仵勝利，解永青

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

煤層瓦斯含量是指煤層內(nèi)單位重量或單位體積的煤在自然條件下所含的瓦斯量[1-3]。要有效地治理煤礦瓦斯，首先必須準(zhǔn)確測(cè)量煤層瓦斯含量，推算出煤層瓦斯涌出量大小，才能為礦井瓦斯預(yù)測(cè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-6]。因此，煤礦通過開展煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定，了解井下各開采煤層的瓦斯參數(shù)分布規(guī)律，對(duì)于煤礦合理制定瓦斯防治措施具有重要意義。

1 測(cè)定裝置簡(jiǎn)介

1.1 DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置

DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置是實(shí)驗(yàn)室結(jié)合井下使用的成套測(cè)定設(shè)備。由井下測(cè)定裝置和地面測(cè)定裝置組成，分為井下取芯與井下解析系統(tǒng)、地面瓦斯解析系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、煤樣粉碎解析系統(tǒng)、水分測(cè)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.2 工作原理

煤層瓦斯含量分為：瓦斯損失量W1、常壓瓦斯解析量W2、粉碎瓦斯解析量W3和殘存瓦斯量WC[7-11]。試驗(yàn)工作原理是向煤層施工取芯鉆孔，用井下取芯系統(tǒng)將煤芯從煤層深部取出，及時(shí)封入煤樣筒中；在井下進(jìn)行煤樣瓦斯解吸速度測(cè)定以及損失時(shí)間的記錄，依據(jù)解吸規(guī)律進(jìn)行瓦斯損失量W1的計(jì)算；把裝有煤樣的煤樣筒帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行常壓解吸，測(cè)量從煤樣筒中釋放出的瓦斯量W21與井下測(cè)量的瓦斯解吸量W22，計(jì)算煤芯瓦斯解吸量W2；稱量煤樣總重后稱取二次煤樣進(jìn)行常壓粉碎解吸，并以此計(jì)算粉碎瓦斯解吸量W3；可解吸瓦斯含量Wa為：Wa=W1+W2+W3，采用朗格繆爾公式計(jì)算殘存瓦斯量W，可得出煤層瓦斯含量W=Wa+WC。

2 瓦斯含量測(cè)定流程

2.1 井下解吸試驗(yàn)

試驗(yàn)器材準(zhǔn)備：入井前準(zhǔn)備好煤樣罐、解吸儀、空盒氣壓計(jì)、秒表等試驗(yàn)儀器，并對(duì)煤樣罐、解吸儀進(jìn)行氣密性測(cè)定，保證氣密性良好。

解吸具體實(shí)施步驟：到達(dá)采樣地點(diǎn)，首先在瓦斯解吸儀內(nèi)充入冷水，放置在采樣地點(diǎn)附近靜置，保證水溫與井下環(huán)境溫度相近。取樣鉆孔全程采用風(fēng)力排渣進(jìn)行施工，當(dāng)鉆孔施工到40～45 m時(shí)，記錄停鉆時(shí)間，開始取樣并記錄取樣開始時(shí)間，煤樣裝滿后記錄取樣結(jié)束時(shí)間并擰緊閥門和煤樣罐罐蓋，放置在清水池中檢查煤樣罐氣密性，經(jīng)檢查氣密性良好后，開始進(jìn)行井下解吸試驗(yàn)并記錄開始解吸時(shí)間。

解吸時(shí)數(shù)據(jù)記錄：開始進(jìn)行解吸試驗(yàn)時(shí)，記錄井下溫度、氣壓以及解吸儀初始刻度值，然后每分鐘記錄一次解吸儀刻度值，并記錄在解析試驗(yàn)記錄表中(見表1)，直至30 min后結(jié)束。

解吸后檢查：解吸完畢后，立即關(guān)閉閥門，將煤樣罐放置在清水中進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)漏氣，則該煤樣作廢，重新進(jìn)行取樣，如果煤樣罐氣密性良好，則將試驗(yàn)記錄和煤樣罐一同帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行地面解吸及粉碎解吸試驗(yàn)。

2.2 地面解吸試驗(yàn)

檢查量管氣密性：試驗(yàn)開始前，在DGC瓦斯含量測(cè)定儀量管內(nèi)充入甲基橙鹽溶液，檢查量管氣密性。如果在1 min內(nèi)，量管液面下降則氣密性較差，需要檢查氣密性情況；如果液面無變化，將甲基橙鹽溶液液面與量管0刻度線調(diào)平，并將煤樣罐與量管上的膠管相連接，打開煤樣罐閥門進(jìn)行地面解吸試驗(yàn)，直至5 min內(nèi)無氣泡冒出，則地面解吸試驗(yàn)結(jié)束，記錄量管的刻度值和實(shí)驗(yàn)室溫度以及大氣壓力。

表1 解析試驗(yàn)記錄表

煤樣總量稱重：打開煤樣罐，將全部煤樣倒入稱重盆內(nèi)利用電子天平進(jìn)行煤樣總量稱重，并記錄在試驗(yàn)記錄上。

2.3 粉碎解吸試驗(yàn)

篩分煤樣：將稱量過總重的煤樣進(jìn)行篩分，稱量2份粗大的顆粒放在稱重盆內(nèi)做粉碎解吸試驗(yàn)，2份煤樣均為100～200 g之間，2份煤樣的重量必須相同。將篩分出來的細(xì)小顆粒預(yù)留20 g左右，準(zhǔn)備做煤質(zhì)分析試驗(yàn)。

煤質(zhì)分析試驗(yàn)：打開粉碎研磨機(jī)上蓋，擰開粉碎料缽頂蓋，倒入第一份煤樣，擰緊頂蓋螺絲，用粉碎研磨機(jī)上的膠管連接解吸儀量管，蓋上粉碎研磨機(jī)上蓋，利用定時(shí)開關(guān)給粉碎研磨機(jī)定時(shí)5 min，打開粉碎機(jī)電源開關(guān)進(jìn)行研磨，直至1 min的粉碎解吸量小于10 mL時(shí)停止粉碎，記錄第一份煤樣粉碎解吸的瓦斯量，打開粉碎料缽，倒出粉碎后的煤粉；按照上述步驟開始第二份煤樣粉碎解吸。當(dāng)兩份煤樣之間的體積相差30%以上時(shí)，重新稱量一份等質(zhì)量的煤樣進(jìn)行粉碎解吸。

煤質(zhì)分析與數(shù)據(jù)記錄：將20 g細(xì)小顆粒的煤樣進(jìn)行煤質(zhì)分析，分析結(jié)束后，將煤的灰分、水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

2.4 灰分、水分測(cè)定試驗(yàn)

煤樣準(zhǔn)備：準(zhǔn)備粒徑在0.2 mm以下，50 g左右的煤樣。

煤質(zhì)工業(yè)分析：開啟煤質(zhì)分析儀→開啟監(jiān)控電腦→設(shè)置分析參數(shù)→開始測(cè)試→輸入試樣編號(hào)、名稱、化驗(yàn)員→選取試驗(yàn)所需的坩堝數(shù)量→儀器自動(dòng)稱量空坩堝帶蓋重→系統(tǒng)提示移去坩堝蓋(包括 0號(hào)校正坩堝，且坩堝蓋順序不能亂)→儀器自動(dòng)稱量空坩堝重→稱量完畢系統(tǒng)提示放樣(每個(gè)坩堝放樣 0.5～1.2 g，0號(hào)坩堝禁止放樣)→放樣完畢待重量數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后確認(rèn)放樣→開始試驗(yàn)分析→試驗(yàn)進(jìn)入水分測(cè)試階段→水分測(cè)試完成進(jìn)入第二階段測(cè)試揮發(fā)分測(cè)試階段→打開爐蓋加坩堝蓋→按照順序蓋好坩堝蓋→高溫爐開始加熱，溫度穩(wěn)定為7 min→打開高溫爐蓋(小心燙手)進(jìn)行冷卻→冷卻到 250 ℃蓋上高溫爐蓋→系統(tǒng)分析揮發(fā)分結(jié)束后打開爐蓋，去除坩堝蓋(包括 0號(hào)坩堝)→蓋好高溫爐蓋→進(jìn)入灰分測(cè)試階段→坩堝質(zhì)量變化不超過設(shè)定精度時(shí)灰分測(cè)試結(jié)束→記錄水分、灰分、揮發(fā)分?jǐn)?shù)值→關(guān)閉高溫爐電源→關(guān)閉監(jiān)測(cè)電腦→打開爐蓋散熱→煤質(zhì)工業(yè)分析試驗(yàn)結(jié)束。

2.5 瓦斯含量計(jì)算

基本數(shù)據(jù)錄入：添加煤樣編號(hào)，并錄入礦井名稱，取樣地點(diǎn)，選擇原始含量測(cè)定或殘余含量測(cè)定，輸入取樣時(shí)間、井下大氣壓力、地面大氣壓力、井下環(huán)境溫度、實(shí)驗(yàn)室溫度等信息，輸入取樣深度、取樣人員等信息，見表2。

表2 基本信息記錄表

Wa值計(jì)算：①在損失瓦斯含量W1計(jì)算選項(xiàng)欄選擇煤樣編號(hào)，并選擇對(duì)應(yīng)的煤樣破壞類型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)5類，輸入打鉆結(jié)束時(shí)間、開始取芯時(shí)間、取芯結(jié)束時(shí)間、開始解吸時(shí)間，輸入井下解吸時(shí)量管初始刻度、開始解吸時(shí)間以及每分鐘解吸對(duì)應(yīng)的瓦斯總量，計(jì)算出瓦斯損失量；②進(jìn)入常壓解吸瓦斯含量W2計(jì)算，填入井下瓦斯解吸量，地面瓦斯解吸量，計(jì)算出常壓瓦斯解吸含量；③粉碎解吸瓦斯含量W3計(jì)算，填寫2份粉碎煤樣的重量和粉碎解吸瓦斯量，計(jì)算粉碎解吸瓦斯含量，最后進(jìn)行可解吸瓦斯含量Wa計(jì)算。

壓力計(jì)算：在信息欄內(nèi)填入a值和b值，煤的孔隙度、視密度(由于開采同一煤層，a、b值、煤的孔隙度及視密度使用原測(cè)定數(shù)據(jù))、煤層溫度、灰分、水分等試驗(yàn)測(cè)定值并計(jì)算，計(jì)算出壓力值P，殘余瓦斯含量Wc，原始瓦斯含量W，保存計(jì)算數(shù)據(jù)。

全部數(shù)據(jù)打印后由礦總工程師審核簽字，并蓋章存檔。

3 試驗(yàn)注意事項(xiàng)及問題優(yōu)化

3.1 注意事項(xiàng)

人員配備：為保證井下解吸試驗(yàn)正常進(jìn)行，井下試驗(yàn)部分必須配備2名以上試驗(yàn)人員，一人負(fù)責(zé)取樣，一人負(fù)責(zé)記錄時(shí)間，保證取樣時(shí)間精確；解吸時(shí)一人記錄時(shí)間，一人讀取刻度值，保證每分鐘的解吸量讀數(shù)及時(shí)。

氣壓計(jì)：入井之前將空盒氣壓計(jì)與地面大氣壓進(jìn)行比較，避免空盒氣壓計(jì)顯示的壓力、溫度與地面實(shí)際的壓力、溫度存在較大誤差，造成損失量計(jì)算出現(xiàn)誤差。

取樣：避免取樣煤體受采動(dòng)影響而產(chǎn)生裂隙，最終影響瓦斯含量，取樣人員取樣深度一般以40～60 m為最佳。

煤樣罐檢查：地面必須進(jìn)行煤樣罐氣密性檢查。氣密性檢查時(shí)，拆掉罐口密封圈，在密封圈及密封圈卡槽內(nèi)涂抹真空硅脂，并將罐口及罐蓋內(nèi)的煤渣清理干凈，擰緊罐蓋，充入壓力為0.4 MPa左右的氮?dú)饣蚩諝?，然后放置在水槽?nèi)靜置。如果罐口及閥門處無冒泡現(xiàn)象，則氣密性良好；氣密性不良好的煤樣罐會(huì)導(dǎo)致井下解吸量減小，造成損失量計(jì)算值降低，導(dǎo)致瓦斯含量測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果偏小。

檢查解吸儀：井下解吸時(shí)，解吸儀內(nèi)嚴(yán)禁充入設(shè)備冷卻水，設(shè)備冷卻水水溫較高，會(huì)導(dǎo)致氣體體積膨脹，造成試驗(yàn)結(jié)果偏大；捂住解吸儀出水口，對(duì)解吸儀進(jìn)行吹氣，查看解吸儀底部放水閥門是否漏水，如果漏水則擰緊底部放水閥門。

記錄：井下解吸必須準(zhǔn)確記錄解吸儀量管初始刻度，為了保證試驗(yàn)讀數(shù)準(zhǔn)確無誤，一般初始為0，若初始刻度不為0，填寫解析記錄表中井下解析量時(shí)必須減去量管初始體積，減少試驗(yàn)誤差。

排渣：取樣時(shí)嚴(yán)禁采用水力排渣。水力排出的鉆渣表面會(huì)形成一層水膜，降低瓦斯解吸速度，造成損失量計(jì)算值出現(xiàn)誤差；水力排渣會(huì)導(dǎo)致鉆渣水分含量升高，煤質(zhì)分析時(shí)煤樣含水量高于煤層原始含水量，計(jì)算時(shí)會(huì)造成瓦斯含量降低。

記錄各試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)：井下解吸試驗(yàn)必須精準(zhǔn)記錄停鉆時(shí)間、開始取樣時(shí)間、取樣結(jié)束時(shí)間和開始解吸時(shí)間，減小試驗(yàn)計(jì)算誤差。

3.2 存在的問題及其優(yōu)化

目前煤層瓦斯含量測(cè)定多采用孔口接煤的取心方式，由于煤樣受壓風(fēng)與暴露時(shí)間長(zhǎng)等問題影響而導(dǎo)致?lián)p失氣量估算不準(zhǔn)，且孔深越深，問題越突出，最終影響試驗(yàn)結(jié)果。近期，行業(yè)內(nèi)最新研發(fā)了密閉取芯裝置，可以保證煤心在鉆割后、退鉆、自然解吸全程被密閉，減少損失氣量估算環(huán)節(jié)，大幅提高瓦斯含量測(cè)試精度。

密閉取心裝置主要構(gòu)件有外套筒、取心鉆頭、聯(lián)動(dòng)裝置、取心內(nèi)筒等，如圖1所示。外套筒直徑100 mm，長(zhǎng)1 360 mm；鉆頭外徑108 mm、內(nèi)徑38 mm；取心內(nèi)筒內(nèi)徑40 mm、筒長(zhǎng)560 mm。

圖2 密閉取心測(cè)試工藝流程

密閉取心測(cè)試工藝流程，包括鉆孔施工、取心鉆進(jìn)及投球等步驟，如圖2所示。應(yīng)用該技術(shù)可以提高瓦斯含量測(cè)試精度20%以上，使測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)際。同時(shí)由于減少了損失氣量估算環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化瓦斯含量測(cè)試技術(shù)流程，提高了測(cè)試效率，更便于現(xiàn)場(chǎng)工程人員實(shí)踐應(yīng)用。

4 結(jié)語

煤層瓦斯含量的測(cè)定與應(yīng)用是煤礦進(jìn)行瓦斯防治的基礎(chǔ)工作，選擇合理的方法快速準(zhǔn)確地測(cè)定煤層瓦斯含量是實(shí)行精準(zhǔn)抽采的必要條件。通過合理的測(cè)定方法，了解井下各開采煤層的瓦斯參數(shù)分布規(guī)律，可以為煤礦合理地制定瓦斯防治措施提供一定參考。