煤层瓦斯含量间接快速测定方法研究

摘要

煤层瓦斯含量是瓦斯治理和煤层气开发的关键基础参数，存在测定时间长难以实现经常性大量测定的难题。本文采用理论分析、实验研究和现场实验相结合的方法，研究了瓦斯含量间接快速测定方法。 首先基于Fick扩散定律，得到了用瓦斯初期解吸速率特征参数间接计算瓦斯含量的模型。理论研究和实验分析了粒度、粒形、温度、暴露时间等因素对瓦斯解吸速率特征参数的影响；粒度的影响主要集中在内扩散主导控制作用阶段，扩散速率与粒径平方成反比；粒形导致煤屑单位质量内有效扩散面积的不同，其初始解吸速率也存在着较大的差异，片状>圆柱>球形，随着解吸时间的延长，粒形对解吸扩散影响程度逐渐降低；温度对不同扩散形式（气相扩散及表面扩散）的影响可归结于对扩散系数及解吸速率的影响。上述研究成果为煤层瓦斯含量间接快速测定奠定了理论基础。 依据不同因素对解吸的影响，得出了在间接快速测定瓦斯含量时应对煤样粒径、测定时间、验证依据等进行确定。通过研究确定了1-3mm的煤样较为适合该方法，测定时间为煤样开始暴露15min内。通过图像扫描法统计了1-3mm煤样质量大于15g时平均粒径稳定在1.75mm左右，且符合对数威布尔分布，由此得到快速测定所需的煤样质量以20g为宜。 发明了多级喷射助力水尾，完善了深孔定点快速取样技术，实现了2min内快速定点取样，解决了煤样暴露时间准确计时的问题，并得出了取样深度和输入功率的关系模型。同时集成创新了DGC型瓦斯含量直接测定装置，并实验证明了其准确性，解决了间接快速测定瓦斯含量的现场验证依据和现场快速测定的技术关键。 提出了针对具体煤层将瓦斯含量间接快速测定过程分为学习和应用两个阶段。学习阶段修正解吸特征参数与瓦斯含量的模型关系，应用阶段依据测定解吸规律和修正的模型计算瓦斯含量。瓦斯含量快速测定仪在大湾煤矿进行现场实验，快速测定结果与DGC测定结果对比的最大相对误差仅为5.84%，满足工业性应用要求。形成了包含现场验证依据、取样、测定方法的瓦斯含量间接快速测定成套技术。

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