煤矿井下快速测定采掘工作面残余瓦斯参数的装置及方法

摘要

本发明涉及一种煤矿井下快速测定采掘工作面残余瓦斯参数的装置及方法，该测定装置设有一个煤样罐，煤样罐的下部设有气动马达，气动马达的上部安装有旋转轴，旋转轴的侧面设有粉碎刀头，煤样罐的上部连通着导气管的一端，导气管的另一端连接着高精度压力表，导气管与煤样罐的接口处设有瓦斯截止阀，导气管的侧面通过连接软管与三通角阀的一个接口相连通，三通角阀的另外两个接口分别通过连接管与量管Ⅰ和量管Ⅱ的底部相连通。该测定方法包括煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量及甲烷含量曲线测定、工作面可解吸瓦斯量测定及采掘工作面残余瓦斯含量、压力和膨胀能大小计算。该方法测定工作面残余瓦斯参数所需要的时间短、工作量小、测定结果可靠性高，为工作面突出危险性预测和防突效果检验提供了多参数判定指标，对工作面防突技术的发展意义重大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定煤矿井下采掘工作面残余瓦斯参数的方法，尤其是井下快速测定采掘工作面可解吸瓦斯量并通过分析计算准确得出工作面残余瓦斯含量、残余瓦斯压力和残余瓦斯膨胀能的煤矿井下快速测定采掘工作面残余瓦斯参数的装置及方法。 

背景技术

随着矿井开采深度的延伸，多数矿井逐渐由瓦斯矿井向高瓦斯甚至突出矿井转变，瓦斯已成为制约矿区发展的主要因素之一。《防治煤与瓦斯突出规定》要求，突出矿井应当根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量对突出煤层进行区域突出危险性预测；并要求开采突出危险工作面时应当采用残余瓦斯压力、残余瓦斯含量这些证实有效的指标和方法，进行突出危险性预测和效果检验。因此，能否快速准确测定出工作面残余瓦斯含量和残余瓦斯压力已成为突出危险预测和效果检验的关键所在。现目前煤层瓦斯含量测定方法主要有直接法和间接法两类。直接法测定首先要在井下进行煤样粉碎前自然解吸瓦斯量的现场测定，然后将煤样送实验室进行粉碎后的自然解吸瓦斯量和残存瓦斯量的测定；间接法测定需要在井下实测出煤层瓦斯压力，并要求在实验室进行吸附常数（a、b值）、孔隙率及工业性分析参数的测定。上述两种方法测定工作量大，需要时间长，测定结果可靠性差；特别是在采掘工作面由于受测压封孔条件的限制无法准确测定出煤层残余 瓦斯压力。 

发明内容

为了解决现有的测定方法无法准确测定出煤层残余瓦斯压力的问题，本发明提供一种煤矿井下快速测定采掘工作面残余瓦斯参数的装置及方法，该方法在实验室通过煤的等温解吸实验，预先求得煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量曲线拟合方程和煤吸附甲烷不同平衡压力与甲烷含量曲线拟合方程；在采掘工作面突出危险性预测或防突效果检验时，利用井下快速测定装置测定出采掘工作面可解吸瓦斯量，再准确计算出工作面测定地点的残余瓦斯含量、残余瓦斯压力和残余瓦期膨胀能三项瓦斯参数；该方法测定瓦斯参数所需要的时间短、工作量小、影响因素少、测定结果可靠性高，并且适用于同一煤层采掘工作面多点快速测定，为工作面突出危险性预测和防突效果检验提供了多参数判定指标，具有更高的可靠性与安全性，对工作面防突技术的发展意义重大。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在实验室预先求得煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量曲线拟合方程和煤吸附甲烷不同平衡压力与甲烷含量曲线拟合方程；再利用井下快速测定装置测定出采掘工作面可解吸瓦斯量，最后通过准确计算求解出工作面残余瓦斯参数。 

井下快速测定装置设有一个筒状的煤样罐，煤样罐的外部设有起保护作用的壳体，煤样罐的下部固定设有气动马达，气动马达的上部匹配安装有旋转轴，旋转轴的侧面从上到下均匀错位设有粉碎刀头， 煤样罐的上部连通着导气管的一端，导气管的另一端连接着高精度压力表，导气管与煤样罐的接口处设有瓦斯截止阀，导气管的侧面通过连接软管与三通角阀的一个接口相连通，三通角阀的另外两个接口分别通过连接管与量管Ⅰ和量管Ⅱ的底部相连通，另外，量管Ⅰ和量管Ⅱ的底部通过连接管同时与水槽相通，量管Ⅰ和量管Ⅱ的上部侧面设有排气阀门。 

（1）煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量及甲烷含量曲线测定 

在井下取工作面新鲜煤样送实验室，首先测定出煤的视密度，然后将一定数量的煤样粉碎，称取粒度0.25mm～0.18mm煤样42g～45g装煤样罐，采用高压容量法进行煤的等温解吸实验。实验时要求煤样罐充高压甲烷放置在30℃水浴槽中6h以上待煤样吸附甲烷平衡后，然后每隔4h打开煤样罐阀门，放出一部分甲烷进入量管。每次放气前先读取煤样罐甲烷压力，再记录放气后量管排盐水体积，同时记录下环境大气压力和温度。根据上述记录的数据则可求解出煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量曲线拟合方程和煤吸附甲烷不同平衡压力与甲烷含量曲线拟合方程，具体数据处理过程可参照MT/T752-1997。 

上述实验室求得的曲线拟合方程，在工作面突出危险性预测和效果检验时可重复进行利用，具有较好的便捷性。 

（2）工作面可解吸瓦斯量测定 

测定时，首先钻取工作面测定地点的煤样，在钻孔钻至预定深度时开始计时，将采集到的新鲜煤样迅速装入煤样罐中密封；通过连接 软管把煤样罐与排水集气量管Ⅰ和量管Ⅱ相连，打开瓦斯截止阀，然后每隔一分钟记录排水集气量管Ⅰ和量管Ⅱ的排水量，要求记录30分钟以上。待排水量变化不明显时，再将煤样罐放置在气动马达的卡槽上，开启气动马达的气阀利用粉碎刀头对煤样罐中煤样进行粉碎；待排水集气量管Ⅰ和量管Ⅱ的排水量无明显变化时，记录排水量读数，然后把煤样进行称重并记录重量后测定工作即可结束。通过上述记录的时间、排水量数据和煤样重量则可计算出采掘工作面可解吸瓦斯量。 

（3）采掘工作面残余瓦斯含量、压力和膨胀能大小计算 

工作面瓦斯含量计算：利用求解出的压力与解吸量曲线拟合方程推算出工作面常压不可解吸瓦斯量；将测得的工作面可解吸瓦斯量与常压不可解吸瓦斯量相加，则可求得工作面瓦斯含量。 

工作面瓦斯压力计算：将工作面瓦斯含量代入求解出的压力与甲烷含量曲线拟合方程，通过反算即可求得工作面瓦斯压力大小。 

工作面瓦斯膨胀能计算：根据前述得到的可解吸瓦斯量和瓦斯压力，通过膨胀能计算公式进行分析计算，则可求得膨胀能大小。 

$w=\frac{{10}^6{p}_{0}v}{n-1}[{\left(\frac{p}{p_0}\right)}^{\frac{n-1}{n}}-1]$

式中：w—瓦斯膨胀能，J/kg； 

p₀-井下环境大气压力，由煤样罐上压力表读得，Mpa； 

v-可解吸瓦斯量，m³/kg； 

n—瓦斯绝热指数，取1.31； 

p—瓦斯压力，Mpa。 

本发明的有益效果是，该方法测定工作面残余瓦斯参数所需要的时间短、工作量小、影响因素少、测定结果可靠性高，并且适用于同一煤层采掘工作面多点快速测定，为工作面突出危险性预测和防突效果检验提供了多参数判定指标，具有更高的可靠性与安全性，对工作面防突技术的发展意义重大。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1是本发明所述装置的结构原理示意图。 

图2是本发明所述测定方法的原理流程图。 

图3是不同平衡压力下煤的解吸量及甲烷含量计算过程。 

图4是平衡压力与煤的解吸量关系曲线图。 

图5是平衡压力与煤的甲烷含量关系曲线图。 

图6是11071上顺槽不同测孔深度的残余瓦斯测定结果示意。 

图中，1.量管Ⅰ，2.量管Ⅱ，3.排气阀门，4.水槽，5.三通角阀，6.高精度压力表，7.瓦斯截止阀，8.煤样罐，9.粉碎刀头，10.壳体，11.气动马达，12.连接软管。 

具体实施方式

在图中，该测定装置设有一个筒状的煤样罐8，煤样罐8的外部设有起保护作用的壳体10，煤样罐8的下部固定设有气动马达11，气动马达11的上部匹配安装有旋转轴，旋转轴的侧面从上到下均匀错位设有粉碎刀头9，煤样罐8的上部连通着导气管的一端，导气管 的另一端连接着高精度压力表6，导气管与煤样罐8的接口处设有瓦斯截止阀7，导气管的侧面通过连接软管12与三通角阀5的一个接口相连通，三通角阀5的另外两个接口分别通过连接管与量管Ⅰ1和量管Ⅱ2的底部相连通，另外，量管Ⅰ1和量管Ⅱ2的底部通过连接管同时与水槽4相通，量管Ⅰ1和量管Ⅱ2的上部侧面设有排气阀门3。 

该测定方法测定采掘工作面残余瓦斯参数的步骤主要包括煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量及甲烷含量曲线测定、工作面可解吸瓦斯量测定及采掘工作面残余瓦斯含量、压力和膨胀能大小计算。 

（1）煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量及甲烷含量曲线测定 

在井下取工作面新鲜煤样送实验室，首先测定出煤的视密度，然后将一定数量的煤样粉碎，称取粒度0.25mm～0.18mm煤样42g～45g装煤样罐，采用高压容量法进行煤的等温解吸实验。实验时要求煤样罐充高压甲烷放置在30℃水浴槽中6h以上待煤样吸附甲烷平衡后，然后每隔4h打开煤样罐阀门，放出一部分甲烷进入量管。每次放气前先读取煤样罐甲烷压力，再记录放气后量管排盐水体积，同时记录下环境大气压力和温度。根据上述记录的数据则可求解出煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量曲线拟合方程和煤吸附甲烷不同平衡压力与甲烷含量曲线拟合方程，具体数据处理过程可参照MT/T752-1997。 

上述实验室求得的曲线拟合方程，在工作面突出危险性预测和效果检验时可重复进行利用，具有较好的便捷性。 

（2）工作面可解吸瓦斯量测定 

测定时，首先钻取工作面测定地点的煤样，在钻孔钻至预定深度时开始计时，将采集到的新鲜煤样迅速装入煤样罐8中密封；通过连接软管12把煤样罐8与排水集气量管Ⅰ1和量管Ⅱ2相连，打开瓦斯截止阀7，然后每隔一分钟记录排水集气量管Ⅰ1和量管Ⅱ2的排水量，要求记录30分钟以上。待排水量变化不明显时，再将煤样罐8放置在气动马达11的卡槽上，开启气动马达11的气阀利用粉碎刀头9对煤样罐8中煤样进行粉碎；待排水集气量管Ⅰ1和量管Ⅱ2的排水量无明显变化时，记录排水量读数，然后把煤样进行称重并记录重量后测定工作即可结束。通过上述记录的时间、排水量数据和煤样重量则可计算出采掘工作面可解吸瓦斯量。 

（3）采掘工作面残余瓦斯含量、压力和膨胀能大小计算 

工作面瓦斯含量计算：利用求解出的压力与解吸量曲线拟合方程推算出工作面常压不可解吸瓦斯量；将测得的工作面可解吸瓦斯量与常压不可解吸瓦斯量相加，则可求得工作面瓦斯含量。 

工作面瓦斯压力计算：将工作面瓦斯含量代入求解出的压力与甲烷含量曲线拟合方程，通过反算即可求得工作面瓦斯压力大小。 

工作面瓦斯膨胀能计算：根据前述得到的可解吸瓦斯量和瓦斯压力，通过膨胀能计算公式进行分析计算，则可求得膨胀能大小。 

$w=\frac{{10}^6{p}_{0}v}{n-1}[{\left(\frac{p}{p_0}\right)}^{\frac{n-1}{n}}-1]$

式中：w—瓦斯膨胀能，J/kg； 

p₀—井下环境大气压力，由煤样罐上压力表读得，Mpa； 

v—可解吸瓦斯量，m³/kg； 

n—瓦斯绝热指数，取1.31； 

p—瓦斯压力，Mpa。 

该发明的具体实施例为： 

安阳鑫龙煤业集团龙山煤矿位于河南省安阳县水冶镇，矿井设计生产能力50万t/a，主采二1煤层。二1煤层赋存于山西组下部，赋存标高+130.00～-510.00m，埋深30.00～680.00m，煤层厚度0.08～10.63m，平均厚5.21m。龙山矿为煤与瓦斯突出矿井，自建矿以来曾发生煤与瓦斯突出111次，最大一次突出发生在1999年4月6日13081切眼掘进时，突出强度为1070t，喷出瓦斯量167435m³。 

龙山矿于2011年10月开始对11071上顺槽进行沿空掘巷，为防止突出事故的发生，中国矿业大学通过应用工作面残余瓦斯参数快速测定方法对11071上顺槽沿空掘巷突出危险性进行了研究。 

1.11071上顺槽煤样实验室等温解吸实验 

在11071上顺槽取新鲜煤样送实验室，应用密度仪测得煤的视密度为1.45g/cm³；然后采用高压容量法进行30℃下煤的等温解吸实验，实验测得煤吸附甲烷不同平衡压力所对应的放气量数据如图3所示。 

由于不同平衡压力下所对应的放气量包含煤样罐死空间放气量、煤的解吸放气量及煤的游离甲烷放气量三部分。因此，求解煤的解吸，包括煤的游离甲烷放气量时应将煤样罐死空间放气量扣除。煤样罐死 空间体积大小采用如下公式计算： 

V_s=Vg-Vm 

V_m=G/ARD 

式中V_s—煤样罐死空间，cm³； 

Vg—煤样罐体积，cm³； 

Vm—煤样体积，cm³； 

G—煤样重量，g； 

ARD—煤样视密度，g/cm³。 

另外，在计算煤的解吸放气量时应考虑到甲烷的压缩系数以及实验环境压力和温度的影响。 

对图3中不同平衡压力下所对应的单位质量煤的解吸量数据进行拟合，可求得平衡压力与煤的解吸量关系曲线拟合方程，如图4所示。 

利用求解出的煤吸附甲烷不同平衡压力与解吸量关系曲线拟合方程： 

Q_j=1.2528P²+2.2888P+2.231 

式中Q_j—不同平衡压力下煤的解吸量，ml/g； 

P—煤吸咐甲烷平衡压力，MPa。 

若假想当平衡压力从常压0.101325MPa减小至0MPa时，根据上式则可推算出常压不可解吸瓦斯量为2.476ml/g，因此，可进一步求得不同平衡压力下所对应的单位质量煤的甲烷含量及拟合关系曲线方程，如图3及图5所示。 

2.11071上顺槽残余可解吸瓦斯量测定 

在11071上顺槽下巷帮布置了5个测孔，应用井下瓦斯解吸测定装置对5个测孔不同深度的残余可解吸瓦斯量进行了测定，测定结果如图6所示。 

3.11071上顺槽残余瓦斯含量、压力及膨胀能计算 

根据11071上顺槽常压不可解吸量为2.476ml/g，将测得的可解吸瓦斯量与常压不可解吸量相加，可求得11071上顺槽各测孔不同深度的残余瓦斯含量，如图6所示。 

利用平衡压力与煤的甲烷含量关系曲线拟合方程： 

Q_h=-0.6119P²+10.266P+3.8324 

式中Q_h—不同平衡压力下煤的甲烷含量，ml/g； 

P—煤吸咐甲烷平衡压力，MPa。 

可反算出11071上顺槽各测孔不同深度的残余瓦斯压力，如图6所示。 

利用瓦斯膨胀能计算公式： 

$w=\frac{{10}^6{p}_{0}v}{n-1}[{\left(\frac{p}{p_0}\right)}^{\frac{n-1}{n}}-1]$

式中：w—瓦斯膨胀能，J/kg； 

p₀—井下环境大气压力，由煤样罐上压力表读得，Mpa； 

v-可解吸瓦斯量，m³/kg； 

n—瓦斯绝热指数，取1.31； 

p—瓦斯压力，Mpa。 

可求得11071上顺槽各测孔不同深度的残余瓦斯膨胀能。 

由图6可知，11071上顺槽距离巷帮最大深度22m处，最大残余瓦斯含量为6.31ml/g，小于8ml/g；最大残余瓦斯相对压力为0.12，小于0.74MPa；最大残余瓦斯膨胀能为252.16KJ/Kg。因此，可以认为11071上顺槽处于邻近工作面采动卸压带范围内，沿空掘巷无突出危险性。