焦繼紅，王玉杰，李 輝

（1.平頂山市平頂山天安煤業(yè)股份有限公司研究院瓦斯所，河南 平頂山 467099；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與高效清潔利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.上海應用技術(shù)大學城市建設(shè)與安全工程學院，上海 201418）

0 引 言

受地質(zhì)條件復雜等因素影響，我國煤礦瓦斯災害嚴重，容易誘發(fā)煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故，嚴重威脅煤礦企業(yè)的安全高效生產(chǎn)[1-3]。煤層瓦斯含量指標是礦井瓦斯災害防治、瓦斯治理與利用和煤層氣資源儲量評估和開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)參數(shù)[4-6]，其測量結(jié)果的可靠性和準確性對于預防礦井瓦斯災害以及保障煤礦安全生產(chǎn)和職工人身安全具有重要意義。

我國主要采用解吸法對煤層瓦斯含量進行測定，而解吸所用的煤樣通常采用取芯法、孔口接樣法或其他定點取樣方法獲得[7-10]。其中，壓風孔口接樣法由于結(jié)構(gòu)簡單和操作方便而普遍被煤礦井下采用。但該方法在取樣過程中容易發(fā)生“混樣”現(xiàn)象而造成瓦斯測定值誤差增加，且在松軟煤層中無法真正實現(xiàn)定點取樣[11-12]。

為了解決上述問題，魏建平等[13-14]采用真空泵作為動力源，基于負壓氣力輸送理論提出了負壓排渣定點取樣方法，并確定建立了可靠的負壓取樣瓦斯損失量推算模型。然而，目前針對負壓定點取樣技術(shù)在煤層瓦斯含量測定現(xiàn)場應用的可行性與可靠性研究相對較少。

鑒于此，本文以河南平煤集團一礦（簡稱平煤一礦） 為研究背景，通過自主設(shè)計研究的負壓定點取樣實驗系統(tǒng)開展了現(xiàn)場應用實驗，對負壓取樣效果、負壓取樣過程影響因素及負壓取樣煤層瓦斯含量測定效果進行了對比分析，實際考察和驗證了負壓定點取樣的可靠性和應用效果，以期進一步完善負壓定點取樣技術(shù)。

1 工程地質(zhì)條件

平煤一礦戊8—31200 工作面可采走向長度1 340 m，采長177 m，采高2.0 m?？刹蓛α?9.8萬t。31200 工作面戊8 煤層厚度1.8 ～2.5 m，平均2.0 m，煤層中含有1 層夾矸，厚度0.1 ～0.4 m。煤層傾角為12°～16°，平均傾角14°。戊8 煤層下有戊9、戊10 兩個鄰近煤層，厚度分別為0.9 ～1.1 m 和1.7 ～2.4 m。其中戊8 煤層與戊9煤層相距5.1 ～7.8 m，戊9 與戊10 煤層相距0 ～0.5 m。31200 工作面地層總體為一向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層起伏較大，四周均為未開采區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料情況，煤層埋藏較深，可能存在隱伏斷層，對掘進施工有影響。工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1 所示。

預計31200 工作面戊8 煤層原始瓦斯壓力0.8 MPa、瓦斯含量6.5 m3/t。預計工作面掘進期間相對瓦斯涌出量10.21 m3/t，絕對瓦斯涌出量0.8 m3/min；回采期間相對瓦斯涌出量5.99 m3/t，絕對瓦斯涌出量13.9 m3/min。煤層自然發(fā)火期3 ～6 個月，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)31.74 ～39.05%；地溫36 ～45 ℃，屬地溫異常區(qū)。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

負壓排渣定點取樣試驗系統(tǒng)主要由取樣鉆頭、取樣鉆桿、三通、接樣裝置、參數(shù)測試裝置及動力裝置組成。其中，取樣鉆頭為直徑94 mm 的三翼PDC 鉆頭，主要用于增大風流流通面積，減小鉆頭處局部壓降和壁面鉆頭流體孔堵塞風險。試驗過程中，鉆頭三翼間的流體孔孔徑可以達到20 mm；取樣鉆桿為內(nèi)徑40 mm、外徑73 mm 的圓形鉆桿，具有較高的強度和較大的空氣流通斷面，適用于松軟煤層鉆進；三通用于連接水辮頭和井下壓風口，可以通過切換對應連接管路閥門實現(xiàn)負壓取樣與正壓鉆進的動力轉(zhuǎn)換；接樣裝置采用旋風式除塵器，且配有相應的布袋式除塵器用于空氣凈化。試驗時，接樣裝置與空氣凈化裝置串聯(lián)連接，待煤屑-瓦斯氣固兩相流流出鉆桿后經(jīng)連接軟管首先流入接樣裝置實現(xiàn)煤樣的分離與收集，而含塵量較低的煤屑-瓦斯混合流體流入布袋式除塵器，進一步實現(xiàn)煤屑的分離，可以大幅降低氣體中的含塵量，從而達到凈化空氣和避免煤塵損害動力裝置的目的；參數(shù)測量裝置主要由孔板流量計、“U”型壓差計和精度為0.4 級的精密真空表組成，可以實現(xiàn)取樣過程中實時掌握系統(tǒng)壓降與風量的變化趨勢； 動力裝置為QXSR-125 型羅茨真空泵，升壓范圍為0 ～70 kPa，最大風量可以達到5 m3/min。負壓排渣定點取樣試驗系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

2.2 試驗布置

為了比較和驗證負壓定點取樣系統(tǒng)瓦斯測定效果，在平煤一礦戊8—31200 工作面風巷和高抽巷共布置10 個測點，分為5 組，組間距為45 m，可以控制戊8—31200 工作面風巷上幫4.8 m 和下幫15 m 范圍。每個測點設(shè)計2 個鉆孔，孔間距1 m，分別采用常規(guī)取樣方法和負壓定點取樣方法取樣?，F(xiàn)場試驗取樣鉆孔布置平面圖如圖3 所示，取樣鉆孔參數(shù)如表1 所示。

表1 取樣鉆孔參數(shù)Table 1 Sampling borehole parameters

圖3 工作面現(xiàn)場測點布置示意Fig.3 Working face site measuring point layout diagram

2.3 試驗步驟

負壓取樣測定煤層瓦斯含量現(xiàn)場試驗過程依次為：①壓風鉆進。連接試驗系統(tǒng)，切換三通閥門，使水辮頭接入井下壓風接頭進行壓風排渣鉆進。在鉆進至設(shè)計深度前1 m，采用壓風吹刷疏通取樣鉆頭流體孔并減少鉆孔沿程堆積的鉆屑。②負壓取樣。在每一循環(huán)設(shè)計深度的最后1 m，切換三通閥門，使水辮頭與真空泵連接并開啟真空泵，勻速向前推進，記錄鉆進用時、讀取系統(tǒng)壓降及風量值。鉆進至該循環(huán)深度后，測定空載時系統(tǒng)壓降及風量值。負壓取樣過程結(jié)束后，對取樣稱重。③現(xiàn)場解吸。為了對比分析負壓取樣測定煤層瓦斯含量的效果和精度，在同一取樣深度分別采用負壓法和與壓風排渣法取得煤樣。其中，在鉆進至鉆孔設(shè)計深度前l(fā) m，按照壓風排渣定點測定煤層瓦斯含量方法取樣進行現(xiàn)場解吸。為盡量避免取樣段瓦斯逸散，提高煤樣新鮮度，在完成壓風排渣定點取樣后，再壓風鉆進0.2 m 后切換至負壓鉆進取樣并完成負壓取樣過程。負壓取樣完成后，迅速裝樣并進行現(xiàn)場常壓解吸。

3 應用效果分析

3.1 負壓取樣結(jié)果

根據(jù)上述試驗方案，測試和記錄不同測點負壓取樣過程中的取樣質(zhì)量、取樣用時和系統(tǒng)壓降等參數(shù)見表2。本文采用的負壓取樣系統(tǒng)在進行現(xiàn)場定點取樣時，系統(tǒng)壓降穩(wěn)定在-60 kPa 左右，取樣速度變化范圍為0.97~1.82 kg/min，平均取樣速度約為1.32 kg/min。根據(jù)GB/T 23250-2009 要求，煤層瓦斯含量測定時單個煤樣罐所需最低煤樣量最低400 g。因此，通過采用負壓取樣方法只需在30 s內(nèi)即可滿足要求，取樣時間大幅縮短，從而實現(xiàn)快速定點取樣。此外，根據(jù)負壓取樣系統(tǒng)工作原理，煤屑從孔壁脫落后立即在負壓風流作用下向鉆桿內(nèi)部運移并輸送至與之相連的接樣裝置內(nèi)，有效保證了煤樣純度。

表2 負壓取樣結(jié)果Table 2 Negative pressure sampling results

3.2 系統(tǒng)壓降與風量

通過測量和記錄負壓取樣過程中不同鉆孔深度條件下負壓取樣系統(tǒng)對應的壓降及風量變化規(guī)律，可以對動力裝置即真空泵的工作效果進行驗證，并進一步地為今后負壓取樣系統(tǒng)的優(yōu)化提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。選取Q1、Q2、Q3、Q4 和Q5 五個測點鉆孔，得到鉆進取樣和空載兩種條件下負壓取樣系統(tǒng)壓降及風量隨鉆孔深度的變化趨勢，分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 鉆進時鉆孔深度與系統(tǒng)壓降、風量之間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between drilling depth and system pressure drop and air volume during drilling

圖5 空載時鉆孔深度與系統(tǒng)壓降、風量之間的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between drilling depth and system pressure drop and air volume under no-load condition

從圖4、圖5 中可以看出，無論是鉆進取樣還是空載條件下，隨著鉆孔深度的增加，取樣系統(tǒng)壓降均逐漸增加，而系統(tǒng)風量則逐漸減小。通過對比圖4（a） 圖5（a） 發(fā)現(xiàn)，與空載條件下相比，鉆進取樣時，取樣系統(tǒng)壓降略有上升，但變化幅度較小，在1.67%~3.89%。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于，空載條件下，鉆桿內(nèi)部的空氣摩擦造成的壓力損失是形成系統(tǒng)壓降的主要原因[15]。真空泵提供的較高風量使得風流在鉆桿內(nèi)部流速較大，摩擦壓降增加。而孔深較大時，由于煤層松軟，從而造成鉆孔穩(wěn)定性變差。而鉆進取樣過程與空載過程相隔時間較短，從而使得鉆孔失穩(wěn)引起的壓力變化進一步造成系統(tǒng)壓降增加，但增加幅度不大。

相反地，對于系統(tǒng)風量而言，相同鉆孔深度時，鉆進取樣條件下的系統(tǒng)風量與空載條件下相對較小。換言之，相同風量時，試驗系統(tǒng)去取樣深度較低且系統(tǒng)壓降相對較高。這主要是因為一方面工作面的現(xiàn)場條件限制了取樣系統(tǒng)管路的布置，導致局部阻力損失較高，且試驗系統(tǒng)各構(gòu)件尚需進一步優(yōu)化設(shè)計；另一方面，通過理論模型對試驗系統(tǒng)取樣深度進行研究時，假定鉆孔為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)且不發(fā)生鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象，而在實際應用時，試驗系統(tǒng)在松軟煤層進行深孔鉆進時將不可避免地發(fā)生鉆孔失穩(wěn)，從而造成一定的局部阻力損失[16-17]。

3.3 煤層瓦斯含量測定效果

通過負壓取樣系統(tǒng)完成取樣工作后，采用目前煤礦通用的鉆屑解吸法對煤層瓦斯含量進行測定，即煤層瓦斯含量由負壓取樣瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和殘存瓦斯含量（實驗室解吸量） 三部分構(gòu)成[18-19]。其中，負壓取樣過程中的瓦斯損失量依據(jù)式（1） 進行推算，所求得的瓦斯損失量見表3。

式中：QP為推算得到的負壓取樣瓦斯損失量，mL/g；QJ為常壓解吸對應的瓦斯損失量值，mL/g；a、b 為待定常數(shù)；t為解解吸時間，s。

為了驗證負壓取樣煤層瓦斯含量測定效果，分別從瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量、實驗室解析量和殘存瓦斯量四個方面同壓風排渣取樣法進行對比驗證，結(jié)果如圖6 所示。其中，壓風排渣取樣法瓦斯損失量根據(jù)巴雷爾模型推算得到[20-21]。

圖6 負壓取樣與壓風取樣煤層瓦斯含量測定效果對比Fig.6 Comparison of the effect of negative pressure sampling and pressure air sampling on the determination of gas content in coal seam

從圖6 中可以看出，除Q2鉆孔現(xiàn)場解吸量相對于壓風取樣較小外，其他鉆孔采用負壓取樣所測的瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和實驗室解吸量相對于壓風取樣均較高，其中，負壓取樣所測的瓦斯損失量相較于壓風取樣增加5.8~17.6 倍，現(xiàn)場解吸量相較于增加17.3%~45.7%，實驗室解吸量（殘存瓦斯量） 相較于增加19.1%~24.7%。因此，采用負壓取樣所測的煤層瓦斯含量相較于壓風取樣均明顯增加，如圖6（d） 所示，增加幅度均在45%以上，最大可以達到80.3%。這是因為，平煤一礦煤質(zhì)在瓦斯解吸初期具有較高的瓦斯解吸速度，處于快速解吸階段。當采用壓風取樣時，煤屑自煤壁脫落后直至采集完全，煤中瓦斯大多處于快速解吸過程，且取樣過程中容易發(fā)生“混樣”現(xiàn)象，即所取得煤樣中容易混入較多鉆孔沿程煤屑，導致煤樣純度降低。另外，沿程煤屑大多已經(jīng)歷過快速解吸過程后處于緩慢解吸階段。因此，當依據(jù)純度較低且大多處于緩慢解吸過程的煤樣顆粒進行瓦斯含量測定時，必然會造成瓦斯含量測值偏低，測定效果較差。而與之對比的是，當采用負壓取樣方法時，新鮮煤樣可以快速從鉆孔內(nèi)部運移至接樣裝置內(nèi)，可以大幅降低“混樣”現(xiàn)象發(fā)生，從而使瓦斯含量測值大幅提高。

綜上所述，通過負壓定點取樣對煤層瓦斯含量進行測定，不僅可以實現(xiàn)定點快速取樣，而且有利于提高煤樣純度，提升煤層瓦斯含量測值，保證良好的瓦斯測定效果。

4 結(jié) 論

為了解決松軟煤層定點取樣難、瓦斯含量測值誤差較大，設(shè)計了負壓定點取樣試驗系統(tǒng)，并進行了現(xiàn)場應用可行性和測定結(jié)果可靠性驗證。

（1） 負壓取樣系統(tǒng)現(xiàn)場平均取樣速度為1.32 kg/min，在30 s 內(nèi)所取煤樣量即可滿足煤層瓦斯含量測定所需煤樣量要求，可以實現(xiàn)快速取樣。

（2） 負壓取樣系統(tǒng)壓降和系統(tǒng)風量是影響負壓取樣系統(tǒng)工作的主要因素。隨著鉆孔深度的增加，負壓取樣系統(tǒng)壓降和系統(tǒng)風量均逐漸減小。

（3） 相較于壓風取樣，采用負壓取樣得到的煤層瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和實驗室解吸量均明顯增加，煤層瓦斯含量增加幅度在45%以上，最大可以達到80.3%。

（4） 負壓取樣方法有利于新鮮煤樣快速從鉆孔內(nèi)部運移至接樣裝置內(nèi)，大幅降低“混樣”現(xiàn)象發(fā)生，不僅可以實現(xiàn)定點快速取樣，而且有利于提高煤樣純度和提升煤層瓦斯含量測值。