朱天輝 張玉柱 謝安福 李文彬 蔣鵬飛

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

0 引言

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值作為煤與瓦斯突出危險性和瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判的重要依據(jù)[1-3]，在煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。趙旭生等[4]通過現(xiàn)場跟蹤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，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(guān)系。目前，現(xiàn)場K1值測定主要通過WTC型瓦斯突出參數(shù)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(huán)境溫度影響較大，測量精度有限。因此，進(jìn)一步提高K1值的測量精度、優(yōu)化裝置的可靠性及便捷式，對于煤礦生產(chǎn)有較大的實(shí)用意義。

1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值理論分析

K1的物理意義：單位質(zhì)量的煤樣暴露在空氣中1 min內(nèi)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(zhì)量煤樣暴露時間t內(nèi)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(biāo)。

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(shí)測的第i點(diǎn)累計(jì)瓦斯解吸量，cm3/g；tj為從煤樣暴露時刻起到第j個測量點(diǎn)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(diǎn)的時間，min；j=1,2,…，n。

依據(jù)數(shù)據(jù)組(Qtj,tj)，通過最小二乘法可得：

(4)

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

Qtj=a△Pj+b

(5)

式中，a，b均為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定系數(shù)；△Pj為第j個測量點(diǎn)氣體壓力與大氣壓之差。

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

2 瓦斯突出參數(shù)測定儀升級優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

WTC型瓦斯突出參數(shù)測定儀采用煤樣罐與主機(jī)分離式設(shè)計(jì)，測定過程中煤樣罐與主機(jī)間采用膠皮管連接，增加了現(xiàn)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(jī)一體化的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，將溫度傳感器、壓力傳感器、處理器、藍(lán)牙模塊等植入優(yōu)化后的主機(jī)中，并通過藍(lán)牙技術(shù)與手機(jī)APP進(jìn)行終端操作，以簡化現(xiàn)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(shù)，利用井下無線通訊基站將現(xiàn)場測定的K1值數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)井下突出預(yù)測參數(shù)的信息化管理。

通過實(shí)驗(yàn)室材料對比，選用耐腐蝕、高絕緣性的聚四氟乙烯作為主機(jī)材料，優(yōu)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(qiáng)度，瓦斯突出參數(shù)測定儀優(yōu)化前后對比見圖1。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后

2.2 測量精度優(yōu)化

K1值的測定實(shí)質(zhì)是瓦斯解吸規(guī)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(jié)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(yōu)化后的儀器選用新型的壓力傳感器，通過實(shí)驗(yàn)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(nèi)相關(guān)學(xué)者[7-9]認(rèn)為：當(dāng)煤層溫度與巷道風(fēng)流溫度不同時，風(fēng)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(jìn)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(jìn)行風(fēng)流測試，確定為扁平隔緣凸臺設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠使風(fēng)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(jī)材質(zhì)進(jìn)行導(dǎo)熱率測試，選用導(dǎo)熱率為0.24 W/m·k的聚四氟乙烯代替導(dǎo)熱率為80 W/m·k的鑄鐵，進(jìn)一步減小環(huán)境溫度對儀器內(nèi)氣體溫度的影響。

圖2 巷道風(fēng)流儀器繞流示意

通過對壓力測定精度、風(fēng)流溫度、材質(zhì)導(dǎo)熱率3個方面進(jìn)一步優(yōu)化，較大程度上減小了環(huán)境因素對K1值測定的影響，以保證K1值測定結(jié)果的可靠性。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 工作面概況

貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司(簡稱“發(fā)耳煤礦”)為典型的煤與瓦斯突出礦井，其工作面、掘進(jìn)頭均采用K1值作為突出預(yù)測指標(biāo)，本次現(xiàn)場對比考察試驗(yàn)選在313204回采工作面，走向長900 m，傾向?qū)?35 m，煤層賦存穩(wěn)定，無構(gòu)造影響，平均煤厚2.5 m，最大瓦斯壓力1.28 MPa。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)對比考察

根據(jù)發(fā)耳煤礦313204回采工作面實(shí)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(xiàn)場K1值對比考察選用優(yōu)化前和優(yōu)化后的儀器同時測定，測定時間相同，并由2名熟練的技術(shù)人員操作儀器，以消除人員對結(jié)果的影響因素。優(yōu)化前和優(yōu)化后儀器測的K1值如圖4所示。

由圖4可以看出，優(yōu)化前與優(yōu)化后儀器所測定K1值變化趨勢基本相符，優(yōu)化后儀器所測定K1值普遍高于優(yōu)化前儀器所測定K1值，且優(yōu)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(yù)測的可靠性。

4 結(jié)論

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

(2)優(yōu)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(xiàn)場試驗(yàn)對比考察，在相同時間、相同條件下，優(yōu)化后儀器所測定的K1值普遍高于優(yōu)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(yù)測的準(zhǔn)確性。