煤層瓦斯損失量計(jì)算方法探討及其實(shí)踐*

崔福田，魏 強(qiáng)*，馮文青，石從秋，劉士言，童家穎

（1.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州234000；2.國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州234000）

煤層瓦斯含量是煤層瓦斯研究的重要參數(shù)，是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)、礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)參數(shù)。然而，在瓦斯解吸過(guò)程中，即使瓦斯測(cè)定人員操作無(wú)誤，瓦斯損失量依然很難精確得出[1]。關(guān)于瓦斯損失量數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算方法，張向陽(yáng)[2]等通過(guò)對(duì)法、冪函數(shù)法和井下瓦斯解吸損失量快速推算法三種方法進(jìn)行比較分析，得出結(jié)果法是計(jì)算瓦斯損失量的最優(yōu)方法。周侃[3]等采用回歸分析的方法對(duì)實(shí)測(cè)瓦斯解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)模型、二次模型、三次模型和線性模型都能較好地?cái)M合瓦斯解吸數(shù)據(jù)，但是只有二次模型的計(jì)算結(jié)果能夠較好地符合瓦斯解吸的規(guī)律性。

以往的研究及提出的方法都是關(guān)于瓦斯損失量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)計(jì)算方法，或基于數(shù)學(xué)模型的建立，來(lái)提高瓦斯損失量的計(jì)算精確度。然而，瓦斯損失量的誤差更多存在于瓦斯解吸過(guò)程中。在用解吸法測(cè)定瓦斯含量中損失量的計(jì)算有國(guó)標(biāo)法和泥漿法兩種。國(guó)標(biāo)法是直接現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行收集數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)定瓦斯量，以鉆孔煤樣提至鉆孔深度的一半為瓦斯解吸點(diǎn)；而泥漿法是測(cè)出煤樣被提升至煤層瓦斯壓力與泥漿壓力平衡的時(shí)間，用此時(shí)間點(diǎn)作為煤樣開(kāi)始暴露的時(shí)間，以此來(lái)求瓦斯損失量。通過(guò)國(guó)標(biāo)法和泥漿法的對(duì)比，得出計(jì)算瓦斯損失量更為恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑥亩鵀榛茨厦簩託赓Y源評(píng)估與勘探開(kāi)發(fā)提供了重要的理論依據(jù)[4]。

1 瓦斯解吸法

當(dāng)煤體中游離瓦斯和吸附瓦斯不平衡時(shí)，吸附于煤體中的瓦斯開(kāi)始解吸，直至達(dá)到新的平衡[2]。煤體解吸過(guò)程中，利用普通煤芯管鉆取煤芯，當(dāng)煤芯管提出孔口，用封閉罐采取含瓦斯的煤樣，根據(jù)煤樣的暴露時(shí)間計(jì)算采樣過(guò)程中的瓦斯損失量。將封閉罐送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)而測(cè)煤芯中的瓦斯量。

2 損失量的計(jì)算方法

2.1 國(guó)標(biāo)法

國(guó)標(biāo)法比較直接，以鉆孔煤樣提至鉆孔深度的一半為瓦斯解吸點(diǎn)來(lái)計(jì)算瓦斯解吸量。假設(shè)鉆機(jī)提取樣品的速度為勻速，取提鉆時(shí)間的一半為樣品在孔內(nèi)的暴露時(shí)間，則將煤樣至井口到裝罐前的時(shí)間之和為樣品暴露總時(shí)間，加上樣品的現(xiàn)場(chǎng)解吸累積時(shí)間即可得煤樣的解吸時(shí)間點(diǎn)[5]。國(guó)標(biāo)法具有操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前普遍采用的瓦斯含量測(cè)定方法。但直接測(cè)定法瓦斯損失量Vs是一個(gè)估計(jì)值，精度受暴露時(shí)間影響較大[6]。

式中：Voi-暴露時(shí)間t0內(nèi)的瓦斯解吸量；Vs-暴露時(shí)間t0內(nèi)的瓦斯損失量；K-待定系數(shù)；t0-暴露時(shí)間。

圖解法是以換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積Voi為縱坐標(biāo)，以解吸時(shí)間的平方根為橫坐標(biāo)[7]，將全部測(cè)點(diǎn)繪在坐標(biāo)紙上，測(cè)點(diǎn)的直線關(guān)系線的截距的絕對(duì)值即為瓦斯損失量。

2.2 泥漿法

國(guó)標(biāo)法是以煤樣被提升到鉆孔深度的一半作為瓦斯解吸點(diǎn)，來(lái)計(jì)算瓦斯解吸量，而不考慮樣品在瓦斯和泥漿壓力下的狀況[5]。而泥漿法則考慮了瓦斯壓力與泥漿壓力的平衡狀況（見(jiàn)圖1）。

圖1 國(guó)標(biāo)法與泥漿法示意圖

根據(jù)對(duì)煤芯瓦斯解吸機(jī)理的分析，煤樣被提升至煤層瓦斯壓力和泥漿壓力平衡的時(shí)間作為煤樣的初始暴露時(shí)間，與實(shí)際的暴露時(shí)間相吻合（此時(shí)解吸時(shí)間為零，解吸量也為零）。基于此認(rèn)識(shí)，只需根據(jù)煤層瓦斯壓力（P瓦）換算與之相等的泥漿壓力所處的深度（ρ泥），然后依據(jù)鉆機(jī)平均提升速度，可推算出煤樣由此深度到達(dá)孔口的時(shí)間，即煤樣在孔內(nèi)的暴露時(shí)間[7]，以此用于暴露總時(shí)間的計(jì)算。因?yàn)榛茨厦禾镢@機(jī)介質(zhì)為泥漿，計(jì)算使用泥漿的密度，假設(shè)鉆機(jī)提升速度為勻速，則煤樣在孔內(nèi)的暴露時(shí)間為：

式中：P瓦-煤層瓦斯壓力（Pa）；ρ泥-泥漿密度，1.1×103kg/m3；t1-煤樣在孔內(nèi)暴露時(shí)間（min）；t-提鉆時(shí)間（min）；h-孔深（m）。

3 瓦斯損失量測(cè)定實(shí)驗(yàn)及分析

分別采集13-1和11-2煤層樣品。采樣方法為，待鉆孔煤樣提至井口打開(kāi)取煤裝置后，立即將煤樣裝至罐內(nèi)，最后展開(kāi)對(duì)煤樣的含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)。

3.1 數(shù)據(jù)處理

以瓦斯解吸量的解吸量Voi作為縱坐標(biāo)，以解吸時(shí)間的平方根為橫坐標(biāo)，將現(xiàn)場(chǎng)解吸的解吸量點(diǎn)標(biāo)注在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙上[8]。將開(kāi)始解吸一段時(shí)間內(nèi)并呈線性關(guān)系較好的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行連線，得出函數(shù)方程，求出瓦斯損失量。

基于13-1煤層瓦斯解吸量?jī)煞N方法對(duì)比圖顯示（見(jiàn)圖2），解吸時(shí)間與瓦斯解吸量Voi呈一次函數(shù)關(guān)系，瓦斯損失量即在縱軸上的截距，得出國(guó)標(biāo)法瓦斯損失量Vs1=73.07ml，同樣泥漿法瓦斯損失量Vs2=67.31ml。同樣基于11-2煤層瓦斯解吸量?jī)煞N方法對(duì)比圖（見(jiàn)圖3），得出國(guó)標(biāo)法瓦斯損失量Vs3=176.58ml，泥漿法中瓦斯損失量Vs4=157.82ml。

圖2 13-1煤層瓦斯解吸量?jī)煞N方法對(duì)比圖

圖3 11-2煤層瓦斯解吸量?jī)煞N方法對(duì)比圖

3.2 瓦斯損失量對(duì)比分析

以13-1煤層為代表，國(guó)標(biāo)法暴露點(diǎn)時(shí)間t1為31min，泥漿法暴露點(diǎn)總時(shí)間t2為27.53min，二者時(shí)間值差3.47min，則相對(duì)時(shí)間誤差為12.60%，國(guó)標(biāo)法和泥漿法瓦斯損失量分別為Vs1=73.07ml，Vs2=67.31ml，損失量相差5.76ml，相對(duì)損失量誤差為8.60%（如表1所示）。煤樣暴露時(shí)間越短，瓦斯損失量計(jì)算的結(jié)果越符合實(shí)際情況[9-10]，可見(jiàn)國(guó)標(biāo)法計(jì)算的瓦斯損失量與實(shí)際誤差較大（見(jiàn)圖4）。

表1 兩種方法瓦斯損失量對(duì)比表

以11-2煤層為代表，國(guó)標(biāo)法暴露點(diǎn)時(shí)間t3為43min，泥漿法暴露點(diǎn)總時(shí)間t4為38.32min，二者時(shí)間值差4.68min，則相對(duì)時(shí)間誤差為12.20%，國(guó)標(biāo)法和泥漿法瓦斯損失量分別為Vs3=176.58ml，Vs4=157.82ml，但損失量相差18.76ml，相對(duì)損失量誤差為3.00%（如表1所示），則國(guó)標(biāo)法計(jì)算的瓦斯損失量誤差更大（見(jiàn)圖4）。

圖4 13-1和11-2煤層解吸時(shí)間與損失量對(duì)比圖

由于瓦斯壓力和孔深的不同，國(guó)標(biāo)法和泥漿法所計(jì)算出的暴露時(shí)間不同，瓦斯損失量差值也不一樣。若煤層瓦斯壓力大且鉆孔淺時(shí)，國(guó)標(biāo)法計(jì)算的暴露時(shí)間較實(shí)際短，瓦斯損失量也比實(shí)際低；而當(dāng)瓦斯壓力小且鉆孔較深時(shí)，國(guó)標(biāo)法計(jì)算的暴露時(shí)間較實(shí)際長(zhǎng)，瓦斯損失量也比實(shí)際高。由此可見(jiàn)，根據(jù)瓦斯壓力確定瓦斯解吸時(shí)間，對(duì)于確定瓦斯損失量有著重要的意義。

4 結(jié)論

（1）恰當(dāng)?shù)慕馕鼤r(shí)間是計(jì)算瓦斯損失量的一個(gè)重要因子。泥漿法和國(guó)標(biāo)法的煤層瓦斯損失量計(jì)算結(jié)果顯示，兩者主要由于暴露時(shí)間的不同，最終獲得計(jì)算結(jié)果不同。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基于泥漿法瓦斯損失量計(jì)算方法較符合實(shí)際情況。

（2）泥漿法有效地計(jì)算了瓦斯損失量，但是因不同的區(qū)域?qū)嶋H的地質(zhì)環(huán)境有所不同，加之本文僅對(duì)泥漿法和國(guó)標(biāo)法來(lái)計(jì)算瓦斯的損失量，所以有一定的局限性。因此需要運(yùn)用更多的方法來(lái)對(duì)比驗(yàn)證，才能得出更滿(mǎn)意的結(jié)果。