残存瓦斯含量测定过程中瓦斯吸附常数a、b值的合理性选取分析
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残存瓦斯含量测定过程中瓦斯吸附常数a、b值的合理性选取分析
摘要：科学检测井内瓦斯含量对保护旷工的井下安全作业具有十分重要的意义，因此，本文侧重讨论残存瓦斯的含量测定中瓦斯吸附常数合理取值问题。
关键词：残存瓦斯；瓦斯含量测定；瓦斯吸附常数
前言：煤体内部存有大量孔隙，因而总体表面积很大，是瓦斯的天然吸附剂。
煤层瓦斯含量是指单位质量煤中所含有的瓦斯体积，可具体细分为很多种类，如煤层原始瓦斯含量、煤层残存瓦斯含量、煤的可解吸瓦斯含量、煤的瓦斯容量等。
其中，煤层残存瓦斯含量检测是井下煤体瓦斯含量检测的重点内容之一。
一、矿井开拓、开采现状
现今在矿井开拓、开采过程中，下煤组一采区、二采区为主要生产区，下煤组一采区内分布着三条采区巷道，分别是一采区轨道下山、一采区皮带下山、一采区回风下山，其均沿15号煤层布置。
有1个11501验收工作面下煤组一采区，11502运输巷、11502高抽巷2个掘进工作面；下煤组二采区布置有1个11505回采工作面以及11507运输巷、11507高抽巷2个掘进工作面。
11505回采工作面采用走向长壁式低位放顶煤采煤法，后退式开采，采煤工作面长度为150m，走向长度775m，采煤工作面装备有MGTY250/600-WD型双滚筒采煤机，ZF4000/17/28型综采放顶煤液压支架，SGZ-7604/400型刮板输送机，工作面运输巷选用带式输送机运输。
二、影响煤层瓦斯含量值的相关变量
在煤层瓦斯含量测定中，主要涉及损失瓦斯量、现场解吸瓦斯量、残存瓦斯含量，将这几项数值相加所得到的总值就是该煤层中的瓦斯总含量。
而煤层瓦斯压力和煤体吸附常数a、b等变量会影响损失量、解吸量和残存量的取值，对煤层瓦斯含量值有间接影响。
瓦斯损失量指从矿井打孔导致煤样暴露在空气当中起，直到将煤样装罐的这一段时间中，煤体中瓦斯气体的散失数量，这通常用记录与计算的方式来获取结果。
现场解吸瓦斯量指在提取煤体样本的现场，将采得的煤样装到罐子里，煤样在罐子中所释放出来的瓦斯气体量，这通常用直接观测的方式来取值。
残余瓦斯
是指经过现场解吸过程之后，煤体样本中所存有的瓦斯气体量，这通常需要拿到实验室中用专业实验仪器来检测取值。
在恒定温度条件下，煤体的吸附量与外界压力关系可以表示为朗格缪尔方程关系：X=a•b•P/(1+b•P)。
在这一公式中：X是指在压力p条件下，煤体的可燃质吸附瓦斯量，单位是cm3/g•r；P是指瓦斯压力，单位是MPa；a是煤体的吸附常数，当p→∞时，即为煤的可燃质饱和吸附量，单位为cm3/g•r；b是煤体的吸附常数，单位为MPa-1。
综上所述a、b两个常数的取值对煤层的瓦斯含量测定具有重要意义。
三、脱气法测定残存瓦斯含量的实验步骤
残存瓦斯含量的测定方法通常有常压自然解吸法和脱气法两种。
脱气法测定煤体残存瓦斯含量的具体实验步骤为：
第一步，在矿区煤层中采集约200克左右的新鲜煤芯，碎煤块也可以，将其装入特制的真空罐或其他种类的密封容器中，确保密封良好，作为试验样本。
第二步，将试验样本送到实验室中，常温放置，并且进行“脱气”试验
第三步将煤样加热至95摄氏度进行真空脱气，在这一过程中要抽取容器中气体进行色谱分析。
第一次脱气完成
第四步，从真空罐中取出煤样，放到密封球磨罐中进行打磨粉碎，粉碎标准为保证80%以上的煤样颗粒度小于0.25mm。
第五步，对装有粉碎后煤样的球磨罐按第一次煤样脱气步骤加热至真空状态，进行煤样脱气，直到煤样总体上再无气体解吸为止。
第二次煤样脱气完成。
第六步，各自测算上述两次脱气所得气体中的氧气含量，扣除实验过程中混入的空气成分，换算出没有空气基的气体成分，再综合气体体积、气体成分、煤样重量和煤质分析结果等要素，算出一单位的煤体中所含有的瓦斯气体含量，即煤体残存瓦斯含量。
四、根据容量法测定等温吸附曲线及a、b吸附常数计算
1、容量法测定等温吸附曲线实验步骤
煤体在其变质过程中，一方面会生成瓦斯及其他挥发性物质，一方面会形成以芳香核为基本单元的聚合体，即一种多孔物质，用来吸附瓦斯气体。
在一定压力条件和温度条件下，测定煤体微孔中所容纳的瓦斯量即为容量法。
用容量法可
以绘制煤体等温吸附曲线，即在恒温条件下吸附达到平衡状态时，煤体的瓦斯吸附量与压力之间的关系曲线。
第一步将采集的煤样放在吸附容器中，在真空条件下进行加热脱气，对颗粒间空隙体积、吸附剂微孔体积、容器参与空间体积等指标进行测算。
第二步在恒温条件下加入一定体积的气体，在容器内形成一定的压强，让煤体吸附部分气体，形成吸附平衡状态，测定所加入气体的剩余体积和压力现状。
第三步将气体起始体积和最终体积做差，就可得到在给定温度和气体压强状态下被煤体吸附的气体体积。
可事先在吸附容器中注入高压气体，然后分次排气，顺次计算，直到瓦斯压力降到1at为止，以取得各测定中的瓦斯吸附平均压力和吸附量之间的一一对应关系，以保证测试的精确度。
2、煤体吸附常数a、b与残存瓦斯含量的关系及常数测算公式
a、b吸附常数分别代表了压强趋于无穷和压强为1时煤体中可燃质的极限瓦斯吸附量。
在实验室条件下，可利用高压吸附装置，对某一固定质量煤样的几组瓦斯压力与瓦斯吸附量的对应数据进行测算，然后将测算数值代入朗格缪尔方程，经过回归计算即可得出a、b常数值，再按照a、b常数取值反算朗格缪尔方程就可以得到残存瓦斯含量值。
a、b吸附常数的其计算公式为：
3、实际操作中a、b吸附常数测算的优化办法
通常说来，随着矿区区域的变化，残存瓦斯含量也会发生变化，而相同矿区内残存瓦斯含量分布相对均匀，即使有变化也多符合正态分布规律，其数据取值误差属于正常范围。
在矿区煤层瓦斯含量的实际检测工作中，对各区煤样的a、b逐一进行测定取值会让探测工作变得更加繁琐。
因此，在实际的含量测算中，较为科学的做法可以分为以下两方面：
第一方面，可以在相同矿区的地质单元内，均匀地分布好煤体的采样点，依据所测算出的a、b值测算该地质区域内的残存瓦斯含量平均值，然后利用残存值计算出该区域内的瓦斯含量；
第二方面，可以在相同矿区的地质单元内，间断地布置煤体的采样点，各自
测定其a、b常数取值，计算出残存瓦斯含量，再根据就近原则选择相应的常数值测算各个具体地段的瓦斯含量。
五、与瓦斯参数测定工作相关经验简介
1、与瓦斯参数测定工作相关的现代装备简介
随着我国矿井采矿工程技术的不断提高，与瓦斯参数测定工作相关的防突装备和瓦斯参数测定仪器配置水平也有所提高。
现代矿井中，在防突装备方面，通常需要配备10台左右的大型钻机，5台左右型号为ZQSJ-100/2.5的手持式钻机；在防突仪器配备方面，通常需配备3台左右WTC瓦斯突出综合参数测定仪，1台瓦斯突出参数预报仪，1台WP-1井下煤层瓦斯含量快速测定仪，1台DMF煤层钻孔瓦斯流量仪，1台MD-98煤钻屑瓦斯解析仪，2台GPD主动式煤层瓦斯压力测量仪。
在瓦斯参数测定方面，在通风区可根据各地点的具体施工进度情况，合理安排抽采放突人员测定瓦斯基础参数，包括原始含量、原始压力、K1值、钻屑量等等；在提取煤芯煤样之后都及时送往实验室分析，并将每次测定的参数值及时记录到台账中，并依样绘制出瓦斯地质图，为瓦斯地质分析工作源源不断地提供了历史参考依据。
2、现代瓦斯临时抽采现场工作经验简介
现代矿井工程施工中，有时会遇到地面永久抽采系统已经设计完毕，但受其他因素如供电影响无法立即运行的情况，这时应建立临时抽采系统。
对于临时抽采系统也应安装两套低浓度阻火、泄爆和抑爆装置。
为提高临时抽采管路的强度，应采用吊锚杆吊挂，特制专用吊挂件与扁铁、花篮螺丝组合来吊挂采管路，在全部钻孔连接处安装铜质管嘴，在管路低洼处设置防水器，根据班次实时放水。
在铺设临时抽采系统管路时，可选用φ300mm钢骨架复合管布置上煤组回风巷、主副风联络巷、材料巷、运输巷、联络巷和副井井筒。
3、现代瓦斯地质动态预警系统建设简介
为提高瓦斯地质预警动态管理水平，可在矿井生产技术部配备瓦斯地质专业技术人员，与地质学科专业学术水平过硬的高等院校合作，共同绘制编辑矿井瓦斯地质图。
从专业人才引进和专业材料积累两方面入手，建立现代瓦斯地质动态预警系统。
结论：对于煤层瓦斯含量的检测工作来说，提高a、b吸附常数的测算精确度，
要广泛借鉴现代瓦斯地质抽采工作经验，科学设计矿区中煤样的采集密度，或在相同矿区的地质单元内，均匀地分布好煤体的采样点，或在相同矿区的地质单元内，间断地布置煤体的采样点，优化a、b吸附常数的测算效率。
