不同取样深度对可解析瓦斯含量影响的研究及应用.docx
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不同取样深度对可解析瓦斯含量影响的研究及应用
不同取样深度对可解析瓦斯含量影响
的研究与及应用
一、项目概况
煤层原始瓦斯含量测定方法根据应用范围可分为地质勘探钻孔中应用的方法和矿井下应用的方法两大类；根据方法本身的特点，又可分为直接法和间接法。
二、项目可行性研究
1、直接方法测定煤层原始瓦斯含量研究现状
直接方法的原理：
通过测定或推算一定质量的煤芯在有限时间内所解析出的所有瓦斯在标况下的体积，可得到单位质量煤芯所解析出的瓦斯含量，即为煤层瓦斯含量。
利用专门的仪器在钻孔中采样，再采用某种方法对损失瓦斯量加以补偿。
根据采样工具及补偿方式的不同，可分为：
地勘钻孔瓦斯解析法、井下钻孔瓦斯解析法和煤芯采取器法等。
1.1地勘钻孔瓦斯解析法
这是一种在煤田地质勘探和煤层瓦斯地面开发时最常用的煤层原始瓦斯含量测定方法，该方法最早是由美国矿业局提出的。
煤炭科学研究总院抚顺分院于良臣等人在我国部分煤田进行工业试验的基础上，对该方法进行了改进，完善了测定中所用的成套仪器和工具，并制定了煤炭工业部标准《煤层瓦斯含量和成分测定方法（解析法）》。
此后，地勘钻孔瓦斯解析法在我国煤田地质勘探部门得到了广泛地推广应用，并一直沿用至今。
地勘钻孔瓦斯解析法测定煤层原始瓦斯含量的基本原理与依据为：
1.1.1从地面钻孔采集原始煤体煤芯，用瓦斯解析仪在地面直接测定其解析瓦斯量及解析规律；
1.1.2根据解析初始段的实验数据，按累计解析瓦斯量与煤样解析时间的平方根成正比例的关系推算规律；
1.1.3按煤芯提至钻孔深度的一半时开始解析瓦斯，煤样的解析瓦斯量与解析时间遵循规律，据此来推算煤样从开始采集至解析测定前的损失瓦斯量；
1.1.4在实验室测定煤样中残存瓦斯量；
1.1.5测定和计算的损失瓦斯量、解析瓦斯量和残存瓦斯量这三部分之和即为煤层原始瓦斯含量。
1.2井下钻孔瓦斯解析法
该方法是在地勘钻孔瓦斯解析法原理的基础上改进、发展而形成的井下煤层原始瓦斯含量直接测定方法。
主要应用于我国生产矿井的本煤层、石门、即将揭穿的煤层及邻近层原始瓦斯含量测定。
抚顺分院井下钻孔瓦斯解析法测定煤层原始瓦斯含量的基本原理与依据为:
1.2.1打煤层钻孔采集煤屑（本煤层）或穿层钻孔采集煤芯（石门揭煤或邻近层），用解析仪在井下直接测定煤样的不同解析时间下的解析瓦斯量及总解析量。
1.2.2计算损失瓦斯量在测定时，从钻孔见煤时开始计时，直至开始进行煤样瓦斯解析测定这段时间即为煤样解析测定前的暴露时间。
显然，可根据瓦斯解析规律及损失时间推算损失瓦斯量。
1.2.3在实验室测定煤样中残存瓦斯量。
1.2.4测定和计算的解析瓦斯量，损失瓦斯量和残存瓦斯量这三部分之和即为煤层原始瓦斯含量。
1.2.5与地勘钻孔瓦斯解析法相比，该法具有明显优点:
一是暴露时间短，一般为3-5分钟，易准确进行测定；二是煤样在钻孔中的解析条件与空气中大致相同，无泥浆和泥浆压力的影响。
1.3煤芯采取器法
前苏联地区广泛采用煤芯采取器法测定煤层原始瓦斯含量。
煤芯采取器是一个前端开口的圆柱体，开口的一端有丝扣可以拧上钻头。
钻取煤芯后，在孔外拧下钻头，用带阀门的密封罐密封，然后送实验室脱气，进行煤芯瓦斯含量测定。
用煤芯采取器法测定煤的瓦斯含量时，在钻取煤芯和密封过程中，会有一部分瓦斯量损失掉，损失瓦斯量的大小取决于煤芯瓦斯解析速度和煤样的暴露时间。
从每个钻孔选取不同暴露时间的煤样，测定每个煤样的瓦斯含量，并根据测定结果绘制不同暴露时间煤的瓦斯含量的变化曲线，据此即可推算出不同暴露时间的损失瓦斯量。
2、间接方法测定煤层原始瓦斯含量研究现状
间接方法的原理：
现场井下直接测定煤层瓦斯压力、取煤样（全层样）实验室测定煤的吸附常数、工业分析等指标，根据朗格缪尔方程进行瓦斯含量的计算。
本项目只研究分析直接方法测定煤层瓦斯含量，所以不对间接方法进行过多的研究。
三、项目所采用的技术原理及技术分析
目前我单位使用的是DGC型瓦斯含量测定装置对各矿进行瓦斯含量测定。
DGC型瓦斯含量直接测定装置是用于煤层瓦斯含量、可解析瓦斯含量测定的成套实验装备，分为井下部分和地面部分，地面需建立专门的实验室。
我单位现有地面专门的实验室和专职的实验人员，并且有进行瓦斯含量测定工作所需的各项设备，可以满足各矿所需的瓦斯含量测定工作。
1、DGC装置的原理
2、DGC装置的组成
2.1井下取芯系统
2.2井下解析系统
2.3地面瓦斯解析系统
2.4称重系统
2.5粉碎解析系统
2.6数据处理系统
3、DGC装置测定技术工艺
3.1损失瓦斯含量（W1）：
测定煤样初始解析速度、损失时间，采用瓦斯解析模型推算得到。
3.2粉碎前自然解析瓦斯量（W2）：
常压下井下解析仪测定井下解析量（W21）和地面解析仪测定解析量（W22）。
3.3粉碎自然解析瓦斯量（W3）：
采用粉碎机粉碎煤样加速瓦斯解析，用地面解析仪测定在粉碎过程瓦斯解析量（W3）。
3.4常压吸附瓦斯量（Wc）：
采用a、b吸附常数、工业分析等指标应用朗格缪尔方程进行计算。
4、DGC装置使用操作方法
4.1DGC装置
4.2DGC装置使用流程图
4.3瓦斯含量测定时序图
5、数据处理及计算系统
5.1粉碎前常压解析瓦斯含量W2：
标况下单位质量煤样井下瓦斯解析量W21与标况下单位质量煤样实验室瓦斯解析量W22）之和。
5.2粉碎解析瓦斯量W3：
标况下单位质量煤样粉碎解析瓦斯量。
5.3常压吸附瓦斯量Wc：
瓦斯压力为0.1Mpa时采用朗格缪尔方程计算得到。
5.4可解析瓦斯含量：
W可=W1+W2+W3
5.5瓦斯含量：
W=Wc+W可
数据处理及计算系统图
四、项目研究主要内容
煤层瓦斯解析含量测定法是在地勘法的基础上发展起来的，长期实践表明，把地勘法计算瓦斯损失量的方法引用来计算井下瓦斯损失量的数值普遍偏低，造成该问题的根本原因是瓦斯在空气介质中和存在泥浆压力的泥浆介质中解析规律截然不同。
1、瓦斯量的计算
通过试验和理论分析得出，煤样在刚开始暴露的一段时间内，累计解析的瓦斯量与煤样解析时间的平方根成正比例，即:
（1）
式中，Vz为煤样自暴露时起至解析测定时的瓦斯总解析量，mL；
k为比例常数，mL/min0.5；
t0为煤样在解析测定前的暴露时间，min；
t为煤样解析测定时间，min。
显然，解析测定测出的瓦斯解析量V1仅为煤样总解析量Vz的一部分，仅是t0到t那部分解析量，解析测定前煤样在暴露时间t0时己损失的瓦斯量
，由此：
（2）
目前图解法因其不精确性已不常用，而最常用的是用最小二乘法来计算瓦斯损失量。
这种方法是采用直接拟合解析量与时间关系，通过分析拟合的截距来计算瓦斯损失量。
式
（2）为直线方程式，可用最小二乘法求出常数k和V2。
为了计算方便，将不同时间下测得的解析量数据按式（3）换算成标准状态下的体积。
（3）
式中，V0为换算为标准状态下的气体体积，mL；
V为量筒内瓦斯体积，mL；
Pa为大气压力，Pa；
tw为量筒内水温，℃；
hw为量筒内水柱高度，mm；
Ps为tw下饱和水蒸气压力，Pa。
2、同一工作面钻孔不同取样深度的瓦斯含量测定值比较分析
本次实验分别从龙山矿、贺驼矿、大众矿各选取一个工作面进行分析、比较。
2.1龙山矿23煤柱工作面分析
附表一：
龙山矿23煤柱工作面取样数据
序号
孔深（m）
可解析瓦斯含量（m³/t）
1
46.5
3.1257
2
21
3.5293
3
29.5
2.9726
4
30.75
3.9853
5
30.75
3.4842
6
42
1.537
7
45.75
4.5282
8
21.75
3.5022
9
40
2.5404
10
60
2.8904
11
22
4.3352
附图一：
龙山矿23煤柱工作面孔深与可解析量对比图
本次试验选取的是23煤柱工作面，共取10个煤样，每个煤样孔深均不同。
不同孔深下的瓦斯含量如附图一所示，由附图一可以看出钻孔孔深最深为60m，但是瓦斯含量不是最高；随着取样深度的增加，钻孔施工困难，取样误差将会增大；同时取样深度增加，取样时间随之增加，瓦斯损失量随取样时间的增加而增加；煤芯取样困难，煤芯不够完整，也直接导致测量值的误差。
测试表明，在取样深度达到20m至40m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定20～40m是最佳取样深度，在此取样深度范围内，误差范围小，取样时间合理，测定结果可靠。
2.2贺驼矿1108工作面分析
附表二：
贺驼矿1108工作面取样数据
序号
孔深（m）
可解析瓦斯含量（m³/t）
1
54.72
3.2939
2
65.36
2.4591
3
42.5
1.8931
4
66
2.8951
5
38
3.0809
6
55
3.2077
7
51.68
2.4056
8
76
2.4810
9
50
4.3509
10
55.48
3.5958
11
70
0.8924
12
9.5
1.5197
13
15.5
2.6856
14
40.5
3.7856
附图二：
贺驼矿1108工作面孔深与可解析量对比图
本次试验选取的是1108工作面，共取14个煤样，每个煤样孔深均不同。
不同孔深下的瓦斯含量如附图二所示。
随着取样深度的增加，钻孔施工困难，取样误差将会增大；同时取样深度增加，取样时间随之增加，瓦斯损失量随取样时间的增加而增加；煤芯取样困难，煤芯不够完整，也直接导致测量值的误差。
测试表明，在取样深度达到40m至60m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定40～60m是最佳取样深度，在此取样深度范围内，误差范围小，取样时间合理，测定结果可靠。
2.5大众矿11011工作面分析
附表五：
大众11011工作面取样数据
序号
孔深（m）
可解析瓦斯含量（m³/t）
1
34
0.2503
2
30
0.2231
3
27.5
0.9247
4
31.5
0.4344
5
32.1
0.5421
6
33
0.2424
7
35.25
0.3056
8
34.5
1.2062
9
33.2
0.2153
10
46.5
0.2951
11
28.5
0.6006
附图五：
大众矿11011工作面孔深与可解析量对比图
本次试验选取的是11011工作面，共取11个煤样，每个煤样孔深均不同。
不同孔深下的瓦斯含量如附图五所示。
随着取样深度的增加，钻孔施工困难，取样误差将会增大；同时取样深度增加，取样时间随之增加，瓦斯损失量随取样时间的增加而增加；煤芯取样困难，煤芯不够完整，也直接导致测量值的误差。
测试表明，在取样深度达到30m至40m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定30～40m是最佳取样深度，在此取样深度范围内，误差范围小，取样时间合理，测定结果可靠。
2.6综合分析
根据上述所测定数据来分析如下：
随着取样深度的增加，钻孔施工困难，取样误差将会增大；同时取样深度增加，取样时间随之增加，瓦斯损失量随取样时间的增加而增加;煤芯取样困难，煤芯不够完整，也直接导致测量值的误差。
每个矿的地质条件、瓦斯赋存条件不相同，并且每个矿的抽放效果也不一样，所以不同的取样深度瓦斯含量不相同。
所以每个矿的最佳取样深度也就不一样。
龙山矿在取样深度达到20m至40m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定20～40m是最佳取样深度。
贺驼矿在取样深度达到40m至60m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定40～60m是最佳取样深度。
红岭矿在取样深度达到45m至55m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定45～55m是最佳取样深度。
主焦矿在取样深度达到30m至50m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定30～50m是最佳取样深度。
大众矿在取样深度达到30m至40m区间时测得瓦斯含量相对比较接近，为了减小工程量和取样时间，确定30～40m是最佳取样深度。
上述各矿的最佳取样深度范围合理，误差范围小，测定结果可靠。
五、项目实际应用效果
煤层瓦斯解析含量测定法测定工艺简单、测定时间短，可大量布置测定，测定速度快、准确度高、结果可靠，为快速测定煤层瓦斯含量提供了有效的技术支持。
通过我单位对贺驼、龙山、红岭、主焦、大众等矿的实际取样结果来看，取样结果非常准确，能够客观的反应出井下各地点的瓦斯含量情况。
并且在取样期间为矿井节省了大量人力、物力并进一步的缩短了取样时间，还能够确保取样工作快速开展。
为矿井的正常生产作业提供了一个有力的保障，并为矿井的正常生产节省了时间，以便矿井能够有充足的时间开展其它瓦斯治理工作。
六、项目取得的经济效益和社会效益
本项目不直接产生经济效益，但是可以给煤矿带来一定的指导作用，并且可以给煤矿的瓦斯治理工作带来一定的启发，便于日后更好的进行瓦斯治理工作；确保矿井的安全生产。
本项目虽然不会直接的产生经济效益，但是能够为矿井的正常生产提供一个强有力的保障，从而间接的创造了经济效益。
并且，本项目会对矿井瓦斯治理工作产生促进作用，提高矿井生产的安全系数。
从而创造出大量的社会效益。
取样结果的准确性能够为矿井的日常决策提供一个非常直观的数据，为矿井节省了大量人力、物力并进一步的缩短了取样时间，为矿井的正常生产节省了时间。
七、项目推广应用前景和意义
该项目还是具有非常好的应用前景和意义，可以让各煤矿在瓦斯治理工作中带来不一样的思路，可以更加扩展瓦斯治理的思路和方法。
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