崔永杰，王兆豐，2，范道鵬

（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.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險(xiǎn)救災(zāi)教育部工程研究中心，河南焦作 454000）

煤與瓦斯突出是煤體-圍巖系統(tǒng)在采掘活動(dòng)下發(fā)生的一種礦井動(dòng)力災(zāi)害，其本質(zhì)就是能量的意外積累與釋放[1-2]。而瓦斯壓力在煤與瓦斯突出的孕育和發(fā)生過程中起著至關(guān)重要的作用[3-5]，瓦斯壓力不僅是煤層瓦斯含量計(jì)算和煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)的基本參數(shù)，也是瓦斯防治措施效果檢驗(yàn)的主要指標(biāo)[6-7]。準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力對(duì)預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性以及合理制定瓦斯防治措施等都具有非常重要的意義，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障[8]。因此，煤層瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性至關(guān)重要。正確的測(cè)壓方法是獲得準(zhǔn)確、可靠的煤層瓦斯壓力值的前提條件[9-11]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的煤層瓦斯壓力測(cè)定方法可歸納為2 大類：直接測(cè)壓法和間接測(cè)壓法[12-14]。但直接測(cè)壓法對(duì)測(cè)試地點(diǎn)的選擇和封孔質(zhì)量要求嚴(yán)格導(dǎo)致其測(cè)壓成功率較低，測(cè)試成本高且周期長(zhǎng)[15]；而間接測(cè)壓法目前主要形成了根據(jù)煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯壓力梯度、煤屑瓦斯解吸量和解吸指標(biāo)△h2等方法，以及從熱力學(xué)角度和考慮地應(yīng)力、地溫影響的煤層瓦斯壓力理論計(jì)算方法[16]，但這些方法在準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)操作、測(cè)試周期、技術(shù)要求等方面存在一定不足。綜上所述，在一些特殊情況下，直接測(cè)壓法和間接測(cè)壓法均無法準(zhǔn)確、快速地獲取煤層瓦斯壓力值，這對(duì)礦井的煤與瓦斯突出防治工作帶來極大不便?；诖耍_展了免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)可行性研究，以期為礦井煤層瓦斯壓力測(cè)定提供一種新途徑。

1 基本原理與實(shí)驗(yàn)裝備

免封孔測(cè)壓法的基本原理是基于瓦斯壓力測(cè)試煤樣由井下煤層賦存條件到裝入實(shí)驗(yàn)煤樣罐后發(fā)生3 個(gè)變化：①煤樣被揭露到裝入煤樣罐的取樣過程中，煤體瓦斯解吸導(dǎo)致瓦斯量漏失；②煤體由井下煤層圍壓條件下的致密塊狀形態(tài)裝入煤樣罐后煤體破碎膨脹變?yōu)樗缮⒌念w粒狀態(tài)，取樣前后煤樣所占據(jù)的死空間體積發(fā)生了改變；③煤樣前后2 種狀態(tài)所處環(huán)境溫度由井下煤層溫度變?yōu)閷?shí)驗(yàn)室條件溫度。

免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，針對(duì)煤樣前后發(fā)生的3 種不同變化分別進(jìn)行煤樣漏失瓦斯量補(bǔ)償，煤心體積復(fù)原以及人工模擬煤體儲(chǔ)層溫度來復(fù)原煤體賦存條件下的瓦斯壓力。具體分5個(gè)步驟進(jìn)行：①煤樣采集分為2 份，分別裝入測(cè)壓罐和解吸罐；②井下平行樣解吸測(cè)定推算測(cè)壓樣漏失瓦斯量；③測(cè)壓樣漏失瓦斯量補(bǔ)償；④測(cè)壓樣煤心體積復(fù)原；⑤儲(chǔ)層溫度下瓦斯壓力恢復(fù)。

實(shí)驗(yàn)研究該測(cè)壓技術(shù)可行性時(shí)需要首先設(shè)定1個(gè)初始吸附平衡壓力p0，然后通過壓力恢復(fù)，比較其恢復(fù)值ps與初始值p0誤差大小，以驗(yàn)證該測(cè)壓技術(shù)是否可行。

實(shí)驗(yàn)主要依托自主研發(fā)的免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀完成，該裝備主要有7 個(gè)系統(tǒng)組成，分別為：抽真空系統(tǒng)、解吸測(cè)定系統(tǒng)、常壓定量補(bǔ)氣系統(tǒng)、煤心體積復(fù)原系統(tǒng)、儲(chǔ)層環(huán)境瓦斯壓力恢復(fù)系統(tǒng)、死體積標(biāo)定系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀原理圖如圖1[17]。

圖1 免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas pressure measuring instrument for non-sealing hole coal seam

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 煤體賦存環(huán)境條件模擬

以井下打鉆壓風(fēng)取樣為例，一般采集的煤樣多為粒徑較小且多種粒徑混雜的顆粒。因此，為了使實(shí)驗(yàn)所用煤樣盡可能與現(xiàn)場(chǎng)取樣采集的煤樣顆粒大小一致，將實(shí)驗(yàn)選取的古漢山煤樣篩分至粒徑3 mm 以下，作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。在確認(rèn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備氣密性良好無誤的前提下開始實(shí)驗(yàn)。操作步驟如下：

1）實(shí)驗(yàn)前確保煤樣罐中的活塞位于最頂端位置，并將煤樣罐內(nèi)部擦拭干凈，確認(rèn)無水分殘留；然后稱取篩分好的實(shí)驗(yàn)煤樣400 g，裝入煤樣罐下部的煤樣室內(nèi)，擰好罐蓋，連接好管路。

2）將恒溫水浴盛滿水，設(shè)置30 ℃循環(huán)工作模式，打開真空泵開關(guān)，然后依次打開閥門21、閥門24 和閥門25，對(duì)煤樣室及與其連通的管路進(jìn)行抽真空，以排除由于煤樣暴露于空氣中而吸附的其他成分氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，當(dāng)負(fù)壓真空計(jì)示數(shù)為10 Pa 時(shí)，關(guān)閉真空泵開關(guān)和閥門21。

3）打開恒速恒壓泵吸液閥，將泵體吸滿水后關(guān)閉吸液閥，依次打開閥門8、閥門7、閥門14 和閥門17，然后將恒速恒壓泵設(shè)置為20 MPa 恒壓模式（以煤層埋深800 m 為例，垂直應(yīng)力為20 MPa），接著打開排液閥向活塞煤樣罐上腔液壓室注水加壓至恒速恒壓泵壓力示數(shù)為20 MPa，并持續(xù)穩(wěn)壓。

4）打開高壓甲烷氣體鋼瓶閥門，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥2至適當(dāng)刻度后打開進(jìn)氣閥2，使甲烷氣體進(jìn)入?yún)⒖脊藓箨P(guān)閉鋼瓶閥門、調(diào)壓閥2 和進(jìn)氣閥2；待壓力傳感器4 示數(shù)穩(wěn)定不變后打開閥門5，將甲烷氣體充入煤樣罐中，使其在30 ℃恒溫水浴條件下吸附平衡；當(dāng)壓力偏大或偏小時(shí)可分別進(jìn)行放氣/補(bǔ)氣操作，使吸附平衡壓力達(dá)到設(shè)定值；設(shè)置了0.10、0.31、0.53、0.74、1.00、1.50 MPa 共6 個(gè)吸附平衡壓力。6個(gè)煤樣等溫吸附曲線如圖2。

圖2 6 個(gè)煤樣等溫吸附曲線圖Fig.2 Six coal samples isotherm adsorption curves diagrams

2.2 取樣過程模擬

煤樣從賦存狀態(tài)至被采集裝入煤樣罐中經(jīng)歷3個(gè)過程：先是鉆頭接觸煤體，煤體被剝落之前地應(yīng)力卸除的同時(shí)游離瓦斯急劇釋放過程；接著為煤體被剝落掉至鉆孔內(nèi)，壓風(fēng)排渣，孔口接樣裝入煤樣罐的瓦斯逸散過程，此過程煤樣已處于常壓狀態(tài)；最后為煤樣裝罐后的井下環(huán)境常壓解吸過程。基于此，分3 個(gè)步驟模擬井下取樣過程煤樣狀態(tài)變化：

1）關(guān)閉恒速恒壓泵的排液閥，接著打開閥門19使解吸計(jì)量裝置與煤樣罐及相應(yīng)管路連通并開始計(jì)時(shí)；與此同時(shí)，打開煤樣罐上腔的排液閥9 并收集排出的液體，解吸30 s 后關(guān)閉閥門19，此氣體量為煤體被剝落過程中的瓦斯逸散量。

2）活塞煤樣罐上腔閥門9 保持打開狀態(tài)，繼續(xù)放液卸壓使活塞移動(dòng)至煤樣罐最頂端，排液閥9 不再有液體流出為止，關(guān)閉閥門9，收集的液體總量即為取樣前后煤心空間增量△V。

3）打開閥門19，繼續(xù)解吸記錄30 min，前后2部分放氣量即為取樣過程中的瓦斯漏失量與井下解吸量之和Qf，然后關(guān)閉閥門19，進(jìn)入殘余瓦斯壓力自然恢復(fù)階段。

2.3 瓦斯壓力恢復(fù)

2.3.1 常壓定量補(bǔ)氣

1）由于放氣解吸和后續(xù)的補(bǔ)氣吸附是在同一實(shí)驗(yàn)條件下（溫度、壓力）完成的，所以無需進(jìn)行不同環(huán)境條件的氣體體積轉(zhuǎn)換，前文所述的放氣量Qf即為對(duì)應(yīng)的瓦斯補(bǔ)償量Qb。但實(shí)際應(yīng)用中，需要記錄井下平行樣解吸時(shí)的大氣壓力p1，和環(huán)境溫度T1以及實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定量補(bǔ)氣時(shí)的大氣壓力p2，環(huán)境溫度T2；然后根據(jù)氣體狀態(tài)方程p1Qf/Z1=nRT1和p2Qb/Z2=nRT2（Z1、Z2分別為p1、T1和p2、T2條件下甲烷氣體的壓縮因子；n 為氣體的物質(zhì)的量，mol；R 為摩爾氣體常數(shù)，J/（mol·K）），將p1、T1條件下的放氣量Qf轉(zhuǎn)化為p2、T2條件下的補(bǔ)氣量Qb。

2）根據(jù)瓦斯補(bǔ)償量Qb和定量補(bǔ)氣的活塞容器上腔底面積S，可知位移傳感器應(yīng)移至的對(duì)應(yīng)刻度H1。①關(guān)閉閥門24，接著打開甲烷氣體鋼瓶閥門，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥2，并打開進(jìn)氣閥2 使甲烷氣體進(jìn)入?yún)⒖脊? 中，充氣結(jié)束后關(guān)閉甲烷氣體鋼瓶閥門和進(jìn)氣閥2；②打開活塞容器下端放液閥門27，接著依次打開閥門5、閥門6、閥門7、閥門14、閥門13 和閥門15，使氣體進(jìn)入活塞容器上腔推動(dòng)活塞下移至刻度H1時(shí)，立即關(guān)閉放液閥門27 和閥門5、閥門6、閥門7、閥門14 和閥門13，打開閥門16 放氣至壓力傳感器12 示數(shù)為0 后關(guān)閉（或?qū)⑴c閥門16 相連的軟管插入水中至不再有氣泡冒出為止）；③打開活塞容器下端注液閥門28，通過恒速恒壓泵向活塞容器下腔持續(xù)注液至活塞移動(dòng)到最頂端位置，關(guān)閉閥門28；④打開閥門11 和閥門25 將逸散瓦斯量Qf補(bǔ)償至煤樣罐中，關(guān)閉閥門11，完成瓦斯壓力測(cè)試煤樣的常壓定量補(bǔ)氣；⑤打開閥門24，觀察壓力傳感器18 的示數(shù)變化。由于活塞容器的容積為1 000 mL，所以當(dāng)1 次補(bǔ)氣不夠時(shí)可以重復(fù)以上操作，分多次完成氣體定量補(bǔ)償。6 個(gè)吸附平衡壓力的放氣量與補(bǔ)氣量參數(shù)見表1。

表1 6 個(gè)吸附平衡壓力的放氣量與補(bǔ)氣量參數(shù)Table 1 Parameters of outgassing and supplementing gas of six adsorption equilibrium pressures

2.3.2 煤心體積復(fù)原

前文所收集的卸壓放液體積△V 即為取樣前后2 種狀態(tài)瓦斯壓力測(cè)試煤樣的死體積增量；根據(jù)死體積增量△V 和活塞容器的上腔底面積S，可知位移傳感器應(yīng)移至的對(duì)應(yīng)刻度H2，然后打開閥門8、閥門7、閥門14、閥門13、閥門15 和活塞容器下端注液閥門28，通過恒速恒壓泵向活塞容器下端注液推動(dòng)活塞上移向煤樣罐上腔液壓室定量注液充填瓦斯壓力測(cè)試煤樣的死體積增量，持續(xù)注液至活塞移動(dòng)到最頂端位置，關(guān)閉閥門8、閥門7、閥門14、閥門13、閥門15、閥門28，完成死體積增量充填。6 個(gè)吸附平衡壓力的體積復(fù)原參數(shù)見表2。

表2 6 個(gè)吸附平衡壓力體的積復(fù)原參數(shù)Table 2 Six adsorption equilibrium pressure volume restoration parameters

2.3.3 儲(chǔ)層溫度模擬

將恒溫水浴盛滿水，保證水位淹沒煤樣罐，打開開關(guān)，設(shè)置與初始吸附平衡時(shí)一樣的溫度值（30℃），使瓦斯壓力測(cè)試煤樣在與“煤層溫度”一致的條件下再次吸附平衡，觀察壓力傳感器18 的示數(shù)變化，當(dāng)示數(shù)連續(xù)4 h 以上穩(wěn)定不變時(shí)，記錄此時(shí)的壓力示數(shù)，即為該測(cè)壓試樣的瓦斯壓力恢復(fù)值。6 個(gè)測(cè)壓試樣的瓦斯壓力恢復(fù)曲線如圖3。

圖3 6 個(gè)測(cè)壓試樣的瓦斯壓力恢復(fù)曲線Fig.3 Gas pressure recovery curves of six pressure test samples

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以0.74 MPa 測(cè)壓試樣瓦斯壓力恢復(fù)曲線為例，從解吸結(jié)束開始記錄至再次吸附平衡可分為4 個(gè)階段：①階段1：解吸結(jié)束至定量補(bǔ)償瓦斯前的殘余瓦斯壓力恢復(fù)階段；②階段2：實(shí)驗(yàn)室常壓環(huán)境瓦斯定量補(bǔ)償過程和煤心體積復(fù)原前瓦斯吸附階段；③階段3：向煤樣罐液壓室定量注液煤心體積復(fù)原階段；④階段4：瓦斯補(bǔ)償和體積復(fù)原后測(cè)壓試樣在恒溫水?。簩訙囟龋┉h(huán)境中壓力恢復(fù)階段。這4 個(gè)階段共計(jì)耗時(shí)16 h 左右，即測(cè)壓試樣壓力恢復(fù)工作一般在1 d 之內(nèi)即可完成，大大縮短了煤層瓦斯壓力的測(cè)定周期。0.74 MPa 試樣壓力恢復(fù)曲線如圖4。

圖4 0.74 MPa 試樣壓力恢復(fù)曲線Fig.4 Pressure recovery curve of sample at 0.74 MPa

由圖4 可知，6 個(gè)測(cè)壓試樣的瓦斯壓力恢復(fù)值分別為0.09、0.30、0.50、0.73、1.01、1.61 MPa。6 個(gè)瓦斯壓力恢復(fù)值與初始值相對(duì)誤差見表3。

表3 6 個(gè)瓦斯壓力恢復(fù)值與初始值相對(duì)誤差Table 3 Six relative errors between gas pressure recovery values and initial values

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差原因，可能是由于煤樣罐雖然置于恒溫水浴環(huán)境中，但測(cè)壓傳感器放置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度下，而實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度較難保持絕對(duì)恒定，因此可能造成結(jié)果略有偏差；還可能是因?yàn)槎垦a(bǔ)氣時(shí)閥門11～閥門13 段管路會(huì)殘留很小部分氣體未能補(bǔ)償至煤樣罐中導(dǎo)致的。

通過以上實(shí)驗(yàn)充分說明免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)是可行的，可以作為礦井煤層瓦斯壓力測(cè)定的一種方法；其關(guān)鍵技術(shù)主要包括漏失瓦斯量補(bǔ)償，煤心體積復(fù)原和儲(chǔ)層溫度模擬3 部分，而儲(chǔ)層溫度模擬很容易實(shí)現(xiàn)（恒溫水浴）。因此，若能保證取樣過程漏失瓦斯量推算準(zhǔn)確和煤心體積復(fù)原至儲(chǔ)層狀態(tài)即可快速、準(zhǔn)確地得到測(cè)壓地點(diǎn)的瓦斯壓力值。

4 結(jié) 論

1）6 個(gè)壓力恢復(fù)值分別為0.09、0.30、0.50、0.73、1.01、1.61 MPa；與對(duì)應(yīng)的初始吸附平衡壓力誤差分別為-0.01、-0.01、-0.03、-0.01、0.01、0.11 MPa；相對(duì)誤差分別為-10.00%、-3.23%、-5.66%、-1.35%、1.00%、7.33%。

2）免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)，測(cè)壓結(jié)果可靠且能有效降低測(cè)壓成本，大大縮短測(cè)壓周期，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

3）免封孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)不受測(cè)試地點(diǎn)和封孔工藝的限制，為煤礦原始瓦斯壓力特別是采取瓦斯治理措施后的煤層殘余瓦斯壓力的測(cè)定提供了一條快速、可靠的新途徑。