一種煤礦井下快速測定煤層瓦斯參數的方法與裝置與流程
2023-10-17 02:58:14 2
本發明涉及一種測定煤層瓦斯參數的方法與裝置，特別是一種煤礦井下快速測定煤層瓦斯參數的方法與裝置。
背景技術：
隨著開採深度的增加，煤層瓦斯含量和地應力加大，突出危險程度更為嚴重，越來越成為影響煤礦安全生產的一個制約因素。煤層瓦斯壓力是評價煤層突出危險性與決定煤層瓦斯含量的一個重要指標，並在煤層突出危險性指標、重要性排序中位居前列。同時，煤層瓦斯壓力還是決定瓦斯流動動力以及瓦斯動力現象的潛能大小的基本參數，在研究與評價瓦斯儲量、瓦斯湧出、瓦斯流動、瓦斯抽採與瓦斯突出問題中具有指導意義。煤層瓦斯含量是預測煤與瓦斯突出危險性的重要指標，也是計算瓦斯儲量與瓦斯湧出量的基礎。鑽屑瓦斯解吸指標反映了煤的吸附解吸特性和物理結構特徵的突出預測指標，其與煤層瓦斯壓力、瓦斯含量和煤的力學特性有著密切關係，能夠可靠的反應煤與瓦斯突出危險的大小。因此，能否快速準確測定出煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和鑽屑瓦斯解吸指標意義重大。
目前，煤層瓦斯壓力的測定方法主要是井下的注漿封孔法；煤層瓦斯含量的測定方法主要有直接法和間接法兩類。直接法測定首先在井下進行煤樣的自然解吸，測其2h的瓦斯解吸量；根據煤樣瓦斯解吸規律選取合理的經驗公式推算煤樣裝入煤樣罐之前的瓦斯損失量；然後把煤樣罐帶回實驗室測殘存瓦斯量，三者之和即為煤層瓦斯含量。間接法測定需要在井下實測出煤層瓦斯壓力，並要求在實驗室進行吸附常數(a、b值)、孔隙率及工業性分析參數的測定。上述兩種方法測定工作量大，需要時間長，無法準確測定出煤層瓦斯壓力和含量
技術實現要素：
本發明的目的是要提供一種煤礦井下快速測定煤層瓦斯參數的方法與裝置，解決現有的測定方法無法準確的測定出煤層瓦斯參數的問題。
本發明的目的是這樣實現的：本發明的煤礦井下快速測定煤層瓦斯參數包括測定方法測定裝置。
所述的測定裝置有一個煤樣罐和瓦斯參數快速測定儀，煤樣罐通過導氣管與瓦斯參數快速測定儀的進氣口接通，進氣口與流量計的一端相接，流量計的另一端通過軟管與出氣口相接，同時通過導線與單片機相連；單片機設有數據存儲裝置，用於資料庫以及解吸數據的存儲；顯示器安裝在單片機上側，單片機另連接有本安控制電路，本安控制電路另與鋰電池電源相連，由鋰電池進行供電；瓦斯參數快速測定儀外殼另設有USB接口，充電接口和按鍵。
所述的測定方法是：實驗室進行解吸曲線與瓦斯參數對應關係的測定，並進行整理匯總成資料庫；然後利用瓦斯快速測定儀進行現場採集鑽屑解吸數據，與建立的資料庫進行對比，匹配出最接近的解吸曲線，獲得該曲線所對應的瓦斯含量參數。
具體步驟如下：
(1)實驗室資料庫的製備與建立
取新鮮煤樣密封保存後送至實驗室，進行煤的視密度和孔隙率的測定，同時按照規定粉碎煤樣並篩取粒徑為1-3mm的煤樣裝至煤樣罐，然後進行20℃下的等溫吸附實驗，然後分別在15℃、20℃和25℃環境溫度下進行等溫解吸實驗，將多組煤樣的解吸數據進行匯總，分別獲取三種溫度的解吸規律，並進行溫度校正，求解出解吸曲線和瓦斯參數對應的關係，最終建立以20℃、1～3mm粒徑的新鮮煤樣為條件的資料庫，資料庫設置15條解吸曲線及其對應的瓦斯含量參數，滿足現場測定瓦斯參數的範圍；
(2)煤層瓦斯參數的現場測定
測定前，應確保瓦斯參數快速測定儀能夠正常使用並檢查導氣管的密封性，鑽取工作面測定地點的煤樣，在見煤時，立刻按下瓦斯參數快速測定儀的按鍵進行暴露時間的測定，同時迅速篩取粒徑1-3mm的煤樣500g左右裝入煤樣罐；當煤樣罐密封嚴實後，迅速按下裝罐結束按鍵，並開始瓦斯解吸量的測定；
測定結束後，記錄井下的環境溫度並進行煤樣的稱重，在瓦斯參數快速測定儀上鍵入環境溫度與煤樣重量值，與建立的資料庫進行對比，匹配出最接近的解吸曲線，獲得該曲線所對應的瓦斯含量參數；
針對解吸數據與資料庫曲線的最佳曲線的選擇，採用最小二乘法，即利用解吸數據的開始點、結束點以及時間的中間點，三個點對應的解吸量與資料庫曲線對應時間點的解吸量逐一進行對比，選出誤差的平方和最小的一個曲線，即為最佳曲線，其對應的瓦斯參數就是測定結果。
其中解吸量與資料庫曲線進行比對的方法有直接匹配法和含損失量匹配法。
所述的直接匹配法是指：利用解吸數據，獲得累計解吸曲線，然後解吸曲線放入資料庫中與原有資料庫曲線進行對比，即將資料庫中所有曲線自動減去開始計算流量的時間點t0之前的解吸量，使用剩餘的解吸量進行對比的方法。
所述的含損失量匹配法是指：加上損失量後的解吸數據與資料庫進行對比，分為冪函數法和法；
a.法
法是根據煤樣開始暴露一段時間內Vt0和呈直線關係來進行確定的，即：
式中：a、b為待定常數，當時，Vt0＝a，a值即為所求的損失瓦斯量；計算a值前首先以為橫坐標，以Vt0為縱坐標作圖，由圖大致判定呈線性關係的各測點，然後根據這些點的坐標值，按最小二乘法求出a值，即為所求的損失瓦斯量；
b.冪函數法
將測得的(t，Vt)數據轉化為解吸速度數據然後對按下式擬合求出q0和n；
qt＝q0·(1+t)-n
式中：qt—時間t對應的瓦斯解吸速度，cm3/min；
q0—t＝0時的對應的瓦斯解吸速度，cm3/min；
t—包括取樣時間T0在內的瓦斯解吸時間，min；
n—瓦斯解吸速度衰減係數，0＜n＜1；
煤樣的損失瓦斯量按下式計算：
式中：Xs—煤樣損失瓦斯量，cm3；
T0—煤樣暴露時間，min；
即分別利用冪函數法和法計算獲取解吸數據中的損失量，繼而獲得整個解吸數據，然後與資料庫內曲線進行匹配。
有益效果，由於採用了上述方案，該方法不同的解吸曲線對應不同的瓦斯參數，對於一既定煤樣，解吸曲線和瓦斯參數是一一對應的；通過實驗室測定工作建立解吸曲線與瓦斯參數的資料庫，井下測定解吸數據後與已建立的資料庫進行匹配，迅速獲取其對應的瓦斯參數。該方法首先在實驗室進行煤的視密度、孔隙率以及等溫吸附實驗和等溫解吸實驗的測定，根據解吸數據求得解吸曲線與瓦斯參數對應的關係，並進行整理匯總成資料庫；然後在井下通過煤層瓦斯快速測定儀現場採集鑽屑解吸數據，與建立的資料庫進行對比，匹配出最接近的解吸曲線，從而獲得該曲線所對應的瓦斯含量等參數。該方法測定煤層瓦斯參數所需的時間短、工作量小、製作成本低、操作簡單、測定結果可靠性高，為評價煤層突出危險性提供判定指標，對工作面防突技術發展有著重要意義。解決了現有的測定方法無法準確的測定出煤層瓦斯參數的問題，達到了本發明的目的。
優點：該方法可同時測定多種煤層瓦斯參數值、時間短、工作量小、測定結果可靠，對於同一煤層不同測點均可以快速測定，對於預測煤與瓦斯突出危險性意義重大。上述實驗室所求的解吸曲線，可適用於同煤層不同測點的瓦斯參數的測定，適應能力強，便捷程度高。
附圖說明：
圖1是本發明所述裝置的結構原理示意圖。
圖2是本發明所述測定方法的原理示意圖。
圖3a是本發明的絕對瓦斯吸附量資料庫圖。
圖3b是本發明解吸量資料庫圖。
圖4a是本發明解吸數據與資料庫曲線的匹配前圖。
圖4b是本發明解吸數據與資料庫曲線的直接匹配法圖。
圖4c是本發明的解吸數據與資料庫曲線的含損失量匹配法圖。
圖中，1、煤樣罐；2、導氣管；3、進氣口；4、出氣口；5、USB接口；6、充電接口；7、按鍵；8、顯示器；9、瓦斯參數快速測定儀。
具體實施方式
本發明的煤礦井下快速測定煤層瓦斯參數包括測定方法和測定裝置。
所述的測定裝置設有一個煤樣罐1，煤層瓦斯參數快速測定儀9，以及分別設置在煤層瓦斯參數快速測定儀9內的單片機、流量計、數據存儲裝置、顯示器8、本安控制裝置、鋰電池電源、USB接口5、充電接口6和按鍵7；其特徵在於：所述的煤樣罐1的出氣口與導氣管2相連；所述的導氣管2的另一端與煤層瓦斯參數快速測定儀9的進氣口3相連；所述的進氣口3通過軟管與流量計的一端接通；所述流量計的另一端通過軟管接通出氣口4；所述的單片機與流量計相連；所述的數據存儲裝置安裝在單片機上；所述的顯示器8與單片機相連，安裝在單片機上側；所述的本安控制電路與單片機相連；所述鋰電池電源與本安控制電路相連；所述USB接口5與單片機相連；所述充電接口6與本安控制電路相連；所述按鍵7安裝在煤層瓦斯參數快速測定儀9外表面。
所述的測定方法是：實驗室進行解吸曲線與瓦斯參數對應關係的測定，並進行整理匯總成資料庫；然後利用瓦斯快速測定儀進行現場採集鑽屑解吸數據，與建立的資料庫進行對比，匹配出最接近的解吸曲線，獲得該曲線所對應的瓦斯含量參數。
具體步驟如下：
(1)實驗室資料庫的製備與建立
取新鮮煤樣密封保存後送至實驗室，進行煤的視密度和孔隙率的測定，同時按照規定粉碎煤樣並篩取粒徑為1-3mm的煤樣裝至煤樣罐，然後進行20℃下的等溫吸附實驗，然後分別在15℃、20℃和25℃環境溫度下進行等溫解吸實驗，將多組煤樣的解吸數據進行匯總，分別獲取三種溫度的解吸規律，並進行溫度校正，求解出解吸曲線和瓦斯參數對應的關係，最終建立以20℃、1～3mm粒徑的新鮮煤樣為條件的資料庫，資料庫設置15條解吸曲線及其對應的瓦斯含量參數，滿足現場測定瓦斯參數的範圍。
(2)煤層瓦斯參數的現場測定
測定前，應確保瓦斯參數快速測定儀能夠正常使用並檢查導氣管的密封性，鑽取工作面測定地點的煤樣，在見煤時，立刻按下瓦斯參數快速測定儀的按鍵進行暴露時間的測定，同時迅速篩取粒徑1-3mm的煤樣500g左右裝入煤樣罐；當煤樣罐密封嚴實後，迅速按下裝罐結束按鍵，並開始瓦斯解吸量的測定；
測定結束後，記錄井下的環境溫度並進行煤樣的稱重，在瓦斯參數快速測定儀上鍵入環境溫度與煤樣重量值，與建立的資料庫進行對比，匹配出最接近的解吸曲線，獲得該曲線所對應的瓦斯含量參數；
針對解吸數據與資料庫曲線的最佳曲線的選擇，採用最小二乘法，即利用解吸數據的開始點、結束點以及時間的中間點，三個點對應的解吸量與資料庫曲線對應時間點的解吸量逐一進行對比，選出誤差的平方和最小的一個曲線，即為最佳曲線，其對應的瓦斯參數就是測定結果。
其中解吸量與資料庫曲線進行比對的方法有直接匹配法和含損失量匹配法。
所述的直接匹配法是指：利用解吸數據，獲得累計解吸曲線，然後解吸曲線放入資料庫中與原有資料庫曲線進行對比，即將資料庫中所有曲線自動減去開始計算流量的時間點t0之前的解吸量，使用剩餘的解吸量進行對比的方法。
所述的含損失量匹配法是指：加上損失量後的解吸數據與資料庫進行對比，分為冪函數法和法；
a.法
法是根據煤樣開始暴露一段時間內Vt0和呈直線關係來進行確定的，即：
式中：a、b為待定常數，當時，Vt0＝a，a值即為所求的損失瓦斯量；計算a值前首先以為橫坐標，以Vt0為縱坐標作圖，由圖大致判定呈線性關係的各測點，然後根據這些點的坐標值，按最小二乘法求出a值，即為所求的損失瓦斯；
b.冪函數法
將測得的(t，Vt)數據轉化為解吸速度數據然後對按下式擬合求出q0和n；
qt＝q0·(1+t)-n
式中：qt—時間t對應的瓦斯解吸速度，cm3/min；
q0—t＝0時的對應的瓦斯解吸速度，cm3/min；
t—包括取樣時間T0在內的瓦斯解吸時間，min；
n—瓦斯解吸速度衰減係數，0＜n＜1；
煤樣的損失瓦斯量按下式計算：
式中：Xs—煤樣損失瓦斯量，cm3；
T0—煤樣暴露時間，min；
即分別利用冪函數法和法計算獲取解吸數據中的損失量，繼而獲得整個解吸數據，然後與資料庫內曲線進行匹配。
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
實施例1：該測定裝置設有一個煤樣罐1，煤層瓦斯參數快速測定儀9，煤樣罐1通過導氣管2與煤層瓦斯參數快速測定儀9的進氣口3接通，進氣口3與流量計的一端相接，流量計用於採集鑽屑解吸數據；流量計的另一端通過軟管與出氣口4相接，同時通過導線與單片機相連，將採集的解吸數據傳送到單片機並進行分析；單片機設有數據存儲裝置，用於資料庫以及解吸數據的存儲；顯示器8安裝在單片機上側，用於實時觀測；單片機另連接有本安控制電路，為整個儀器裝置提供電路保護；本安控制電路另與鋰電池電源相連，由鋰電池進行供電；煤層瓦斯參數快速測定儀9外殼另設有USB接口5，用於程序的編寫和數據的拷貝；充電接口6用於儀器的充電；按鍵7用於儀器的操作。
本發明的煤層瓦斯參數快速測定的方法：
(1)取新鮮煤樣密封保存後送至實驗室，進行煤的視密度和孔隙率的測定，同時按照規定粉碎煤樣並篩取粒徑為1-3mm的煤樣裝至煤樣罐，然後進行了20℃下的等溫吸附實驗，然後分別在15℃、20℃和25℃環境溫度下進行等溫解吸實驗，多組煤樣的解吸數據進行匯總，分別獲取三種溫度的解吸規律，並進行了溫度校正，求解出解吸曲線和瓦斯參數對應的關係，最終建立了以20℃、1～3mm粒徑的新鮮煤樣為條件的資料庫，如圖3所示，考慮到現場測定的瓦斯參數的範圍，資料庫設置了15條解吸曲線及其對應的瓦斯含量等參數。
(2)井下測定前，應確保儀器能夠正常使用並檢查導氣管的密封性，鑽取工作面測定地點的煤樣，在見煤時，立刻按下儀器的按鍵進行暴露時間的測定，同時迅速篩取粒徑1-3mm的煤樣500g左右裝入煤樣罐；當煤樣罐密封嚴實後，迅速按下裝罐結束按鍵，並開始瓦斯解吸量的測定；測定結束後，記錄井下的環境溫度並進行煤樣的稱重，在儀器上鍵入環境溫度與煤樣重量值，與建立的資料庫進行對比，匹配出最接近的解吸曲線，從而獲得該曲線所對應的瓦斯含量等參數。其中解吸數據與資料庫進行比對的方法主要有直接匹配法和含損失量匹配法。如圖4-a所示，為測試解吸數據與資料庫對比之前的曲線。直接匹配法是指利用解吸數據，獲得累計解吸曲線，然後解吸曲線放入資料庫中與原有資料庫曲線進行對比，即將資料庫中所有曲線自動減去開始計算流量的時間點t0之前的解吸量，使用剩餘的解吸量進行對比的方法，如圖4-b所示。含損失量匹配法是指加上損失量後的解吸數據與資料庫進行對比，分為冪函數法和法，即分別利用冪函數法和法計算獲取解吸數據中的損失量，繼而獲得整個解吸數據，然後與資料庫內曲線進行匹配，如圖4-c所示。針對解吸數據與資料庫曲線的最佳曲線的選擇，採用最小二乘法，即利用解吸數據的開始點、結束點以及時間的中間點，三個點對應的解吸量與資料庫曲線對應時間點的解吸量逐一進行對比，選出誤差的平方和最小的一個曲線，即為最佳曲線，其對應的瓦斯參數就是測定結果。
上述實驗室所求的曲線擬合方程，可適用於同煤層不同測點的瓦斯參數的測定，適應能力強，便捷程度高。