測試煤體瓦斯解吸特性的方法
2023-07-15 17:20:46 5
專利名稱：測試煤體瓦斯解吸特性的方法
技術領域：
本發明屬於煤礦安全開採中有關煤體瓦斯吸附解吸特性分析的技術領域，特別涉及一種測試煤體瓦斯解吸特性的方法。
背景技術：
煤體瓦斯的主要成分是烷烴，其中甲烷佔絕大多數。瓦斯災害一直是影響我國煤炭企業安全生產的重大災害之一，隨著開採深度的增加，這種事故災害的危害 性越來越大，已經成為制約我國煤炭行業發展的重要因素。瓦斯在煤巖中的賦存狀態包括游離狀態和吸附狀態兩種，游離瓦斯通常佔煤巖賦存瓦斯量的10%至20%，吸附瓦斯則佔80%至90%，二者處於動態平衡狀態。煤體的解吸特性是影響瓦斯湧出的重要因素，煤礦日常工作中需要不斷分析工作面煤體的解吸特性。礦井安全監測監控系統是煤礦井下安全避險「六大系統」之一，目前全國基本上所有煤礦均配有監測監控系統，實現了對煤礦井下瓦斯、一氧化碳濃度、溫度、風速等的實時動態監控。但是目前的礦井監測監控系統不能對煤體的瓦斯解吸特性實時動態分析。煤體瓦斯解吸特性是地質構造的產物，可用來判斷煤層瓦斯含量的高低和煤結構的變化。目前，煤體瓦斯解吸特性一般採用鑽屑瓦斯解吸指標K1和Λ h2表徵，可利用瓦斯解吸儀在實驗室和現場測定鑽屑瓦斯解吸指標K1和Λ h2。實驗室測定通過採集新暴露煤樣，通過實驗系統模擬研究煤礦井下溼式打鑽的鑽屑瓦斯解吸指標變化情況，測算出解吸指標K1和Λ h2。現場測定是在打鑽過程中，通過瓦斯解吸儀測定解吸指標K1和Λ h2。這些傳統的瓦斯解吸特性測定方法主要為接觸式，費工費時，不能實時動態分析煤體的瓦斯解吸特性。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠對煤體瓦斯解吸特性進行實時動態測試分析的測試煤體瓦斯解吸特性的方法。實現本發明目的的技術方案是提供一種測試煤體瓦斯解吸特性的方法，包括如下步驟①構建礦井安全監測監控系統，在煤巷的掘進巷道的距離掘進工作面處的小於等於5m的部位設置位於混合風流中的第一甲烷傳感器，在距離掘進巷道的進出口處的10至15m處設置位於混合風流中的第二甲烷傳感器，在位於與掘進巷道相鄰的巷道中設置局部通風機，且該局部通風機的外接風筒的出風口位於靠近掘進工作面的部位，該局部通風機的進風口則設置在局部通風機上，並且在局部通風機的進風口所朝方向的3至5m處設置第三甲烷傳感器。在掘進巷道中且距離掘進巷道的出口的18至22m處設置一個風速傳感器。②從礦井安全監測監控系統的監測數據中獲取掘進巷道中的第一甲烷傳感器和風速傳感器的實時監測數據，並以所得數據作為掘進工作面的混合風流的實時甲烷濃度數據C以及實時風速大小數據V，即時間為t時，對應的甲烷濃度數據為ct、實時風速大小數據Vt。
③通過查閱煤礦的掘進工作面的設計資料或通過測量的方法獲得掘進巷道設計的掘進工作面的斷面面積S1和風筒的出風口的橫截面面積s2。④根據步驟②和③獲得的數據，利用如下公式計算掘進工作面在正常開採過程中每間隔I分鐘所對應時間點的實時瓦斯湧出量Qt Qt=Ct · Vt(SrS2)，其中 t 為對應時間。⑤計算掘進工作面的煤體瓦斯解吸特性實時指標η。在煤礦正常開採過程中，煤體瓦斯湧出量的大小是隨著時間推移不斷波動的，在掘進工作面落煤開始時達到峰值。將煤礦正常開採過程中的每個瓦斯湧出量峰值所對應的時間t作為時間起點t』 =0，對煤礦正常開採過程中的每個瓦斯湧出量峰值後的20至30min內一段時間每間隔I至3分鐘計算所對應時間點的瓦斯湧出累計量Q』(t』)，在煤礦正常開採過程中的瓦斯湧出累計量Q』可採用公式Q』n來描述，以t』為橫坐標，瓦斯湧出累計量Q』為縱坐標，作出瓦斯湧出累計量曲線，利用Matlab中的lsqcurvefit函數對每個瓦斯湧出累計量曲線進行擬合，即可得到公式Q』n中指數η的大小，作為表徵相應的一個瓦斯湧出量峰值所對應的表徵煤體瓦斯解吸特性的實時指標η，對煤礦巷道的掘進工作面實時連續計算其正常開採過程中的每個瓦斯湧出量峰值的煤體瓦斯解吸特性實時指標η。步驟⑤中，瓦斯湧出累計量Q』n的推導過程是煤的瓦斯解吸速度可用冪關係式進行描述，其中vt，指解吸時間為t』時煤的瓦斯解吸速度。V1指解吸時間為Imin時煤的瓦斯解吸速度，即解吸初速度。kt，指衰減係數。現對上述冪關係式J7#| = Vt 的兩邊對t』積分
tIζ Vt, -dt1= ^V1 ·/^ · dt%Qf (t1) ^Qj (O) =. i + C
I — Iif r-上述表達式中，Qj (t')指時間為t』時煤的瓦斯解吸累計量。Qj(O)指時間為O時煤的瓦斯解吸量,大小為0，因此上述表達式可表達為
V ,Qj (^1) =----'t' +C
I —kt,=由於Qj (O) =0，代入上述表達式，則得到C=0，則得到
_9]
I' Kyε令nFAVd-kt，)，n=l_kt，，則上式可寫成Qj(t』)=m · t' n。在煤礦正常開採過程中，掘進工作面的落煤量是基本不變的，在落煤開始的瞬間，掘進工作面的瓦斯湧出量達到極大值，之後隨著落煤過程中風流的稀釋，瓦斯湧出量逐漸變小。由於掘進工作面落煤的過程相當於煤體解吸的過程，因此落煤過程的瓦斯湧出累計量與煤體解吸過程中瓦斯解吸累計量可互為彼此的相對指標，則瓦斯湧出累計量Q』也可以用上述推導得到的關係式來進行描述Q』(t』)=m · t' n。步驟①中，風速傳感器前後IOm內應無分支風流、無拐彎、無障礙、斷面無變化。第三甲烷傳感器用於檢測經過其所在位置的氣流中所含甲烷的數據，該數據作為掘進工作面進風流所含甲烷的數據。本發明具有積極的效果(I)本發明的測試煤體瓦斯解吸特性的方法與傳統的鑽屑瓦斯解吸指標預測法相比具有明顯的先進性，本方法基於現有礦井監測監控系統，省時省力，一方面降低了掘進工作面突出預測的勞動強度；另一方面能夠對煤體瓦斯解吸特性進行實時測試分析，達到了非接觸式動態分析的目的，是一種十分理想的煤體瓦斯解吸特 性測試方法。並且通過將本發明得到的瓦斯解吸特性的實時指標η和傳統的鑽屑瓦斯解吸指標K1以及Ah2進行對比分析，可以後續得出η的突出危險臨界值，從而為掘進工作面的煤與瓦斯突出預測提供依據。(2)本發明的測試煤體瓦斯解吸特性的方法不受人工操作等人為因素的影響，不影響生產，可大幅度降低瓦斯解吸分析費用；基礎信息完全來源於現有監測監控系統，在地面上就能夠實現煤體瓦斯解吸特性的實時動態測試；同時還可以判斷煤層瓦斯含量的高低和煤結構的變化。
圖I為煤礦中串聯通風的掘進工作面的礦井安全監測監控系統的設置示意圖；圖2為實施例I中煤礦在某年某月7日從5點12分到次日5點10分這段時間內的正常開採過程中掘進工作面的瓦斯濃度和風速曲線；圖3為實施例I中煤礦的掘進工作面在某年某月7日從5點12分到次日5點10分這段時間內的瓦斯湧出曲線；圖4為對圖3的瓦斯湧出曲線的從第194min到220min之間的26min內的瓦斯湧出量進行累計所得到的曲線；圖5為實施例I中的煤礦在某年某月7日到21日之間的15天的正常開採過程中的瓦斯解吸特性實時指標η的變化曲線以及用於對照的傳統的鑽屑瓦斯解吸指標Kl的變化曲線。上述附圖中的標記如下掘進巷道B，掘進工作面81，進出口82，巷道八，第一甲烷傳感器T1，第二甲烷傳感器T2，第三甲烷傳感器T3,風速傳感器S，局部通風機F，進風口 F1，出風口 F2，掘進巷道設計的斷面面積S1，風筒橫截面面積S2。
具體實施例方式(實施例I)本實施例針對吉林通化某煤礦的某一掘進工作面進行煤體瓦斯解吸特性的測定，本實施例的測試煤體瓦斯解吸特性的方法包括如下幾個步驟①構建礦井安全監測監控系統。見圖1，本實施例的掘進工作面BI屬於串聯通風煤巷的掘進巷道B的工作面，按照《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規範》的6. 4節的的6. 4. I中的煤巷、半煤巖和有瓦斯湧出巖巷的掘進工作面甲烷傳感器的設計規定的要求，在煤巷的掘進巷道B的距離掘進工作面BI處的小於等於5m的部位設置位於混合風流中的第一甲烷傳感器T1，在距離掘進巷道B的進出口 B2處的10至15m處設置位於混合風流中的第二甲烷傳感器T2，由於採用串聯通風的掘進工作面，還在位於與掘進巷道B相鄰的巷道A中設置被串工作面局部通風機F，且該局部通風機F的外接風筒的出風口 F2位於靠近掘進工作面BI的部位，該局部通風機F的進風口 Fl則設置在局部通風機F上，並且在局部通風機F的進風口 Fl所朝方向的3至5m處設置第三甲烷傳感器T3，第三甲烷傳感器T3用於檢測經過其所在位置的氣流中所含甲烷的數據，該數據作為掘進工作面進風流所含甲烷的數據。甲烷傳感器TpT2J3應垂直懸掛，距頂板不得大於O. 3m，距巷壁不得小於O. 2m。混合風流處的甲烷傳感器應有防止爆破衝擊的防護設施。仍見圖I，本實施例中，礦井安全監測監控系統還在距離煤礦的掘進巷道B的出口B2的20m處增加設置一個風速傳感器S，風速傳感器S前後IOm內應無分支風流、無拐彎、 無障礙、斷面無變化。②從礦井安全監測監控系統的監測數據中獲取掘進巷道B中的第一甲烷傳感器T1和風速傳感器S的實時監測數據，並以所得數據作為掘進工作面BI的混合風流的實時甲烷濃度數據C以及實時風速大小數據V，即時間為t時，對應的甲烷濃度數據為Ct、實時風速大小數據Vt。本實施例中，對掘進工作面BI在某年某月7日從5點12分到次日5點10分這段時間內採集該掘進面BI的每分鐘的甲烷濃度Ct和風速大小Vt的實時監測數據，其中t為對應時間，共1438組數據，如圖2所示，以7日5點12分作為時間零點，根據上述實時監測數據繪製該掘進工作面BI的瓦斯濃度和風速曲線，由圖可見，在150min時，甲烷濃度C15tl的大小為O. 49% (氣體百分比濃度)，實時風速V15tl的大小為2. 09m/s ;在900min時，甲烷濃度C900的大小為O. 54%，實時風速V900的大小為2. 15m/s。③見圖1，通過查閱煤礦的掘進工作面BI的設計資料或通過測量的方法獲得掘進巷道設計的掘進工作面BI的斷面面積S1和風筒的出風口 F2的橫截面面積S2,單位均為m2。本實施例中，該煤礦的掘進巷道B的掘進工作面BI的設計的斷面面積S1為12. 2m2，風筒的出風口 F2的直徑為500mm，風筒的出風口 F2的橫截面面積S2為O. 2m2。④根據步驟②和③獲得的數據，利用如下公式計算掘進工作面BI在上述時間段內每間隔I分鐘所對應時間點的實時瓦斯湧出量Qt，單位為m3/min,本實施例中共得到1438個數據Qt=Ct · Vt (S1-S2)，其中t為對應時間。例如，在時間150min時，通過步驟②得到的C15tl的大小為O. 49%，V150的大小為2. 09m/s,從而通過公式計算150min時的瓦斯湧出量Q15tl,單位為m3/min ；Q150=C150 · V150(S1-S2) =0. 49% X 2. 09 X (12. 2-0. 2)=0. 123m3/s=7. 37m3/min ；又如在時間900min時，通過步驟②得到的C9tltl的大小為O. 54%，V900的大小為
2.15m/s,從而通過公式計算900min時的瓦斯湧出量Q9tltl Q900=C900 · V900 (S1-S2) =0. 54% X 2. 15 X (12. 2-0. 2) =0. 139m3/s=8. 34m3/min ；按照上述方法可計算掘進工作面BI在上述相應時間段內每分鐘的對應實時瓦斯湧出量，然後根據計算出來的實時瓦斯湧出量Qt的大小及其所對應的時間值繪製得到掘進工作面BI在該時間段內的瓦斯湧出曲線，如圖3所示。⑤計算掘進工作面BI的煤體瓦斯解吸特性實時指標η。前人圍繞煤體瓦斯解吸特性也做了大量研究，研究結果表明煤的瓦斯解吸速度可
用冪關係式
權利要求
1.一種測試煤體瓦斯解吸特性的方法，其特徵在於，包括如下步驟 ①構建礦井安全監測監控系統，在煤巷的掘進巷道(B)的距離掘進工作面(BI)處的小於等於5m的部位設置位於混合風流中的第一甲烷傳感器(T1),在距離掘進巷道(B)的進出口(B2)處的10至15m處設置位於混合風流中的第二甲烷傳感器(T2),在位於與掘進巷道(B)相鄰的巷道(A)中設置局部通風機(F)，且該局部通風機(F)的外接風筒的出風口(F2)位於靠近掘進工作面(BI)的部位，該局部通風機(F)的進風口(Fl)則設置在局部通風機(F)上，並且在局部通風機(F)的進風口(Fl)所朝方向的3至5m處設置第三甲烷傳感器(T3);在掘進巷道(B)中且距離掘進巷道(B)的出口(B2)的18至22m處設置一個風速傳感器(S); ②從礦井安全監測監控系統的監測數據中獲取掘進巷道(B)中的第一甲烷傳感器(Tl)和風速傳感器(S)的實時監測數據，並以所得數據作為掘進工作面(BI)的混合風流的實時甲烷濃度數據C以及實時風速大小數據V，即時間為t時，對應的甲烷濃度數據為Ct、實時風速大小數據Vt ； ③通過查閱煤礦的掘進工作面(BI)的設計資料或通過測量的方法獲得掘進巷道設計的掘進工作面(BI)的斷面面積S1和風筒的出風口(F2)的橫截面面積S2 ； ④根據步驟②和③獲得的數據，利用如下公式計算掘進工作面(BI)在正常開採過程中每間隔I分鐘所對應時間點的實時瓦斯湧出量Qt Qt=Ct · Vt(S「S2)，其中t為對應時間； ⑤計算掘進工作面(BI)的煤體瓦斯解吸特性實時指標η； 在煤礦正常開採過程中，煤體瓦斯湧出量的大小是隨著時間推移不斷波動的，在掘進工作面(BI)落煤開始時達到峰值；將煤礦正常開採過程中的每個瓦斯湧出量峰值所對應的時間t作為時間起點t』=0，對煤礦正常開採過程中的每個瓦斯湧出量峰值後的20至30min內一段時間每間隔I至3分鐘計算所對應時間點的瓦斯湧出累計量Q』(t』)，在煤礦正常開採過程中的瓦斯湧出累計量Q』可採用公式Q』n來描述，以t』為橫坐標，瓦斯湧出累計量Q』為縱坐標，作出瓦斯湧出累計量曲線，利用Matlab中的Isqcurvefit函數對每個瓦斯湧出累計量曲線進行擬合，即可得到公式Q』n中指數η的大小，作為表徵相應的一個瓦斯湧出量峰值所對應的表徵煤體瓦斯解吸特性的實時指標η，對煤礦巷道的掘進工作面(BI)實時連續計算其正常開採過程中的每個瓦斯湧出量峰值的煤體瓦斯解吸特性實時指標η。
2.根據權利要求I所述的測試煤體瓦斯解吸特性的方法，其特徵在於步驟⑤中，瓦斯湧出累計量Q’t' n的推導過程是煤的瓦斯解吸速度可用冪關係式Vt, =進行描述，其中Vt，指解吸時間為t』時煤的瓦斯解吸速度；Vi指解吸時間為Imin時煤的瓦斯解吸速度，即解吸初速度；kt，指衰減係數；現對上述冪關係式Vt, = 一!的兩邊對t』積分 ￡>,· — 』= · -—^ -di\Qj W Qj (O) =· t 矣,+ C Jjf^gg ψ· t 上述表達式中，Q^t』)指時間為t』時煤的瓦斯解吸累計量；(^_(0)指時間為O時煤的瓦斯解吸量，大小為O，因此上述表達式可表達為'W'Jr' O (tf)=——·t』*—kt. + C 'I —kf,^ 由於Qj(O)=O,代入上述表達式，則得到C=0，則得到 O (^ f ψ1~~^ I jIfκ Jt9令 IIi=V1/ (l_kt，), n=l-kt，，則上式可寫成Qj(t』) =m · t; n ； 在煤礦正常開採過程中，掘進工作面(BI)的落煤量是基本不變的，在落煤開始的瞬間，掘進工作面(BI)的瓦斯湧出量達到極大值，之後隨著落煤過程中風流的稀釋，瓦斯湧出量逐漸變小；由於掘進工作面(BI)落煤的過程相當於煤體解吸的過程，因此落煤過程的瓦斯湧出累計量與煤體解吸過程中瓦斯解吸累計量可互為彼此的相對指標，則瓦斯湧出累計量Q』也可以用上述推導得到的關係式來進行描述Q』n。
3.根據權利要求I或2所述的測試煤體瓦斯解吸特性的方法，其特徵在於步驟①中，風速傳感器(S)前後IOm內應無分支風流、無拐彎、無障礙、斷面無變化； 第三甲烷傳感器(T3)用於檢測經過其所在位置的氣流中所含甲烷的數據，該數據作為掘進工作面進風流所含甲烷的數據。
全文摘要
本發明涉及一種測試煤體瓦斯解吸特性的方法，包括如下步驟首先在現有礦井安全監測監控系統的基礎上在距離煤礦的掘進巷道的出口20m處設置一個風速傳感器；然後從上述系統的監測數據中獲取掘進工作面的混合風流的實時甲烷濃度以及實時風速；再通過查閱或測量的方法獲得掘進工作面的斷面面積和風筒出風口的橫截面面積；然後根據上述數據計算在正常開採過程中每分鐘所對應的實時瓦斯湧出量；最後選取每個瓦斯湧出量峰值後的20至30min內一段時間的瓦斯湧出累計量作出瓦斯湧出累計量曲線，對每個瓦斯湧出累計量曲線進行擬合，得到瓦斯湧出累計量Q'(t')=m·t′n中指數n的大小，作為表徵相應的一個瓦斯湧出量峰值所對應的表徵煤體瓦斯解吸特性實時指標。
文檔編號G01N33/22GK102944664SQ20121050619
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者劉水文, 屈世甲, 李繼來, 呂鵬飛, 王芳 申請人:天地(常州)自動化股份有限公司, 中煤科工集團常州自動化研究院