模塊化設計，將溫度傳感器、壓力傳感器、處理器、藍牙模塊等植入優化后的主機中，并通過藍牙技術與手機APP進行終端操作，以簡化現場測定程序，避免儀器連接中可能造成的漏氣；基于無線寬帶技術，利用井下無線通訊基站將現場測定的K1值數據實時傳輸到地面監控中心，以實現井下突出預測參數的信息化管理。

通過實驗室材料對比，選用耐腐蝕、高絕緣性的聚四氟乙烯作為主機材料，優化后儀器重632.5 g，相對減輕77.5%，從而減輕井下人員的勞動強度，瓦斯突出參數測定儀優化前后對比見圖1。

(a)優化前 (b)優化后

2.2 測量精度優化

K1值的測定實質是瓦斯解吸規律的測定，煤礦井下多用容量法測定瓦斯解吸壓力來反算解吸量，結合理論分析可知，瓦斯解吸壓力的測量精度直接影響K1值測定的精度。為了提高K1值測定精度，將優化后的儀器選用新型的壓力傳感器，通過實驗室壓力校核，使測定誤差由±1.5%F·S(0～10 kPa)控制到±1%F·S(6 895 Pa)，壓力相對誤差降低了81 Pa，大大提高了解吸壓力的測定精度。

國內相關學者[7-9]認為：當煤層溫度與巷道風流溫度不同時，風流的溫度變化在一定程度上影響著鉆屑的瓦斯解吸量。為了進一步提高解吸壓力的測定精度，減小溫度變化對儀器測定瓦斯壓力的影響，針對儀器外觀進行風流測試，確定為扁平隔緣凸臺設計，該設計能夠使風流沿儀器向上繞流，減小鉆屑解吸氣體受到溫度變化的影響，如圖2所示；針對儀器主機材質進行導熱率測試，選用導熱率為0.24 W/m·k的聚四氟乙烯代替導熱率為80 W/m·k的鑄鐵，進一步減小環境溫度對儀器內氣體溫度的影響。

圖2 巷道風流儀器繞流示意

通過對壓力測定精度、風流溫度、材質導熱率3個方面進一步優化，較大程度上減小了環境因素對K1值測定的影響，以保證K1值測定結果的可靠性。

3 現場工業性試驗

3.1 工作面概況

貴州發耳煤業有限公司(簡稱“發耳煤礦”)為典型的煤與瓦斯突出礦井，其工作面、掘進頭均采用K1值作為突出預測指標，本次現場對比考察試驗選在313204回采工作面，走向長900 m，傾向寬135 m，煤層賦存穩定，無構造影響，平均煤厚2.5 m，最大瓦斯壓力1.28 MPa。

3.2 現場試驗對比考察

根據發耳煤礦313204回采工作面實際情況確定校檢鉆孔每隔10 m一個，共布置13個，校檢鉆孔采用煤電鉆施工，孔深均為10 m，鉆孔布置示意圖如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意(單位：m)

現場K1值對比考察選用優化前和優化后的儀器同時測定，測定時間相同，并由2名熟練的技術人員操作儀器，以消除人員對結果的影響因素。優化前和優化后儀器測的K1值如圖4所示。

由圖4可以看出，優化前與優化后儀器所測定K1值變化趨勢基本相符，優化后儀器所測定K1值普遍高于優化前儀器所測定K1值，且優化后儀器所測定K1值精度平均提高12.59%，大大提升了K1值測定的精度，保證了突出預測的可靠性。

4 結論

(1)提出結構一體化的設計思路，并通過風流測試，確定扁平隔緣凸臺的結構，使風流沿儀器向上繞流，降低鉆屑解吸氣體受巷道風流溫度變化的影響；同時選用聚四氟乙烯作為主機材料，使得優化后儀器較優化前重量減輕77.5%，并進一步降低環境溫度對儀器內氣體溫度的影響。

(2)優化后的儀器采用測定誤差±1%F·S(6 895 Pa)的壓力傳感器，使得壓力相對誤差降低了81 Pa，提高了儀器的測量靈敏度，保證了儀器的測量精度。

(3)通過現場試驗對比考察，在相同時間、相同條件下，優化后儀器所測定的K1值普遍高于優化前儀器所測定的K1值，且精度平均提高了12.59%，保證了突出預測的準確性。