一種煤與瓦斯突出參數井下快速測定方法及裝置與流程
2023-06-21 23:54:36
本發明提出一種基於煤層瓦斯含量和解吸速度規律確定煤與瓦斯突出參數的井下測定方法及測量裝置，涉及礦山（煤礦）安全技術。
背景技術：
煤與瓦斯突出災害為礦山（煤礦）災害事故之一，煤與瓦斯突出是煤礦生產中遇到的一種極其複雜的礦井瓦斯動力現象，它能在極短的時間內，由煤體向巷道或採場空間拋出大量的煤炭，並噴出大量的瓦斯的安全事故，不僅會造成重大人員傷亡，還會造成國家財產損失。
煤與瓦斯突出突出是在多種因素作用下發生的，這些因素包括煤巖的地應力狀態、瓦斯在煤巖中的賦存狀態、煤巖的物理力學性質及採煤情況等。煤層瓦斯含量是突出必不可少的因素，並且只有瓦斯含量達到臨界值，突出才有可能發生。因此，煤層瓦斯含量作為預測煤與瓦斯突出的指標，如美國和澳大利亞目前採用瓦斯含量作為預測煤與瓦斯突出的指標。中華人民共和國2009 年新頒布實施的《防治煤與瓦斯突出規定》裡面，也將瓦斯含量作為區域措施消突效果檢驗指標之一。煤層瓦斯含量是計算礦井瓦斯儲量和預測瓦斯湧出量的基礎，也是預測煤與瓦斯突出的重要參數之一。
瓦斯含量測定有直接測定法和間接測定法。間接法比較複雜，它是利用煤的某些特性（如吸附性能、瓦斯解吸特性等），在煤礦現場測定各有關參數（如瓦斯壓力、煤層溫度、煤質等），然後將樣本送至實驗室測定煤的孔隙率、吸附常數值等參數，一般利用朗繆爾方程計算出煤層瓦斯含量，這種方法需要測定的參數較多，最終算出的瓦斯含量誤差較大。直接法是在新暴露的煤壁，石門或巖石巷道打鑽採集煤樣，現場測定自然解吸瓦斯量，將樣本帶回實驗室測定殘存瓦斯含量，計算取樣時的瓦斯損失量。該方法的關鍵是確定採樣過程中煤樣的瓦斯損失量，其實質問題是對煤樣解吸初始階段解吸規律的確定，其流程：現場鑽孔、取樣、裝罐、密閉、上井、送至實驗室、採用複雜笨重裝備測定、抽真空、加溫等措施測定煤層的瓦斯含量，根據其解吸規律和煤樣暴露時間推算損失瓦斯量，然後將得到瓦斯解吸量、瓦斯損失量和殘存瓦斯解吸量之和即煤層瓦斯含量。這種方法測定煤層瓦斯含量需要耗費大量時間。此外，需要多個煤樣進行統計計算獲得較準確值。
20世紀80年代末期，煤炭科學研究總院撫順分院在德國埃申研究院研究基礎上研製成功了GWRVK-1型電容柵式瓦斯解吸儀。該解吸儀是根據瓦斯含量與解吸速度之間存在著線性關係，瓦斯解吸速度隨時間的變化符合冪指數關係，預先貯存的各種煤樣在實驗室所測的解吸特性指標和經驗公式，使用時只需現場測定煤樣瓦斯解吸速度，利用瓦斯解吸特性指標便可計算出煤層瓦斯含量。使用這種方法需要提前在實驗室測定待測點煤樣的解吸指標，不是快捷方便的測定方法。「十五」期間，煤炭科學研究總院重慶研究院通過技術攻關，建立了損失瓦斯量推算模型，確定了新的煤層瓦斯含量直接測定的工藝流程和計算模型，並公開發明專利煤層瓦斯含量快速測定方法（專利CN101551377A） 和煤層可解吸瓦斯含量的直接快速測定方法（專利號：CN101135621A），這種方法測定時間一般小於8個小時，與間接解吸測定煤層瓦斯含量法相比，縮短了測定時間、簡化了工藝流程，但是仍然存在損失量推算模型誤差大以及無法避免實驗室測定殘存瓦斯量步驟的問題，不能實現真正的井下快速測定瓦斯含量。為了實現井下煤層瓦斯含量快速測定，撫順分院在1993~1995年期間提出了一種新的鑽屑解吸法，並以此為基礎研製了WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測定儀。WP-1 型瓦斯含量快速測定儀利用井下煤層鑽孔採集煤屑，自動測定煤樣的瓦斯解吸速度，然後利用預先設計的瓦斯解吸速度與煤層瓦斯含量的線性關係，推算煤層瓦斯含量。由於不需要測定取樣損失瓦斯量和試樣的殘存瓦斯量，測定周期大大縮短，整個測定周期僅需 15～30min，實現了井下煤層瓦斯含量快速測定；然而，不同破壞程度的煤，其瓦斯解吸速度和瓦斯含量的線性係數存在較大差異，用一組固定的係數值來測定井田內不同破壞程度的煤層瓦斯含量時，測定的結果誤差較大，仍然無法滿足安全生產的實際需求。
因此，需要一種適合煤礦開採現場條件下快速、準確的方法和設備解決煤與瓦斯突出參數井下快速測定的問題。
技術實現要素：
為了解決現有技術手段的不足之處，本發明提供一種基於煤層鑽屑自然解吸規律，設計一種基於貝葉斯概率理論為基礎，井下現場實測數據為先驗信息的快速準確測定煤與瓦斯突出的新技術，形成一種高效、準確的瓦斯含量測定方法，為煤礦安全作業提供依據。
為了實現上述目的，將煤層瓦斯含量分為瓦斯損失解吸速度V1和損失量Q1、井下自然可解吸瓦斯解吸速度V2解吸量Q2、未能直接測量的殘餘可解吸速度V3瓦斯量Q3、常壓吸附平衡狀態下的不可解吸瓦斯量Q4等4部分。為了獲得上述的4部分的瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量，如下所述。
（1）現場煤屑取樣階段。
根據煤層構造設計鑽孔位置、傾角、方位、深度等；用鑽機實施鑽孔，至預先設計的深度處記錄起鑽時間，為煤樣暴露時間t0；繼續鑽進至設計深度處，利用風力或水力排出煤屑；用雙層篩網（孔徑為1.0mm和3.0mm）分選煤屑，裝入煤樣罐，要求煤樣暴露時間至裝罐時間小於2分鐘，該段時間為損失瓦斯解吸速度V1和損失量Q1。
（2）井下自然條件下瓦斯解吸速度和解吸量實測階段。
迅速測定將（1）所述的煤樣罐接入儀器，測量煤樣罐中瓦斯解吸速度和瓦斯含量，開始測量時間記為t1，並測量大氣壓力、溫度等參數。連續觀測時間要求60～120分鐘，測定頻率為6Hz，共記錄數據21600～43200組，每組數據含測定時間、瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、壓力、溫度等參數；並對煤樣稱重。該段時間為井下自然可解析速度井下自然可解吸瓦斯解吸速度V2解吸量Q2。
（3）殘餘可解吸速度V3瓦斯量Q3階段。
煤樣經過上述的（2）步驟60～120分鐘的測量，煤樣中仍還殘餘瓦斯解析速度和瓦斯含量井下現場條件下不必再進行測量。該部分稱為殘餘可解吸速度V3瓦斯量Q3。
（4）常壓吸附平衡狀態下的不可解吸瓦斯量Q4。
在常溫常壓條件下， 煤樣暴露一定時間（一般為 24小時～72小時）後不再解析瓦斯，但仍吸附少部分的瓦斯，只有在實驗室條件下採用高溫、真空等實驗室條件下解析獲得，該部分瓦斯稱為常壓吸附平衡狀態下的不可解吸瓦斯量Q4。
（5）煤層瓦斯解吸規律模型及計算方法。
由上述（2）步驟獲得的海量數據組基於貝葉斯概率統計學規律回歸分析計算（1）步驟所述的損失瓦斯解吸速度V1和損失量Q1，以及（2）步驟所述殘存可解吸V3和損失量Q3。具體測定方法如下。
a、觀測量的修正
將觀測結果換算為標準大氣壓力和溫度狀態下解吸速度和體積，如下式：
上式中，標準狀態下時刻的瓦斯解吸速度或解吸量，
為時刻儀器實際測量的瓦斯解吸速度和解吸量，
為時刻井下大氣壓力，
為時刻井下大氣溫度。
a、損失瓦斯解吸速度和瓦斯量計算
煤樣解吸速度與暴露時間符合乘冪指數衰減規律，即：
式中從開始的瓦斯解吸時間；
時間時刻對應的瓦斯解吸速度；
為時對應的瓦斯解吸速度；
瓦斯解吸速度衰減係數。
利用前9分鐘測量數據，採用貝葉斯概率方法回歸分析獲得煤樣的初始解吸速度和衰減係數，獲得現場煤屑取樣階段損失的瓦斯解吸速度，然後利用積分算法，可獲煤樣損失瓦斯解吸量 。
貝葉斯理論框架建立在概率論的基礎上，它將數據信息與模型先驗信息聯繫起來，通過模型的先驗信息來約束模型的後驗參數，把反演問題與觀測數據信息、模型信息以及先驗信息推理聯繫起來。在此基礎上得到數學解的條件期望、方差、置信區間等具有統計意義的結果，這使得貝葉斯方法能更好應用已知信息，從而得到更加可靠的輸出結果。貝葉斯的數學模型如下：
式中， 是常量，表示在煤與瓦斯突出參條件下發生瓦斯突出災害的概率， 是已知數據 條件下隨模型 變化的函數，表達的是模型參數 與觀測數據 之間的相對概率，在貝葉斯反演計算中，它的大小反映了模型響應與觀測數據的適配程度，即已知數據約束下，煤層瓦斯解吸的統計概率模型。由此，可求得瓦斯的初始解吸速度及其置信區間。
b、殘餘可解吸速度 和瓦斯量 計算。
同樣道理，利用30～120分鐘的實測數據採用a所述方法可獲得井下未能直接測量的殘餘可解吸速度 和瓦斯量 。
c、不可解吸瓦斯量計算
對於特定煤田或採掘工作面而言，煤結構成分相對固定，故煤層的常溫常壓瓦斯吸附和游離平衡狀態下的不可解吸瓦斯量為固定值，井下快速測定可直接輸入參數計算，公式如下：
上式中， 煤的瓦斯吸附量常數，煤的吸附壓力常數，煤的灰分，煤的水分，煤的孔隙率，煤的容重，上述參數依據區域地勘實測值輸入。
不可解吸瓦斯解吸速度為0。
d、煤層瓦斯壓力和瓦斯含量計算
綜合累加上述瓦斯含量得到工作面的煤層的瓦斯含量。並利用瓦斯解吸量根據a所述公式解算瓦斯壓力。
d、鑽屑解吸指標
由上述模型計算獲得煤樣瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量，並由此參數計算煤與瓦斯突出前1分鐘參數，即 和 ，公式如下：
附圖說明
圖1本發明煤與瓦斯突出參數井下快速測定方法及流程圖。
圖2 本發明開發的儀器測量裝置原理示意圖。圖中：1為瓦斯氣體產生裝置，即煤樣罐裝入200g粒度均勻煤樣，自然解吸瓦斯；2、瓦斯單向流通管道，直徑1.5~3mm軟管；3、氣體過濾器，過濾瓦斯可能攜帶的粉塵、露珠等；4、瓦斯單向流通管道，直徑1.5~3mm軟管；5、瓦斯解吸速度、解吸量、大氣壓力、溫度綜合數字傳感器，採樣頻率6Hz；6、瓦斯單向流通管道，直徑1.5~3mm軟管；7、（可選項）玻璃轉子氣體計量，校準儀器讀數；8、傳感器傳輸的採集數據至微型計算機；9、微型計算機給傳感器的控制信號；10、微型計算機，記錄數據、圖形顯示、人機互動等；11、重量傳感器。
圖3 煤樣罐結構示意圖。圖中：2-1為煤樣罐蓋；2-2煤樣罐俯視圖；2-3瓦斯氣體導出接口；2-4為煤樣罐體，內徑60mm，容積200ml。
圖4 雙層篩網結構示意圖。圖中：3-1為篩網，上層網眼直徑3.0mm，下層網眼直徑1.0mm；3-2為篩網的俯視圖；3-3為篩網平視圖。
具體實施方式
結合圖1所示的煤與瓦斯突出參數快速測定方法及流程圖按如下過程操作：
步驟一，施工準備。
依據本發明開發的煤與瓦斯測定儀器，配套的秒表（儀器亦開發相應的秒表計時功能），鋼篩（孔經1.0mm與3.0mm），風力或風水動力鑽機裝備等。
步驟二，鑽孔布置。
在煤礦採掘工作面煤層實施鑽孔，由於開採擾動，為了準確獲得原煤結構煤與瓦斯突出參數，設計採樣深度不少於12m，石門或巖石巷道採樣時，距煤層的垂直距離不得小於5m；此外，同一地點應鑽取兩個煤樣，間距不小於5m。
步驟三，井下鑽屑取樣。
距離設計深度處，開始計時t0，利用帶壓風狀態下將煤屑吹出，孔口直接篩取煤屑或定點取樣篩取煤屑，粒經1~3mm，質量200g左右，迅速裝入煤樣罐。煤樣從鑽屑揭露到被裝入煤樣罐開始測定所用時間小於2分鐘。保持煤樣罐的氣路接頭與外界暢通，防止煤樣解吸的瓦斯與外界產生過大的壓力差，影響測量精度。
步驟四，瓦斯解吸速度和解吸量實測。
將煤樣罐的排氣接頭接入儀器測量導氣管路，啟動儀器運行按鈕，實測瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、大氣壓力、環境溫度。採樣率6Hz，測量時間60~120min（可預先設計測量時間）。
步驟五，煤與瓦斯突出參數計算。
步驟四測量的原始數據後，根據本發明所述的數學模型計算煤與瓦斯突出參數相關結果。包括：瓦斯含量，煤層瓦斯壓力，鑽屑解吸指標等。
步驟六，記錄和輸出測量結果。
將上述步驟測量的原始數據、計算結果記錄存儲介質，並輸出。
最後應指出的是：上述步驟僅用以本發明的技術方案的標準實施步驟，而非對其限制，本領域的普通技術人員應當理解，可以依據工作現場條件對前述的技術方案進行調整，或者對其部分或全部技術特徵等同變型；而這些修改或變型，並不使得相應技術方案的本質脫離本發明的精神和範圍。