張建國， 李喜員， 高建成， 于紅

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.永城煤電控股集團(tuán)有限公司，河南 永城 476600；3.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

0 引言

瓦斯含量是指煤層內(nèi)單位質(zhì)量或單位體積的煤在自然條件下所含的瓦斯量。瓦斯含量是我國礦井瓦斯等級鑒定的主要指標(biāo)之一，也是評價(jià)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性和瓦斯治理效果的主要依據(jù)，因此，準(zhǔn)確測定煤層瓦斯含量是瓦斯治理和瓦斯日常管理的重要工作。GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》規(guī)定了井下直接測定煤層瓦斯含量的采樣方法、解吸瓦斯量測定方法、損失瓦斯量補(bǔ)償方法、殘余瓦斯量測定煤層瓦斯含量的計(jì)算方法。煤礦井下煤層瓦斯含量測定要求在5 min內(nèi)完成取樣。為了得到準(zhǔn)確的瓦斯含量測值，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多年的研究。取樣方式研究主要集中在取芯法取樣和管道氣力輸送法取樣2個(gè)方面。對于取芯法的研究，文獻(xiàn)[1-2]在鉆頭附近設(shè)置內(nèi)外雙層鉆桿，外層鉆桿設(shè)置取樣腔室，正常鉆進(jìn)時(shí)腔室閉合，反轉(zhuǎn)定點(diǎn)取樣，但由于取樣室過小，該方法適合距離短、試樣需求量小的瓦斯解吸指標(biāo)取樣。文獻(xiàn)[3-4]利用壓風(fēng)活塞、液封氣取芯管取樣，解決了取樣少的問題，但存在取樣時(shí)間長，取芯管取樣時(shí)溫度、黏液影響煤樣瓦斯解吸規(guī)律等問題。管道氣力輸送法取樣的研究最早是由文獻(xiàn)[5]在1970年提出的。文獻(xiàn)[6]利用噴射器負(fù)壓取樣。文獻(xiàn)[7]借助高速空氣流流向受限空間時(shí)產(chǎn)生壓力漩渦使煤樣卷揚(yáng)取樣。文獻(xiàn)[8]提出正負(fù)壓聯(lián)合栓流定點(diǎn)取樣方法，解決了取樣時(shí)間長的問題，但取樣時(shí)需要使用整套取樣設(shè)備，操作較麻煩，且煤樣損失量推算方法不夠明確。近幾年隨著礦井采掘技術(shù)理論及裝備的發(fā)展，采掘速度快速增大，礦井目前普遍使用小范圍區(qū)域防突措施，但因施工時(shí)間與預(yù)抽期長使得較多礦井產(chǎn)生了采掘接替困難。為了解決礦井采掘接替困難問題，定向長鉆孔瓦斯治理技術(shù)得到了不斷推廣[9]，而作為定向長鉆孔瓦斯治理技術(shù)重要組成部分的定向長鉆孔瓦斯含量測定按照現(xiàn)行的瓦斯含量測定法標(biāo)準(zhǔn)及取樣方式施工，因?yàn)槿由疃冗^深(約幾百米)和非直線鉆進(jìn)等因素，則會面臨采樣時(shí)間無法滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間和瓦斯含量測值不準(zhǔn)確等問題[10-11]。因此，定向長鉆孔瓦斯含量采樣時(shí)間長成為亟待解決的問題[12-15]。

針對該問題，以河南平煤十一礦己16-17-24070工作面為研究背景，筆者提出了采用類比法推算取樣過程瓦斯損失量和常壓瓦斯解吸量的方法，在相同地質(zhì)條件和瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，將普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)淺孔風(fēng)排粉取樣瓦斯含量測定結(jié)果中的損失量和現(xiàn)場瓦斯解吸量占總瓦斯含量的比例作為標(biāo)準(zhǔn)，類比為千米定向鉆孔深孔定點(diǎn)取樣損失量和現(xiàn)場解吸量占總瓦斯含量的比例，將類比的損失量和現(xiàn)場解吸量所占的比例加入最終所測定的殘余瓦斯含量中，得到千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣總瓦斯含量，以此解決千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣由于取樣時(shí)間過長而造成的常壓下瓦斯不解吸的問題。該方法可避免取樣過程對取樣時(shí)間和裝備要求較高的問題，實(shí)現(xiàn)了定向長鉆孔瓦斯含量的精準(zhǔn)測定。

1 試驗(yàn)工作面取樣設(shè)計(jì)

平煤十一礦己16-17-24070工作面位于礦井二水平己四采區(qū)東翼五區(qū)段，東起己二采區(qū)邊界，西至己四采區(qū)膠帶下山處，工作面南、北為原生煤層，與其他采掘工作面不存在壓茬關(guān)系。工作面標(biāo)高為-750～-820 m，地面標(biāo)高為148～210 m。工作面設(shè)計(jì)傾斜長度為260 m，走向長度為1 700 m。工作面范圍內(nèi)己16-17煤層傾角為9°，平均厚度約為5.42 m，煤厚較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。煤層直接頂為1.5～3.1 m厚的泥巖，局部地點(diǎn)為砂質(zhì)泥巖，基本頂為9.00～21.70 m厚的砂質(zhì)泥巖夾薄層條帶細(xì)沙巖，直接底板為5.0～8.0 m厚的泥巖和砂質(zhì)泥巖，基本底為2.00～12.00 m厚的L2灰?guī)r。

平煤十一礦在采用千米定向鉆孔對未采區(qū)域進(jìn)行煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)[16-18]，井下定向鉆孔深孔取樣采用密閉保壓取芯工藝[19-20]，但從井下多次取樣結(jié)果可知：由于取樣時(shí)間過長，取芯鉆桿溫度過高，密閉不嚴(yán)，保壓效果差，現(xiàn)場無解吸量。針對這一問題，通過類比法對定向長鉆孔瓦斯含量測定值進(jìn)行修正，以準(zhǔn)確測定取樣地點(diǎn)煤層瓦斯含量。

該次瓦斯含量測定范圍是未采工作面己16-17-24070工作面的機(jī)巷及回采區(qū)域，定向長鉆孔施工地點(diǎn)為己16-17-24070工作面的回風(fēng)巷，設(shè)計(jì)27個(gè)深孔取樣點(diǎn)，如圖1所示，取樣參數(shù)見表1。

圖1 定向鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖及取樣點(diǎn)位置

表1 取樣鉆孔參數(shù)

根據(jù)地勘資料及臨近已采工作面煤層揭露情況和瓦斯參數(shù)測定結(jié)果，結(jié)合己四采區(qū)與己二采區(qū)西翼己16-17煤層底板等高線來看，預(yù)計(jì)己16-17-24070工作面圈定區(qū)域內(nèi)瓦斯含量為2.0～4.5 m3/t，瓦斯壓力為0.15～0.5 MPa。

2 長鉆孔瓦斯含量測試研究

2.1 井下定向長鉆孔瓦斯含量測定

己16-17-24070工作面瓦斯含量測定采用千米定向鉆機(jī)打鉆，井下直接測定瓦斯含量法測定。由于千米定向鉆機(jī)打鉆工藝及操作流程復(fù)雜，當(dāng)孔底馬達(dá)到達(dá)取樣位置時(shí)，首先需要一根根退出鉆桿，再換上定點(diǎn)取樣器，然后再連接鉆桿把定點(diǎn)取樣器送至取樣處取樣。根據(jù)最短的取樣距離在120 m左右來計(jì)算，這個(gè)流程需要約1.5 h；再開動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)取煤樣，取完煤樣后再一根根退出鉆桿，取出定點(diǎn)取樣器，這個(gè)時(shí)間段最短也需0.8 h。而由于是定點(diǎn)取樣器取樣，把煤樣從取樣器內(nèi)取出，再裝到煤樣罐的時(shí)間也需約10 min，即從鉆機(jī)鉆進(jìn)到取樣位置、把煤樣裝入煤樣罐的時(shí)間在2.4 h以上，取樣時(shí)間較長，煤樣在常壓下暴露時(shí)間在1.5 h以上，且本次取樣區(qū)域?qū)儆谕咚购枯^小區(qū)域，以至于取得煤樣在現(xiàn)場都沒有解吸量。根據(jù)現(xiàn)行瓦斯含量測定標(biāo)準(zhǔn)無法推算損失量，因此,判定本次千米定向鉆機(jī)在井下測定的瓦斯含量為煤樣在井下巷道條件下不解吸后的殘余瓦斯含量，測定結(jié)果見表2。

表2 實(shí)測殘余瓦斯含量

2.2 類比法瓦斯含量測值修正

類比法瓦斯含量測值修正是指在相同地質(zhì)條件和瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，將普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)淺孔風(fēng)排粉取樣瓦斯含量測定結(jié)果中的損失量和現(xiàn)場解吸量占總瓦斯含量的比例作為標(biāo)準(zhǔn)，類比為千米定向鉆孔深孔定點(diǎn)取樣損失量和現(xiàn)場解吸量占總瓦斯含量的比例，以此來解決千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣由于時(shí)間過長而造成的取樣裝罐后常壓下不解吸的問題，把罐中煤樣帶入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粉碎測定殘余瓦斯含量，將類比的損失量和現(xiàn)場解吸量所占的比例加入實(shí)驗(yàn)室所測定的最終殘余瓦斯含量，得出千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣總瓦斯含量。

設(shè)計(jì)在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷井下利用普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)采用風(fēng)排粉工藝取樣實(shí)測24個(gè)瓦斯含量值，將此24個(gè)煤樣瓦斯含量值測定過程中的損失量和常壓下瓦斯解吸量占總瓦斯含量的比例作為標(biāo)準(zhǔn)，類比為千米定向鉆孔深孔定點(diǎn)取樣損失量和現(xiàn)場解吸量占總瓦斯含量的比例。

選擇己16-17-24050回風(fēng)巷為類比取樣點(diǎn)，主要有2個(gè)原因：① 己16-17-24070回風(fēng)巷鋪設(shè)有膠帶，不具備施工普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)試驗(yàn)孔的條件，且己16-17-24070回風(fēng)巷即為己16-17-24050工作面的機(jī)巷，而己16-17-24050回風(fēng)巷是距己16-17-24070回風(fēng)巷距離最近的具備施工條件的揭露巷道。② 己16-17-24050工作面與己16-17-24070工作面南部毗鄰，這2個(gè)工作面之間沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，煤層厚度基本相同，同屬于一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，己16-17-24050工作面瓦斯賦存規(guī)律可用于己16-17-24070工作面規(guī)律研究。

在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷共施工8組本煤層鉆孔，取樣方式為風(fēng)排粉，每組鉆孔取3個(gè)煤樣，共測定24個(gè)瓦斯含量，每個(gè)煤樣在井下測定現(xiàn)場解吸量，井下測試至現(xiàn)場不再解吸后(且保證解吸時(shí)間不小于2 h)，升井實(shí)驗(yàn)室測試煤樣殘余瓦斯量。測定結(jié)果見表3。從表3可看出，每個(gè)煤樣瓦斯含量測定時(shí)井下均有現(xiàn)場解吸量，而煤樣常壓下解吸停止時(shí)間為0.9～1.5 h，平均停止解吸時(shí)間為1.08 h；常壓下現(xiàn)場解吸量+損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均為12.24%。此次本煤層瓦斯含量測定地點(diǎn)埋深與己16-17-24070工作面埋深相差不大，屬同一層煤，中間也沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，同屬一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，因此，本次測得常壓下現(xiàn)場解吸量+損失量之和占總瓦斯含量的比例為12.24%的規(guī)律，可用于己16-17-24070工作面千米定向鉆機(jī)瓦斯含量測定值的修正，即視本次千米定向鉆機(jī)井下直接測定殘余瓦斯含量值占測試地點(diǎn)瓦斯含量值的87.76%。

表3 己16-17-24050工作面回風(fēng)巷瓦斯含量測定值

2.3 長鉆孔瓦斯含量修正值可靠性研究

2.3.1 修正值與直接法測定對比分析

根據(jù)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)風(fēng)排粉工藝在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷測定的24個(gè)瓦斯含量值及其煤樣解吸規(guī)律，對利用千米定向鉆機(jī)定點(diǎn)取樣測得的煤層瓦斯含量測值進(jìn)行修正，即加上相同比例的取樣損失量+常壓現(xiàn)場解吸量總量(占總瓦斯含量的12.24%)，得到定向鉆孔定點(diǎn)取樣測定的煤層瓦斯含量測值，測定結(jié)果見表4。

表4 定向鉆孔定點(diǎn)取樣測定的煤層瓦斯含量測值

為驗(yàn)證由類比法修正過的瓦斯含量的可靠性，在己16-17-24070回風(fēng)巷的4個(gè)千米定向鉆機(jī)鉆場里單獨(dú)施工了4個(gè)對比含量測定鉆孔，即在每個(gè)千米鉆機(jī)鉆場內(nèi)首先利用千米定向鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)功能施工1個(gè)本煤層鉆孔，約在40 m位置利用風(fēng)排粉取樣，進(jìn)行瓦斯含量井下實(shí)測。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)排粉取樣結(jié)束后，退出鉆桿，換上定點(diǎn)取樣器，送至孔底，保證煤孔孔底常壓下等待釋放時(shí)間在1.5 h以上前提下(模擬深孔定點(diǎn)取樣時(shí)間)，進(jìn)行鉆進(jìn)取樣，然后緩慢退鉆桿(模擬深孔定點(diǎn)取樣退鉆時(shí)間)，取出煤樣進(jìn)行瓦斯含量井下實(shí)測。測試結(jié)果表明，風(fēng)排粉煤樣由于取樣時(shí)間短，井下有解吸量，可以推算取樣損失量，而模擬深孔定點(diǎn)取樣器取出煤樣因?yàn)槿訒r(shí)間長，現(xiàn)場沒有解吸。

從測試結(jié)果來看，在己16-17-24070工作面回風(fēng)巷使用千米鉆機(jī)回轉(zhuǎn)功能，利用風(fēng)排粉測定的4個(gè)瓦斯含量值，損失量+現(xiàn)場解吸量占總含量的比重為11.88%～12.38%，平均為12.14%，與在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷測定的24個(gè)本煤層瓦斯含量值規(guī)律一致，因?yàn)榧?6-17-24050工作面回風(fēng)巷測定數(shù)據(jù)更多，更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，因此，千米定向鉆機(jī)測定瓦斯含量損失量+現(xiàn)場解吸量占總含量的比重按12.24%來修正?？梢钥闯觯绻粚y值進(jìn)行修正，千米定向鉆機(jī)定點(diǎn)取樣測值均比真實(shí)值偏小，誤差為11.57%～12.62%，平均為12.07%；進(jìn)行修正后的定向鉆孔定點(diǎn)取樣所測煤層瓦斯含量測值與真實(shí)值比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均為0.19%，則此次定向鉆孔預(yù)測工作面突出危險(xiǎn)性工作所測得的瓦斯含量值以表4中瓦斯含量測值為準(zhǔn)。

2.3.2 修正值與含量預(yù)測值對比分析

十一礦己四采區(qū)已開拓布置至第五區(qū)段，目前己16-17-24050工作面切眼已經(jīng)形成并準(zhǔn)備回采，前期己四采區(qū)測定了大量的煤層原始瓦斯含量，現(xiàn)對之前測定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，以用來分析己16-17-24070工作面瓦斯含量分布規(guī)律。選用己16-17-24070工作面附近的己16-17-22201工作面機(jī)巷、己16-17-24030工作面機(jī)巷、己16-17-24050工作面機(jī)巷和己16-17-24080工作面回風(fēng)巷瓦斯含量測值共27個(gè)(表5)，用于分析預(yù)測己16-17-24070工作面瓦斯含量的分布規(guī)律。

根據(jù)表5所測得的瓦斯含量測值進(jìn)行線性回歸，得到己16-17煤層四采區(qū)瓦斯含量分布規(guī)律，計(jì)算公式為

表5 己16-17煤層部分瓦斯含量測定值

W=0.009H-4.21

(1)

式中：W為瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋深，m。

通過式(1)計(jì)算得出的瓦斯含量與千米定向鉆機(jī)測得的殘余瓦斯含量和類比法修正后的瓦斯含量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表6。從表6可看出，此次千米鉆機(jī)取樣測得的瓦斯含量(殘余瓦斯含量)值如不進(jìn)行修正，與預(yù)測含量值誤差在8.18%～16.44%，平均誤差為12.90%，且所有測值均小于預(yù)測值；經(jīng)過損失量與現(xiàn)場解吸量的修正后，與預(yù)測值誤差為-4.63%～4.78%，誤差明顯變小，且更符合己四采區(qū)瓦斯含量分布規(guī)律。

表6 千米定向鉆孔瓦斯測定值與預(yù)測含量值比較

3 結(jié)論

針對在煤礦井下現(xiàn)場應(yīng)用千米定向鉆機(jī)取樣測量瓦斯含量時(shí)，現(xiàn)場無解吸量，無法推算取樣損失量問題，通過類比法對千米定向鉆孔取樣瓦斯含量測值進(jìn)行修正。

(1)在同一瓦斯地質(zhì)單位、瓦斯埋深相近區(qū)域進(jìn)行井下直接測定煤層瓦斯含量，分析取樣損失量+現(xiàn)場常壓瓦斯含量解吸量規(guī)律，將該規(guī)律應(yīng)用于千米定向鉆孔取樣瓦斯含量測值修正。

(2)對平煤十一礦己16-17-24050工作面回風(fēng)巷共施工8組本煤層鉆孔，常壓下現(xiàn)場解吸量+損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均為12.24%。

(3)通過井下2種取樣方式對比和區(qū)域瓦斯含量預(yù)測法對比，對修正后的千米定向鉆孔瓦斯含量測值可靠性進(jìn)行分析可知，運(yùn)用類比法修正過的長鉆孔瓦斯含量測值與短鉆孔直接法測定瓦斯含量測值對比，平均誤差由12.07%降至0.19%，運(yùn)用類比法修正過的長鉆孔瓦斯含量測值與含量預(yù)測值對比，平均誤差由12.90%降至4.71%。通過類比法對瓦斯含量進(jìn)行修正可滿足千米定向鉆機(jī)瓦斯含量測定要求，修正后的含量測值準(zhǔn)確可靠。