直接法测定煤层瓦斯含量及误差影响分析
【摘 要】 首先介绍了直接法测定煤层瓦斯含量的原理和操作步骤，总结出用直接法测定瓦斯含量的一些影响因素，针对这些影响因素提出相应的对策措施，旨在将测定过程中产生的误差减少到最低程度，提高实验测定结果精度，为矿井瓦斯涌出量的预测、煤层气的开发利用及瓦斯突出与预防研究等提供可靠的理论数据支持。
【关键词】 直接法 瓦斯含量 误差分析
目前，矿井瓦斯仍是影响煤矿总体安全水平的主要因素之一，国内外煤层瓦斯含量测定常用的有间接法和直接法。间接法是等温吸附线计算法，根据井下煤层原始瓦斯压力和实验室测定的煤吸附常数及工业分析结果，运用朗格缪尔方程计算瓦斯含量[1]。该方法存在煤层原始瓦斯压力测定工艺复杂、成本较高等缺点。直接法具有方便快捷、简单合理等特点，测定的数值比较客观真实，因而在条件具备的情况下是首选的瓦斯含量测定方法[2]。但是直接法在保证气密性方面等方面也存在一定问缺点，这就要求我们尽可能找出整体操作过程中的影响因素并提出切实可行的解决措施，提高直接法测定煤层瓦斯含量的精准性。
1 直接法测定煤层瓦斯含量的原理
当煤样剥离原始煤体后，煤样暴露于大气之中，其周围环境的压力变成测定地点的大气压力，压力降低，煤样中游离瓦斯和吸附瓦斯的动平衡状态遭到了破坏，原来吸附于煤样中的瓦斯开始解吸，直至煤样中的瓦斯压力等于测定地点的大气压力而达到新的动态平衡[3]。直接法测定煤层瓦斯含量就是利用瓦斯解吸仪测定煤样解吸瓦斯量，根据其解吸规律和煤样暴露时间推算损失瓦斯量，实验室获取瓦斯残存量，得到瓦斯解吸量、瓦斯损失量和残存瓦斯解吸量之和即为煤层瓦斯含量。
2 直接法测定煤层瓦斯含量的步骤
直接法测定煤层瓦斯含量总体上分为井下煤样直接解析和实验室煤样瓦斯残存含量测定两部分，具体测试过程如图1所示。
图1 直接法测煤层瓦斯含量过程图
2.1 采取煤样，井下直接解析
选择合适的采样地点钻孔采集煤样后，立即装入煤样罐并拧紧密封，将密封后的煤样罐与瓦斯解析速度测定仪相连接，进行井下瓦斯解析。此过程要记录好暴露时间、开始解析时间，每隔一段时间量管读数等必要数据。开始一段时间每隔2min读取量管的读数，后期可延长到10-20min，当解析速度小于1nm/min时，停止解析，并按国标gbt 23250-2009（以下简称国标）[4]中的体积转换公式将每一次量管读数的体积转换为标准条件下的体积，计算累积解析瓦斯量v1，解析后将密封罐密封，及时送至实验室进行残存瓦斯含量测定。
一、瓦斯放散初速度（△p）的测定
1、制样：采取全层和分层煤样，煤样从最新暴露煤层面采取，其重量不少于1Kg， 并密封。采用60～80目的分析筛筛取粒度为0.2mm～0.25mm的煤样10克左右。
2、准备：取下带杯真空活塞下端的样杯，用甲苯擦洗样杯和活塞下端，待甲苯挥发后，从煤样中取出两份，每份重3.5克，装入煤样杯中，并在煤样面上铺上脱脂棉，然后在活塞下端均匀涂上一层真空脂，按顺序装上样杯。
3、气密性检查：开机预热20分钟后，使各煤样杯和梳形管相通，启动真空泵，转动活塞“Ⅱ”连通真空泵和梳形管。按动控制板上“2”键，待显示窗上视值接近0时（一般20分钟），转动活塞“Ⅱ”使真空泵和梳形管断开，同时启动秒表，如果10分钟后，视值＜20时，气密性良好。
4、脱气：旋转活塞“Ⅰ”使甲烷气源与梳形管断开，启动真空泵，缓慢旋转活塞“Ⅱ”使真空泵与梳形管相通，然后逐一旋转活塞芯使样杯与梳形管相通，脱气1.5小时。
5、吸附：煤样脱气1.5小时后，旋转各样杯上的活塞与梳形管断开，转动活塞“Ⅱ”使真空泵与大气相通，然后停真空泵。旋转活塞“Ⅰ”使甲烷气源与梳形管相通后，旋转各样杯上的活塞，使甲烷进入各样杯，样杯在近似一个大气压的条件下吸附甲烷1.5小时。
6、测定步骤：
在吸附结束前，按“预臵”键，输入测定日期、煤样编号，预臵完毕后，按“2”键，使仪器处于显示状态。
7、吸附结束后，旋转煤样活塞，关闭样杯与梳形管的气路。
8、旋转活塞“Ⅰ”使甲烷气源与梳形管断开而与检测器相通，
启动真空泵，缓慢旋转活塞“Ⅱ”使真空泵与梳形管相通，对测定系统抽真空，当显示窗显示值接近0时，2分钟后，转动活塞“Ⅱ”使真空泵和梳形管断开，然后按“监控”键，再按“采样”键，此时准备灯亮。
9、旋转活塞“1”使样杯“1”与梳形管相通，此时，测量灯亮，准备灯灭，仪器开始自动采集数据，1分钟后测量灯灭，测量数据自动存入储存器，表示第1个样杯测量结束，然后旋转活塞“1”使样杯“1”与梳形管断开。其余各样杯的测定，逐一按此步骤进行。
解吸法测定煤层瓦斯含量过程中瓦斯损失量3种推算方法对比分析
张向阳，郭孟志，宋传杨，高留强（郑州煤业集团白坪煤业公司，河南登封452470）摘要：基于井下解吸法直接测定煤层瓦斯含量过程中瓦斯损失量的重要性，采取全钻粉煤样在实验室不同压力条件下测定其解吸规律，然后运用3种损失量计算方法对瓦斯损失量计算结果进行分析比较，结果表明：槡t法更加符合钻屑初始阶段瓦斯解吸规律，采用该方法计算煤样瓦斯损失量误差较小。关键词：解吸法；瓦斯含量；瓦斯损失量中图分类号：TD712文献标志码：B文章编号：1003－496X（2012）08－0177－03
ComparativeAnalysisofThreeKindsofPredictionMethodofGasLossAmountDuringDetermingCoalSeamGasContentProcessByDesorptionMethodZHANGXiang－yang，GUOMeng－zhi，SONGChuan－yang，GAOLiu－qiang（BaipingCoalIndustryCompanyofZhengzhouCoalIndustryGroup，Dengfeng452470，China）Abstract：Basedontheimportanceofgaslossamountduringdirectlydetermingcoalseamgascontentprocessbydesorptionmethod，thedesorptionlawsoffulldrillingscoalsamplesunderthedifferentpressureconditionsofthelaboratoryweremeasured，andthenthreekindsofgaslossamountmethodswereusedtoanalyzeandcomparetheconclusionofgaslossamount．Theresultsshowedthat槡tmeth-odwasmoreinlinewiththegasdesorptionlawintheinitialstageofdrillcuttings，andithadalittleerrortocalculatethegaslossa-mount．Keywords：desorptionmethod；gascontent；gaslossamount煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量与瓦斯涌出量的基础，也是预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一［1］。可以说只有掌握了煤层原始瓦斯含量等基本参数才能有效的治理瓦斯灾害。我国的煤层瓦斯含量研究是在借鉴国外技术、经验的基础上发展起来的，目前煤层原始瓦斯含量测定方法有直接方法和间接方法［2］。间接方法需要测定煤层的瓦斯压力，而瓦斯压力的测定又受地质条件的限制，不易实现。现在普遍使用的直接法是井下钻孔解吸法，直接法比较简单易行，实际测定部分误差可以控制在较小的范围内，但是损失量计算值偏低，目前还没有一种很好的解决方法。针对这一情况，实验室研究模拟原始煤体吸附瓦斯状态做解吸试验，研究瓦斯解吸规律，最后运用3种瓦斯损失量计算方法（槡t法、幂函数法和井下瓦斯解吸损失量快速推算法）进行综合分析，确定合适的瓦斯损失量计算方法。1原理和方法在原始煤体中，一旦游离瓦斯和吸附瓦斯的动平衡状态遭到破坏，部分瓦斯的赋存状态会在一定时间内发生单方向的转化，直至建立新的动平衡状态。当煤样处于原始煤体中时煤样中的瓦斯压力等于原始煤体的瓦斯压力，煤样中的游离瓦斯和吸附瓦斯处于动平衡状态；当由于采掘作业使煤样被剥离煤体后，煤样暴露于大气之中，其周围环境的压力变成测定地点的大气压力，压力降低，煤样中游离瓦斯和吸附瓦斯的动平衡状态遭到了破坏，原来吸附于煤中的瓦斯开始解吸，直至煤样中的瓦斯压力等于测定地点的大气压力而达到新的动态平衡［3］。将白坪矿11191上副巷采集的二1煤层全钻粉煤样严密封装后送到实验室，进行脱气48h，然后充浓度为99．99%的CH4，在不同的压力下（0．3、0．6、0．9、1．2MPa）进行吸附24h后，在损失时间严格控制为2min（使测定结果具有可比性和规范性）的条·771·（2012－08）件下开始测定瓦斯解吸量，前10min每1min记录1次解吸量，以后每2min记录1次至30min结束或者解吸量＜2cm3/min为止。然后将不同压力下的煤样测定出残存瓦斯含量，并运用3种损失量计算方法进行计算损失量，最后进行比较分析，得出合理的瓦斯损失量计算方法。1．1槡t法此方法是根据煤样开始暴露一段时间内Vt0和槡t呈直线关系来进行确定，即［4］：Vt0=a+槡bt（1）式中：a、b为待定常数，当槡t=0时，Vt0=a，a值即为所求的损失瓦斯量。计算a值前首先以槡t为横坐标，以Vt0为纵坐标作图，由图大致判定呈线性关系的各测点，然后根据这些点的坐标值，按最小二乘法求出a值，即为所求的损失瓦斯量。1．2幂函数法1）根据式（2）拟合求出q0和n。qt=q0·（1+t）－n（2）式中：qt为时间t对应的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0为t=0时的对应的瓦斯解吸速度，cm3/min；t为包括取样时间t0在内的瓦斯解吸时间，min；n为瓦斯解吸速度衰减系数，0＜n＜1。2）煤样的损失瓦斯量按式（3）计算。Vs=q0（1+t0）1－n－11－[]n（3）式中：Vs为煤样损失瓦斯量，cm3；t0为煤样暴露时间（此试验中暴露时间为2min），min。1．3井下瓦斯解吸损失量快速推算法根据大量井下实测钻屑解吸量，得到一个相对有效的瓦斯解吸损失量的计算公式，按式（4）计算：Q损=2V1（4）式中：V1为在瓦斯含量测定仪中第1min测得的瓦斯解吸量（即煤样装罐后第1min的解吸量）；2为煤样暴露时间，min。由于研究角度和研究对象条件的差别，以上所列公式既有其合理的成分又有其不合理的成分。但只要所描述的规律符合现场解吸数据的规律，能较好地反映煤中瓦斯解吸特征，就比较合理。由于损失瓦斯量的计算只限于自钻屑脱离煤体至解吸测定这段很短的时间内，所以只要公式在该时段内具有显著拟合效果就可以［5］。根据当地地质和矿井实际条件，选择一个合适的估算瓦斯损失量的公式，就能避免测量瓦斯损失量偏低的情况。2瓦斯解吸规律不同压力下的煤样瓦斯解吸量随解吸时间的变化关系如图1。
总第１３２期
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１０．０９．００７
一种新的煤层瓦斯含量测定方法的研究
马合意 ，王兆丰 ，王 晋
（１．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作４５４００１；２．晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西晋城０４８０２１）
摘要：钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量 。 ，具有周期长、误差大、误时误工等缺点，不能满足实际需要。 文章以各类煤模拟测试数据为基础，通过运用ＥＸＣＥＬ、ＭＡＴＬＡＢＥ等软件回归分析处理，研究得到煤层瓦斯 含量快速计算新公式。通过实验室和现场验证，在利用新建立公式推算煤层的瓦斯含量时，误差小于 １０％，并且整个过程在１５ ｍｉｎ内完成，实现了煤层瓦斯含量井下现场快速测定。 关键词：瓦斯含量；瓦斯解吸；瓦斯含量快速测定；瓦斯含量计算公式；误差 中图分类号：ＴＤ７１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—２７９８（２０１０）０９—００１８．０４
Ａ Ｎｅｗ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ
ＭＡ Ｈｅ－ｙｉ ，ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ－ｆｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ
（１．Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆｌｌｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｔｗ ４５４００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｅｎｇｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｑ厂Ｂｌｕｅ Ｆｌａｍｅ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ ０４８０２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ａ ｌｏｎｇ ｃｙｃｌｅ，ｂｉｇ ｅｒｒｏｒ ａｎｄ ｌｏｓｓ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｉｍｅ ｗｈｅｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ｃｉｎｄｅｒ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｎｅｅｄｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏａｌｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｄａｔａ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｂｙ ＥＸＣＥＬ ａｎｄ ＭＡＴＬＡＢＥ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｅｔ ｕｐ ａ ｎｅｗ ｆｏｒｍｕｌａ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｃａｌｃｕｌａｔ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｑｕｃｋｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ａｎｄ ｌｏｃａｌｅ ｅｘｐｅｒ－ ｉｍｅｎｔ，ｗｈｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｗ ｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １０％．；ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｅｏｍ— ｐｌｅｔｅｄ ｗｉｔｈｉｎ １５ ｍｉｎｕｔｅｓ，ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｒａｐｉｄｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ；ｇａｓ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌａｗ；ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｒａｐｉｄｌｙ；ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ；ｅｒｒｏｒ
