馬尚權(quán)，劉博雄，謝 宏

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)(煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量等)在瓦斯災(zāi)害防治過(guò)程中具有重要意義和作用，準(zhǔn)確測(cè)定工作歷來(lái)受到業(yè)界的高度重視。目前關(guān)于煤層瓦斯含量的測(cè)定仍存在瓶頸問(wèn)題，其難點(diǎn)在于：無(wú)論是否保壓，取芯工藝要求都很高；無(wú)論手動(dòng)還是自動(dòng)，瓦斯解吸都需要依賴數(shù)值計(jì)算；無(wú)論在井下還是在地面完成，整個(gè)過(guò)程都很耗時(shí)；……。以往的研究成果，許多已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，如：WP-1、DCZ、DGC等，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮積極作用；也有一些研究成果，由于種種原因，尚處在轉(zhuǎn)化中，甚至停滯不前。通過(guò)對(duì)“十一·五”成果“煤層瓦斯含量快速測(cè)定技術(shù)”的深化研究，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，促成從“原理機(jī)”到“原型機(jī)”的進(jìn)步。

1 技術(shù)原理及研究現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)原理

煤礦瓦斯事故是煤礦重大災(zāi)害之一，如何快速、準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量是一種亟需解決的問(wèn)題。目前出現(xiàn)了諸多測(cè)定煤層原始瓦斯含量的方法，按照測(cè)定方法的適用環(huán)境可將其分為地質(zhì)勘探鉆孔測(cè)定方法和礦井下測(cè)定方法[1]；根據(jù)測(cè)定方法的原理又可分為直接方法和間接方法。直接法是直接采取煤樣通過(guò)研究其解吸規(guī)律的方法直接測(cè)定、計(jì)算煤層瓦斯含量，與間接法相比存在諸多優(yōu)點(diǎn)。但是直接法煤層瓦斯含量測(cè)定受到取芯工藝、損失量推算模型等因素的影響，存在測(cè)定準(zhǔn)確性差、成功率低等缺陷[2]。常用的間接法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯壓力和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的煤吸附常數(shù)值及工業(yè)分析結(jié)果，運(yùn)用朗格繆爾方程計(jì)算瓦斯含量。

在直接法測(cè)定煤層瓦斯含量時(shí)，無(wú)論使用地勘鉆孔瓦斯解吸法、井下鉆孔瓦斯解吸法還是煤芯采取器法對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定時(shí)，測(cè)試過(guò)程可以概括為5部分：取芯解吸、測(cè)定解吸瓦斯量、求解瓦斯損失量、計(jì)算殘存瓦斯量、計(jì)算煤層原始瓦斯含量[3-4]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤樣損失瓦斯量計(jì)算方法進(jìn)行了諸多研究，例如煤樣在空氣介質(zhì)中瓦斯損失量計(jì)算公式具有代表性的巴雷爾式、文特式、烏斯基諾式、博特式、王佑安式、孫重旭式以及指數(shù)式；泥槳介質(zhì)中煤樣損失瓦斯量計(jì)算公式有于良辰法、USBM法、Smith-Wiliam法以及曲線擬合法[5-6]。在煤樣采集過(guò)程中，樣品的粒徑大小對(duì)瓦斯解吸時(shí)間具有一定的影響，針對(duì)此問(wèn)題諸多學(xué)者對(duì)不同的煤樣(完整煤心、塊煤、粉煤)，進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明煤樣的粒度越小，相同時(shí)間段內(nèi)的瓦斯解吸總量越大[7]。

間接法是國(guó)內(nèi)外最常用的煤層瓦斯含量測(cè)定方法，其主要內(nèi)容是測(cè)定煤層原始瓦斯壓力及煤的吸附常數(shù)值，并利用朗格繆爾方程和氣體狀態(tài)方程對(duì)吸附瓦斯量及游離瓦斯量進(jìn)行計(jì)算并求和，求和結(jié)果便是煤層瓦斯含量。目前運(yùn)用間接法測(cè)定煤層瓦斯含量的過(guò)程中受水分、溫度、濕度的影響較多，導(dǎo)致其測(cè)定工藝復(fù)雜、測(cè)定周期長(zhǎng)、成功率低、成本較高等缺點(diǎn)，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤層瓦斯含量測(cè)定。

綜上所述，目前關(guān)于煤層瓦斯含量直接法測(cè)定的關(guān)鍵性問(wèn)題便是如何縮短煤樣在進(jìn)行井下瓦斯解吸前的暴露時(shí)間，即減少瓦斯的損失量；其次便是關(guān)于應(yīng)用哪一種損失瓦斯量計(jì)算公式，所計(jì)算得出的瓦斯損失量更為精確。

1.2 裝置研究現(xiàn)狀

隨著科技的進(jìn)步，不少研究人員研制出煤層瓦斯含量測(cè)定裝置。20世紀(jì)50年代中期至末期，撫順?lè)衷悍謩e研制了1883型密閉式巖芯采取器以及撫研58型集氣式煤層瓦斯含量測(cè)定裝置；2001年至2005年期間，重慶研究院研發(fā)了ZCY-I型鉆孔引射取樣和取芯管取樣工藝及裝置；2009撫順?lè)衷貉邪l(fā)了WP-Ⅰ型瓦斯含量快速測(cè)定儀；2013年期間，我國(guó)部分煤礦運(yùn)用井下便攜式煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀——CHP50M型煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀；2014年，瓦斯解吸速度測(cè)定儀得到應(yīng)用；2018年，DGC瓦斯含量直接測(cè)定裝置得到應(yīng)用。隨著社會(huì)的進(jìn)步，以及煤礦企業(yè)對(duì)煤層瓦斯含量的測(cè)量的準(zhǔn)確性及便捷性提出的更進(jìn)一步的要求，暴露出目前常用設(shè)備的一些問(wèn)題：一方面是其構(gòu)造復(fù)雜，一些零部件易于損壞，在廣泛推廣應(yīng)用上受到一定限制；另一方面是測(cè)定時(shí)間周期長(zhǎng)、成本高、過(guò)程復(fù)雜、效率低。因此“十一·五”期間，華北科技學(xué)院聯(lián)合山西國(guó)陽(yáng)新能股份有限公司，對(duì)煤層瓦斯含量快速直接測(cè)定技術(shù)與裝置進(jìn)行研發(fā)，得到快速準(zhǔn)確的測(cè)量裝置，為瓦斯含量測(cè)定、瓦斯綜合治理及災(zāi)害預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確的參考。

2 煤層瓦斯含量快速直接測(cè)定裝置

煤層瓦斯含量快速直接測(cè)定裝置由兩部分組成：瓦斯解吸系統(tǒng)和解吸氣體測(cè)定系統(tǒng)。首先將煤樣采集裝置與粉碎裝置集成為一個(gè)整體的瓦斯解吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣的密閉，又可以在密封條件下對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎攪拌；對(duì)于解吸氣體測(cè)定系統(tǒng)，將瓦斯解吸特征信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進(jìn)行集成，與瓦斯解吸系統(tǒng)連接后，實(shí)現(xiàn)瓦斯解吸規(guī)律信息的自動(dòng)采集，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算，計(jì)算出瓦斯損失量和殘存量，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存和實(shí)時(shí)顯示，并可將所有數(shù)據(jù)信息傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)。

2.1 瓦斯解吸系統(tǒng)

根據(jù)需要分別設(shè)計(jì)了兩套瓦斯解吸系統(tǒng)，一種是在井下自由解吸，在地面粉碎解吸的電動(dòng)粉碎解吸系統(tǒng)，另一種是自由解吸和粉碎解吸都在井下進(jìn)行的手動(dòng)粉碎解吸系統(tǒng)。

電動(dòng)粉碎解吸裝置主要由三部分組成：粉碎室，粉碎刀片和高速電機(jī)。粉碎室實(shí)現(xiàn)密閉和粉碎的功能，同時(shí)在粉碎室頂蓋上設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為6 mm的孔，通過(guò)球閥與軟管連接，使煤樣解吸出的瓦斯氣體可以流出，軟管另一端與解吸氣體測(cè)定裝置連接，圖1為電動(dòng)粉碎解吸裝置實(shí)物圖。

手動(dòng)粉碎解吸系統(tǒng)的粉碎過(guò)程是使用可調(diào)壓碾輪碾壓粉碎原理來(lái)使煤這種低硬度脆性物料達(dá)到小于100 μm的粒徑級(jí)別。它主要有調(diào)壓手柄、碾輪、密閉粉碎倉(cāng)體、變向傳動(dòng)軸等組成。煤樣放進(jìn)密閉粉碎室壓緊密封蓋，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力手柄對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎，根據(jù)粉碎情況逐步旋低調(diào)壓手柄對(duì)碾輪加壓，實(shí)現(xiàn)煤樣的進(jìn)一步粉碎，氣體溢出口與解吸氣體測(cè)定裝置連接，圖2、圖3分別為手動(dòng)粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖、動(dòng)粉碎解吸裝置實(shí)物照片。表1為兩種瓦斯解吸系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

圖1 電動(dòng)粉碎解吸裝置實(shí)物照片

圖2 手動(dòng)粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 手動(dòng)粉碎解吸裝置實(shí)物照片

表1 瓦斯解吸裝置相關(guān)參數(shù)

2.2 解吸氣體測(cè)定系統(tǒng)

解吸氣體測(cè)定系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)結(jié)合信息化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)瓦斯解吸規(guī)律信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，并采用多次擬合回歸分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算，計(jì)算出瓦斯損失量、解吸量和殘存量，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存和實(shí)時(shí)顯示，并可將所有數(shù)據(jù)信息傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)采用熱式無(wú)阻力微量氣體測(cè)定原理，使煤樣的解吸過(guò)程更接近自然解吸狀態(tài)。

瓦斯解吸氣體測(cè)定系統(tǒng)將瓦斯解吸特征信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)瓦斯含量的快速準(zhǔn)確測(cè)定。圖4為瓦斯含量測(cè)定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖。

圖4 瓦斯含量測(cè)定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，本裝置硬件結(jié)構(gòu)由信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、計(jì)時(shí)電路、供電電路、控制電路、通信電路、計(jì)算機(jī)、按鍵組成。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理和顯示；同時(shí)采用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的上位機(jī)，彌補(bǔ)單片機(jī)操作能力的不足，數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，同時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)不同需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

信息采集系統(tǒng)是瓦斯含量測(cè)定的關(guān)鍵所在。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為智能化系統(tǒng)的中心。在進(jìn)行信息采集時(shí)，計(jì)時(shí)電路根據(jù)操作者的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息采集時(shí)間間隔的控制，流量信息數(shù)據(jù)通過(guò)流量傳感器及采集器接口輸入到單片機(jī)中，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯解吸規(guī)律數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算以及所有測(cè)定計(jì)算數(shù)據(jù)的綜合處理；顯示電路選用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管、放大器、與液晶屏連接。裝置從數(shù)據(jù)采集到顯示的處理過(guò)程如圖6所示；計(jì)時(shí)電路主要功能是對(duì)測(cè)定過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)；供電電路主要由穩(wěn)壓器和交流-直流變換器組成，采用蓄電池供電電池電壓穩(wěn)定為5 V，再經(jīng)隔離變換成5 V和12 V電壓，分別供給控制電路和傳感器電路；控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心由ATMEGA128單片機(jī)芯片、串行輸入輸出電路、程序?qū)懭腚娐?、晶體振蕩電路、上電復(fù)位電路組成。

圖6 顯示處理過(guò)程圖

本裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。該裝置的軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)串口通訊、數(shù)據(jù)及曲線的實(shí)時(shí)顯示以及數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存等功能。

圖7 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 損失量推算公式選取

由于實(shí)際鉆孔取煤屑時(shí)暴露時(shí)間一般為3 min，因此，數(shù)據(jù)擬合計(jì)算時(shí)也按照暴露時(shí)間3 min來(lái)計(jì)算。處理方法是：把各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)前3 min的累計(jì)解吸瓦斯量看做暴露時(shí)間內(nèi)實(shí)際損失的瓦斯量；取3 min以后的所有數(shù)據(jù)作為擬合數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求出公式中的各個(gè)系數(shù)，然后按照擬合出的公式推算前3 min的損失瓦斯量，此為推算的損失量；然后比較分析推算值和實(shí)際值的誤差。瓦斯速率解析曲線如圖8。解吸數(shù)據(jù)回歸結(jié)果及推算損失量誤差見(jiàn)表2中數(shù)據(jù)。

表2 解吸數(shù)據(jù)回歸結(jié)果及推算損失量誤差

圖8 解吸速率曲線

從各表中數(shù)據(jù)看，溫度對(duì)擬合精度有一定影響，普遍規(guī)律是溫度越高，擬合相關(guān)系數(shù)越高，但對(duì)于推算誤差來(lái)說(shuō)，受溫度影響不大，但冪函數(shù)表現(xiàn)出隨溫度降低推算誤差有所增大，這是因?yàn)槔鋬雒簶釉诔亟馕鼤r(shí)，煤樣在和外界環(huán)境不斷進(jìn)行著熱量交換，由于溫度對(duì)解吸速率有明顯影響，因此，低溫下解吸規(guī)律有所不同。

由以上分析可知，單憑擬合相關(guān)系數(shù)值R來(lái)判斷哪個(gè)函數(shù)適合瓦斯解吸規(guī)律的擬合顯得有些片面，必須引入相對(duì)誤差的判斷指標(biāo)，因?yàn)橛?jì)算值與實(shí)際值的誤差小才是我們測(cè)定瓦斯含量的本質(zhì)要求。因此確定采用冪函數(shù)法來(lái)推算損失瓦斯量。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

為對(duì)煤層瓦斯含量快速直接測(cè)定裝置的測(cè)定效果進(jìn)行驗(yàn)證，在山西國(guó)陽(yáng)新能股份有限公司二礦進(jìn)行場(chǎng)測(cè)驗(yàn)，二礦坐落于太行山西麓，陽(yáng)泉市西南6公里處，井田走向長(zhǎng)約7.8 km，傾向長(zhǎng)約7.7 km，面積為60.0603 km2。

選取以下6點(diǎn)：21302準(zhǔn)備面進(jìn)風(fēng)巷8#煤32 m深處、21302工作面進(jìn)風(fēng)巷8#煤100 m深處、71319進(jìn)風(fēng)配巷3#煤30 m深處、71319進(jìn)風(fēng)配巷3#煤100 m深處、81003內(nèi)錯(cuò)尾巷煤壁15#煤、81003內(nèi)錯(cuò)尾巷掘進(jìn)頭15#煤進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將用DGC、DCZ和本裝置同時(shí)進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)定，并將個(gè)設(shè)備粉碎時(shí)間及測(cè)定總時(shí)間進(jìn)行匯總結(jié)果見(jiàn)表3、表4中數(shù)據(jù)。

表3 粉碎參數(shù)比較

表4 測(cè)定總時(shí)間

由表3、表4中數(shù)據(jù)可得到本裝置在對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎達(dá)到要求的粒徑級(jí)別所用時(shí)間最短，并且完成整個(gè)煤層瓦斯含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)用時(shí)最少。

對(duì)三種設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總見(jiàn)表5中數(shù)據(jù)，

表5 各煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

由表5中數(shù)據(jù)可以看出本裝置煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果較其他兩種設(shè)備測(cè)定結(jié)果的誤差范圍小，測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1) 研制了煤層瓦斯含量快速直接測(cè)定裝置。煤層瓦斯含量快速直接測(cè)定裝置中的瓦斯解吸系統(tǒng)可以實(shí)行封閉狀態(tài)下對(duì)瓦斯進(jìn)行解吸；瓦斯氣體測(cè)定裝置由信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)瓦斯含量的快速準(zhǔn)確測(cè)定并將結(jié)果儲(chǔ)存并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

(3) 該裝置實(shí)現(xiàn)煤樣密封、粉碎以及煤樣的自然解吸和粉碎解吸均在同一裝置中進(jìn)行。

(4) 粉碎系統(tǒng)粉碎細(xì)度高，粉碎時(shí)間短，粉碎1 min即可使200目以上粒徑顆粒達(dá)到92%以上。

(5) 將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該裝置測(cè)量煤層瓦斯含量測(cè)定時(shí)間短，測(cè)定結(jié)果誤差最小。

(6) “原理機(jī)”到“原型機(jī)”的進(jìn)步，目前尚需繼續(xù)研究的重點(diǎn)有：一是繼承該成果，更新軟硬件；二是小型化、微型化，使之適用于定向鉆機(jī)的隨鉆測(cè)定。