劉帥強(qiáng)，王兆豐,2,3，馬樹俊，代菊花，劉 勉

(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；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

煤層瓦斯含量是煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)、區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)的主要指標(biāo)[1-3]。目前，礦井煤層瓦斯含量的測(cè)定方法主要有直接法和間接法[4]。間接法由于煤層原始瓦斯壓力測(cè)定工藝復(fù)雜且周期長(zhǎng)、成功率低、成本高等原因，煤礦現(xiàn)場(chǎng)較少采用，普遍采用井下直接法測(cè)定煤層瓦斯含量[5-6]。直接法測(cè)定瓦斯含量的取樣方式主要有風(fēng)排渣取樣[7]和取芯管取樣[8]。取芯管取芯是井下直接法測(cè)定煤層瓦斯含量的常用技術(shù)手段[9]。

煤層瓦斯含量直接測(cè)定法主要流程：井下煤樣瓦斯解吸量測(cè)定、取樣過程瓦斯損失量推算和實(shí)驗(yàn)室殘存瓦斯量測(cè)定3部分[10]，其中自然解吸瓦斯量和實(shí)驗(yàn)室殘余瓦斯量測(cè)定遵照相關(guān)要求，相對(duì)比較準(zhǔn)確，而損失瓦斯量推算結(jié)果受多種因素影響(溫度、壓力、水分等)[11]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯放散規(guī)律模型進(jìn)行了研究，但存在一定的局限性。秦躍平等[12-13],Liu等[14]提出累計(jì)解吸量倒數(shù)與時(shí)間開方倒數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系;Li 等[15]假設(shè)擬合損失量與實(shí)際損失量的差值服從正態(tài)分布，提出基于冪函數(shù)特性的貝葉斯概率法進(jìn)行損失量推算。要提高損失瓦斯量的準(zhǔn)確性，首先要找出其誤差來源及影響因素，對(duì)其進(jìn)行分析驗(yàn)證，盡可能找出相應(yīng)的措施減少誤差;賈曉亮等[16]認(rèn)為在瓦斯含量的測(cè)定中，損失瓦斯量推算過程中的主要誤差來自推算公式的選擇。

1 取芯過程模擬試驗(yàn)

1.1 煤樣制備及試驗(yàn)裝置

1.1.1 煤樣制備

試驗(yàn)煤樣為河南焦煤集團(tuán)九里山礦二1煤層無煙煤，選取型煤為研究對(duì)象,型煤壓制力60 kN，尺寸為50 mm×100 mm。

1.1.2 取芯管取芯過程模擬測(cè)試裝置

為實(shí)現(xiàn)取芯管取樣過程中煤芯損失瓦斯量(型煤解吸量)的定量測(cè)試，自主設(shè)計(jì)取樣過程模擬測(cè)試裝置，如圖1所示。該裝置主要由真空脫氣系統(tǒng)、注氣吸附系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及加熱控制系統(tǒng)組成。其中模擬系統(tǒng)是整個(gè)裝置的核心部分，主要由加熱帶、煤樣罐、溫度傳感器以及相關(guān)連接管路組成。

圖1 取芯管取芯過程模擬裝置Fig.1 Coring tube sampling simulation device

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)樣品真空脫氣

將采集煤樣壓制成型煤后，對(duì)其進(jìn)行干燥、稱重、裝罐，啟動(dòng)真空泵，對(duì)煤樣罐真空脫氣，至復(fù)合真空計(jì)示數(shù)低于10 Pa時(shí),停止真空脫氣。

1.2.2 等溫吸附平衡

通過高壓充氣系統(tǒng)向煤樣罐內(nèi)充入瓦斯，同時(shí)關(guān)閉充氣罐閥門，保持煤樣在30 ℃溫度下吸附瓦斯，當(dāng)煤樣罐內(nèi)壓力達(dá)到1.0 MPa且保持3 h不變時(shí)，即認(rèn)為吸附達(dá)到平衡。

1.2.3 取芯管取樣過程相似模擬

開啟加熱帶電源，調(diào)節(jié)加熱功率模擬取芯過程摩擦熱，并將煤樣罐放入加熱帶。煤樣罐模擬取芯管，加熱帶模擬取樣過程產(chǎn)生的摩擦熱。

1.2.4 瓦斯氣體解吸

釋放游離氣體，當(dāng)壓力降至大氣壓時(shí)，開始記錄解吸氣體；待加熱預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)后(試驗(yàn)以取芯深度20 m為例，取芯過程為3 min，退鉆過程為13 min)，取出煤樣罐并放置室溫下降溫，繼續(xù)記錄解吸量直至試驗(yàn)結(jié)束。在研究不同加熱功率對(duì)損失瓦斯量的影響時(shí)，為保證模擬試驗(yàn)產(chǎn)生熱量盡可能與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，同時(shí)考慮到試驗(yàn)條件與安全因素，選取加熱功率分別為200，400，600，800 J/s。按照以上步驟，依次開展加熱功率400 J/s、不同吸附平衡壓(0.5，1.0，1.5，2.0 MPa)與吸附平衡壓力1.0 MPa、不同加熱功率下(室溫30 ℃，200，400，600，800 J/s)取芯過程模擬試驗(yàn)，共開展試驗(yàn)9個(gè)。

1.2.5 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

每次試驗(yàn)自開啟加熱帶后，煤樣罐中煤芯均會(huì)經(jīng)歷加熱帶加熱升溫和自然冷卻降溫2個(gè)變溫過程，當(dāng)煤芯溫度重新回歸至室溫結(jié)束試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為使不同試驗(yàn)環(huán)境下的解吸數(shù)據(jù)在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行橫向比較，將測(cè)得的解吸數(shù)據(jù)換算成標(biāo)況下體積，如式(1)所示：

(1)

式中：Qt為tmin內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯解吸量，mL/g；Qt′為tmin內(nèi)實(shí)測(cè)的瓦斯解吸量，mL/g；tw為試驗(yàn)環(huán)境下流量計(jì)量筒內(nèi)水溫，℃；Pc為實(shí)驗(yàn)室大氣壓力，Pa；hw為實(shí)測(cè)定時(shí)量筒內(nèi)水柱高度，mm；Ps為飽和水蒸氣壓力，Pa。

為了反映不同加熱功率對(duì)瓦斯解吸的影響作用，定義解吸率如式(2)所示：

(2)

式中：Q為甲烷吸附量，mL/g；Qt為t時(shí)刻的解吸量，mL/g。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度效應(yīng)對(duì)損失瓦斯量影響

為研究取芯管取芯過程環(huán)境溫度對(duì)損失瓦斯量的影響特性，在煤芯瓦斯壓力同為1.0 MPa，不同管壁升溫速率(200，400，600，800 J/s)下進(jìn)行取芯過程煤芯瓦斯解吸模擬試驗(yàn)，同時(shí)選取室溫環(huán)境(30 ℃)煤芯瓦斯解吸試驗(yàn)作為對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 不同加熱功率與室溫瓦斯解吸量對(duì)比Fig.2 The comparison of gas desorption at different heating power with contrast experiment

由圖2可知，同壓1.0 MPa取芯環(huán)境下，瓦斯解吸量隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸遞增，30 ℃對(duì)比測(cè)試的解吸量低于各組模擬測(cè)試；隨著加熱功率的增加，煤芯瓦斯解吸量愈大，煤芯損失瓦斯量亦愈大。

不同環(huán)境溫度下，煤芯瓦斯解吸趨勢(shì)線符合關(guān)系見式(3)，對(duì)前30 min解吸曲線進(jìn)行擬合，相關(guān)參數(shù)見表1。

(3)

表1 不同溫度環(huán)境瓦斯解吸曲線擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of gas desorption curve in different temperature environment

式中：a,b為擬合參數(shù)；c為曲線增長(zhǎng)因子；t為時(shí)間，min；t0為解吸量中值所對(duì)應(yīng)時(shí)間，min。

由表1可知，擬合參數(shù)a，b的絕對(duì)值隨著加熱功率的增大而增大，曲線增長(zhǎng)因子c在1左右，解吸趨勢(shì)線擬合度較高，在0.97以上。

采用取芯管取樣測(cè)定煤層瓦斯含量時(shí)，煤芯損失瓦斯量主要在取芯過程和退鉆過程中產(chǎn)生。本文以取芯深度20 m為例，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，理想狀態(tài)下，采集煤芯所需時(shí)長(zhǎng)為3 min，退鉆時(shí)長(zhǎng)為13 min。選擇0～3，3～16 min時(shí)間段內(nèi)煤芯瓦斯解吸率進(jìn)行分析，同時(shí)計(jì)算室溫下(30 ℃)同時(shí)間段內(nèi)煤芯瓦斯解吸率作為對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 瓦斯解吸率對(duì)比Table 2 The comparison of gas desorption rate

由表2可知，在2個(gè)時(shí)間段中，取芯過程模擬測(cè)試的煤芯瓦斯解吸率均大于室溫下的對(duì)比測(cè)試；隨著加熱功率的增加，模擬測(cè)試的煤芯瓦斯解吸率增大，模擬測(cè)試與對(duì)比測(cè)試的煤芯瓦斯解吸率差值亦愈大。

同一加熱功率下，3～16 min模擬測(cè)試與對(duì)比測(cè)試的煤芯瓦斯解吸率差值(9.63%,10.40%,13.03%,17.43%)大于0～3 min(2.80%,8.30%,10.80%,12.58%)，說明在3～16 min溫度對(duì)損失量的影響大于0～3 min，即退鉆過程溫度對(duì)損失量的影響大于取芯過程。本文認(rèn)為，在模擬測(cè)試中，0～3 min處于采集煤芯階段，取芯管剛接觸到煤芯，取芯鉆頭的切削熱與取芯管壁的摩擦熱少量傳遞到煤芯；在3～16 min的退鉆階段，取芯鉆頭的切削熱與取芯管壁的摩擦熱大量傳遞到煤芯，煤芯溫度升高，使得3～16 min模擬測(cè)試與對(duì)比測(cè)試的煤芯瓦斯解吸率差值大于0～3 min。

表3 不同管壁升溫速率下?lián)p失瓦斯量計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results of gas loss at different core tube wall heating rate

表4 不同管壁升溫速率下?lián)p失瓦斯量誤差分析結(jié)果Table 4 The error analysis results of gas loss at different core tube wall heating rate

為研究煤芯損失瓦斯量與加熱功率之間的變化規(guī)律，將不同加熱功率下?lián)p失瓦斯量模擬值繪制于同一圖中進(jìn)行比較，如圖3所示。

圖3 損失瓦斯量與加熱功率之間關(guān)系Fig.3 Relationship between gas loss and heating power

由圖3可知，吸附平衡壓力同為1.0 MPa條件下，當(dāng)管壁升溫速率為200～800 J/s，損失瓦斯量分別為10.139 0，11.543 2，12.689 0，14.189 0 mL/g。在一定范圍內(nèi)，損失瓦斯量隨著加熱功率的增加大致呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。

2.2 吸附壓力對(duì)損失瓦斯量影響

為研究取芯管取芯過程吸附壓力對(duì)損失瓦斯量的影響特性，將煤芯管壁升溫速率同為400 J/s，不同吸附平衡壓力(0.5，1.0，1.5，2.0 MPa)下取芯過程累計(jì)瓦斯解吸量數(shù)據(jù)繪制于同一圖中進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 不同吸附壓力下取芯過程累計(jì)瓦斯解吸量Fig.4 Comparison of cumulative gas desorption during coring under different adsorption pressures

由圖4可知，加熱功率同為400 J/s，取芯過程模擬測(cè)試的瓦斯解吸量曲線隨時(shí)間呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)；隨著吸附壓力的增加，煤芯瓦斯解吸量愈大，煤芯損失瓦斯量亦愈大。

不同吸附平衡壓力下，煤芯瓦斯解吸趨勢(shì)線符合關(guān)系式(3)，對(duì)前30 min解吸曲線進(jìn)行擬合，相關(guān)參數(shù)見表5。

表5 不同吸附壓力瓦斯解吸曲線擬合參數(shù)Table 5 Fitting parameters of gas desorption curve under different adsorption pressure

由表5可知，擬合參數(shù)a，b的絕對(duì)值隨著加熱功率的增大而增大，曲線增長(zhǎng)因子c在0.933～1.022，解吸趨勢(shì)線擬合度較高，在0.99以上。

表6 不同煤芯瓦斯壓力下?lián)p失瓦斯量推算結(jié)果Table 6 The calculation results of gas loss quantity at different gas pressure

表7 不同煤芯瓦斯壓力下?lián)p失瓦斯量誤差分析結(jié)果Table 7 The error analysis results of gas loss quantity at different gas pressure

為研究煤芯損失瓦斯量與吸附平衡壓力之間的變化規(guī)律，將不同吸附壓力下?lián)p失瓦斯量模擬值繪制于同一圖中進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 損失瓦斯量與吸附平衡壓力之間關(guān)系Fig.5 Relationship between gas loss and adsorption equilibrium pressure

由圖5可知，管壁升溫速率同為400 J/s條件下，當(dāng)吸附平衡壓力為0.5～2.0 MPa，損失瓦斯量分別為8.334 3，11.543 2，12.566 4，13.815 3 mL/g。在一定范圍內(nèi)，損失瓦斯量隨著吸附平衡壓力的增加，呈現(xiàn)出先快速增加，后緩慢增加的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1) 在不同溫度環(huán)境和吸附壓力下，前30 min煤芯瓦斯解吸曲線符合Qt=a+b/[1+(t/t0)c]。