恒压条件井下煤样瓦斯解吸规律研究

孙 星 于宝种

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司五矿，山西 045000；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 454003)

1 前言

煤层瓦斯含量是矿井进行区域瓦斯治理的最重要的指标之一。准确测定井下煤层瓦斯含量依据标准《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T 23250—2009)执行。井下煤层瓦斯含量的测定方法为施工钻孔将煤壁剥落的煤样装入煤样罐中并进行现场解吸，通过现场解吸量推算瓦斯损失量，最后经地面脱气(或者地面自然解吸并计算不可解吸量)获得煤层瓦斯含量。在实际测定过程中标准给出了指导意见，但瓦斯损失量计算、取样方法对测定煤层瓦斯含量的影响并不明确。本文针对这几个问题做进一步探讨。

2 瓦斯含量测定中损失瓦斯量的计算分析

表1 新景矿1号煤样现场测定解吸数据记录(暴露时间为2min)

续表

井下所采集煤样的解吸过程为等压解吸过程，利用不同的推算公式进行计算，可得到煤样暴露时间内的瓦斯损失量。

煤粒从煤壁剥落后，瓦斯的涌出符合扩散规律，巴雷尔通过将定压条件下天然沸石对气体的吸附规律进行研究，获得了瓦斯累计解吸量计算方法即巴雷尔式。煤屑瓦斯解吸时根据煤样开始暴露一段时间内瓦斯解吸量与煤样暴露时间成直线关系确定：

(1)

当煤样暴露时间为2min时，煤样装罐后不同解吸时间与解吸量的关系如图1所示。

图1 不同的解吸时间对推算瓦斯损失量的影响

表2 利用法在不同解吸时间内的推算损失量影响因素

图2 不同的暴露时间对推算瓦斯损失量的影响

表3 利用法在不同暴露时间内的推算损失量影响因素

2.2 幂函数法(乌斯季诺夫式)

qt=q0×(1+t)-n

(2)

式中：qt为t时间的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0为t=0时间的瓦斯解吸速度，cm3/min；t为瓦斯解吸时间， min；n为瓦斯解吸速度衰减系数，0

煤样的瓦斯损失量计算公式为：

(3)

2.2.1 利用幂函数法推算损失量计算过程中煤样解吸时间的影响因素分析

幂函数法推算瓦斯损失量为乌斯季诺夫在实测数据的统计分析基础上得出，本文利用幂函数法对新景井下实测解吸数据进行拟合，得到不同的解吸时间的瓦斯初始解吸速率，进而求得在暴露时间2min内的瓦斯损失量(表4)。

图3 不同的解吸时间对瓦斯损失量的推算影响

解吸时间损失量推算公式Q0n损失量误差分析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—

煤样的解吸速率随着解吸时间的延长逐渐变小，利用幂函数法拟合不同解吸时间的解吸速率，当总解吸时间较短时，通过拟合推算的初始时刻瓦斯解吸速度很小，但解吸速度衰减系数也小，根据此解吸时间计算的瓦斯损失也较其他为小。因此，当解吸时间最长为30min时推算的瓦斯损失量较其他总解吸时间为8min、12min、16min及25min时推算的损失量误差为7%、6.6%、5.6%和2%。因此，总解吸时间为30min时，利用幂函数法推算的瓦斯损失量值可认为是损失量的准确值。

2.2.2 利用幂函数法推算损失量过程中煤样暴露时间的影响因素分析

煤样的暴露时间也是影响瓦斯损失量推算的重要因素，利用幂函数法对新景井下所取1号煤样进行损失瓦斯量推算，当煤样暴露时间计2min、3min、5min及10min时根据实测数据拟合的瓦斯解吸曲线(解吸时间为30min)如图4所示。

图4 不同的暴露时间对瓦斯损失量的推算影响

暴露时间损失量推算公式Q0n损失量/cm3现场解吸量/cm3总解吸量/cm3误差分析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—

利用幂函数拟合解吸量数据时，煤样暴露的时间越长，所推算的瓦斯损失量越大，但这是可能是长时间的煤样暴露时间所贡献得结果，要比较暴露时间对损失量推算的影响，可分析在煤样暴露时间与解吸时间的总时间(t+t0=32min)内的总瓦斯解吸量。当暴露时间为2min时煤样的总解吸量最大，暴露时间达到10min时，计算的总瓦斯解吸量较2min时误差达到14%，因此，针对新景1号煤样利用幂函数法推算瓦斯损失量时应取暴露时间为2min(表5)。

通过不同的计算方法对新景1号煤样瓦斯损失量的推算分析如表6所示。

表6 利用不同方法对瓦斯损失量的推算分析

3 不同取样方式的瓦斯含量测定结果分析

目前测定瓦斯含量的取样方式主要有岩心管取样、孔口接粉取样及深孔定点取样等三种方式，由于煤矿井下利用岩心管取样所用时间较长，一般在30min以上，导致煤样暴露的时间过长，其损失量的推算误差较大，本文主要比较了井下孔口接粉及利用深孔定点取样装置所取煤样的测值。比较如表7及图5所示(取样共6组)。

表7 利用不同取样方法获得瓦斯含量

图5 利用不同取样方法获得瓦斯含量比较

目前存在的三种取样方式中地勘期间测定的瓦斯含量采用岩心管取样，由于取样时间太长，导致在煤样提升时瓦斯解吸耗散，现场解吸煤样时经常无法解吸出瓦斯，由此瓦斯含量测值偏小。而井下孔口接粉采样时由于钻杆在钻进时对煤壁的绕动，致使煤样的混样现象严重，深部无法测得准确的瓦斯含量值。在采集煤样过程中利用定点取样装置取样可以很好的解决这些问题，定点取样优势如下：

(1)定点取样，由定点取样装置负压引射的原理可知，煤样采集时从中空的钻杆内流出，无其他地点的煤样混样，取样地点精确，真正实现了煤样的定点采集。

(2)快速取样，相较岩心管取样实现了井下快速准确取样，在所有煤样的采集过程中所有煤样均实现10min内采集完毕，最快速的煤样采集时间压缩在1.5min，满足了瓦斯损失量推算的需要。

(3)提高了测定瓦斯含量的准确性，值得提出的是定点取样测定的瓦斯含量值并非一定比孔口接粉取样的测定值大，2-2号及3-1号煤样测得的瓦斯含量就是孔口接粉测值为大，但是混样的存在导致瓦斯含量测值不准确，利用深孔定点取样装置测得的瓦斯含量能更准确的反应煤层内不同深度的瓦斯赋存情况，更精准的进行防灾减灾工作。

4 结论

(2)利用幂函数法对新景1号煤样进行瓦斯损失量的推算，获得了针对1号煤样的准确损失量推算值即当暴露时间为2min，解吸时间为30min时，推算的瓦斯损失量为93.54cm3；

(4)通过不同的取样方法的分析可知采用深孔定点取样方式采集煤样测定瓦斯含量具有定点、快速及测值准确的优点，值得推广。

5 讨论