安豐華，袁 宇，陳向軍，3

（1．河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2．煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作454000；3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

煤層瓦斯含量測(cè)定方法可分為間接法和直接法。間接法多通過(guò)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(cè)定周期長(zhǎng)、測(cè)試條件要求嚴(yán)格、準(zhǔn)確測(cè)壓困難，因此難以大量推廣。直接測(cè)定瓦斯含量方法將煤中瓦斯分為現(xiàn)場(chǎng)解吸量、前期取樣瓦斯逸散推算量及實(shí)驗(yàn)室測(cè)定殘存瓦斯量3 部分，在地勘鉆孔、井下鉆孔測(cè)定中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于瓦斯含量直接測(cè)定方法，煤樣暴露階段解吸瓦斯損失量計(jì)算的不準(zhǔn)確性是影響其應(yīng)用的關(guān)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(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。為提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，諸多學(xué)者從改進(jìn)取樣裝置[5-6]、定點(diǎn)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(guò)連續(xù)加熱解吸[11]、直接粉碎解吸[12]、確立解吸特征參數(shù)值與瓦斯含量關(guān)系[8,13-14]等方法來(lái)縮短測(cè)試周期、減少測(cè)試流程，提高瓦斯含量測(cè)定效率。目前快速測(cè)定方法多以煤樣解吸規(guī)律推算瓦斯含量，其中解吸動(dòng)力學(xué)模型的確定對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大，還需要更多研究來(lái)保障快速測(cè)定方法的高效、準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)瓦斯解吸規(guī)律研究，提出利用解吸率確定瓦斯含量，無(wú)需選取解吸模型和測(cè)定殘存瓦斯量，可作為礦井快速測(cè)定煤層瓦斯含量的選用方法。

1 煤屑瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

分別從淮南潘一東礦11 號(hào)煤層、淮北祁南煤礦7 號(hào)煤層采集20 kg 煤樣。篩選出1～3 mm 粒徑煤樣作為解吸實(shí)驗(yàn)煤樣，0.2～0.25 mm 粒徑煤樣作為吸附性能測(cè)試煤樣，0.2 mm 以下粒徑煤樣作為工業(yè)分析煤樣。采用高壓容量法測(cè)定了潘一東礦11 號(hào)煤層、祁南煤礦7 號(hào)煤層吸附常數(shù)，采用加熱稱量方法進(jìn)行了煤的工業(yè)分析，采用比重瓶、蠟封法測(cè)定了煤的真、假密度，煤樣基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

1.2 解吸測(cè)定實(shí)驗(yàn)

稱取一定質(zhì)量1～3 mm 粒徑的煤樣放入煤樣罐中，進(jìn)行檢漏后對(duì)煤樣罐進(jìn)行抽真空。抽真空8 h 以上時(shí)間之后，煤樣罐充入甲烷氣體，沖入氣體壓力為預(yù)定平衡壓力。然后置于30℃恒溫水浴中平衡，在煤樣進(jìn)行吸附罐內(nèi)壓力下降過(guò)程中，不斷補(bǔ)充甲烷至預(yù)定平衡壓力。當(dāng)煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力48 h 時(shí)間內(nèi)變化不超過(guò)0.05 MPa 時(shí)，認(rèn)為達(dá)到吸附平衡。然后進(jìn)行解吸測(cè)試，采用排水集氣法測(cè)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(hào)煤、祁南煤礦7 號(hào)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(zhǎng)。瓦斯吸附壓力對(duì)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(shè)煤粒為各向同性的均質(zhì)球形顆粒，由菲克擴(kuò)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(shí)刻時(shí)煤粒的瓦斯擴(kuò)散量，mL/g；Q∞為煤粒極限瓦斯擴(kuò)散量，mL/g；r0為煤粒半徑，cm；D 為擴(kuò)散系數(shù)，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(jì)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(kuò)散系數(shù)、解吸時(shí)間、煤樣粒徑有關(guān)。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(shí)間有關(guān)，不受煤中原始瓦斯含量大小影響。根據(jù)式（1）～式（3），可以對(duì)不同瓦斯壓力下煤中瓦斯解吸率變化進(jìn)行分析。

2.2 解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，潘一東礦11 號(hào)煤和祁南煤礦7 號(hào)煤不同瓦斯平衡壓力下瓦斯解吸率隨時(shí)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(shì)，但是在取樣、解吸通常所需的1~2 h 內(nèi)瓦斯解吸率差異在10%以內(nèi)，且煤樣解吸時(shí)間越短瓦斯解吸率差異越小。

造成解吸率隨時(shí)間產(chǎn)生差異的原因在于理論分析中認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)為常量，而瓦斯壓力、解吸時(shí)間都會(huì)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生影響。前期研究已表明瓦斯解吸具有時(shí)變性[9,16]，隨解吸時(shí)間增加，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)變擴(kuò)散系數(shù)解吸模型[17]，若擴(kuò)散系數(shù)D依賴于時(shí)間t，則解吸率隨時(shí)間變化規(guī)律可簡(jiǎn)化為：

給定y 值，隨時(shí)間變化的擴(kuò)散系數(shù)D 計(jì)算如下：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（5）、式（6），可求得變擴(kuò)散系數(shù)D。潘一東礦11 號(hào)煤和祁南煤礦7 號(hào)煤不同瓦斯平衡壓力下瓦斯擴(kuò)散系數(shù)如圖3。由圖3 可以看到，隨解吸時(shí)間增加擴(kuò)散系數(shù)皆呈降低趨勢(shì)，且在解吸初期變化較大。在不同吸附平衡壓力下，盡管擴(kuò)散系數(shù)大小及變化趨勢(shì)相近，但是瓦斯平衡壓力依然對(duì)擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)瓦斯解吸率產(chǎn)生影響。隨解吸進(jìn)行，瓦斯壓力造成的擴(kuò)散系數(shù)差異導(dǎo)致的瓦斯解吸率偏離愈加顯著。為消除此因素產(chǎn)生的誤差，新方法取樣及現(xiàn)場(chǎng)解吸時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。

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(kuò)散系數(shù)

3 新的瓦斯含量測(cè)定方法及應(yīng)用

3.1 新瓦斯含量測(cè)定方法

在需要測(cè)定煤層瓦斯含量的地點(diǎn)進(jìn)行鉆孔取樣，在鉆孔鉆至煤層時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，稱重后裝入帶有壓力表的煤樣罐中，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試，記錄現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試開(kāi)始進(jìn)行時(shí)的時(shí)間為t1，開(kāi)始瓦斯解吸測(cè)定后，記錄時(shí)間點(diǎn)t2，同時(shí)記錄t1至t2時(shí)間段內(nèi)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(jìn)行吸附平衡，記錄平衡壓力為p1，然后打開(kāi)煤樣罐測(cè)定并記錄在t1、t2時(shí)刻煤樣的瓦斯解吸量QJ1、QJ2。

根據(jù)瓦斯含量方程式（3）可計(jì)算煤樣在吸附平衡壓力p1下煤層瓦斯含量Qp1和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0下煤層瓦斯含量Qp0，進(jìn)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(guò)下式可計(jì)算瓦斯壓力p1下，開(kāi)始解吸時(shí)間t1及終止解吸時(shí)間t2時(shí)刻解吸率增加值n1-2為：

根據(jù)不同瓦斯壓力下煤樣解吸率與時(shí)間關(guān)系在初期接近一致的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果，可取現(xiàn)場(chǎng)解吸煤樣在t1至t2時(shí)刻解吸率變化值為n1-2。則現(xiàn)場(chǎng)解吸煤樣的瓦斯含量Q 可通過(guò)下式計(jì)算：

所得瓦斯含量值即為取樣地點(diǎn)煤層瓦斯含量。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

祁南煤礦位于宿南向斜西南轉(zhuǎn)折端，煤層賦存條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(chǔ)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)定，開(kāi)始解吸時(shí)間為5 min，終止解吸時(shí)間為30 min，祁南煤礦716 底板巷現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室瓦斯解吸曲線如圖4。將煤樣罐帶入實(shí)驗(yàn)室，充入瓦斯，并進(jìn)行吸附平衡。在吸附平衡時(shí)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(kāi)煤樣罐進(jìn)行瓦斯解吸，利用解吸量筒測(cè)定5～30 min 解吸數(shù)據(jù)。

圖4 祁南煤礦716 底板巷現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)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(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)取樣2 次，利用煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法測(cè)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(jié) 論

1）不同吸附平衡壓力下，煤中瓦斯擴(kuò)散系數(shù)值及變化相近，在解吸初期對(duì)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(diǎn)，提出新的煤層瓦斯含量確定方法，不需選用解吸模型，并節(jié)省了殘存瓦斯含量測(cè)試過(guò)程。

3）在相同地點(diǎn)，分別利用新瓦斯含量測(cè)定方法與井下煤層瓦斯含量直接測(cè)定法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，表明新方法具有工程應(yīng)用可行性。