陳紹杰，李改革，趙向鋒，周逸飛

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

密封取樣測定煤層瓦斯含量試驗研究

陳紹杰，李改革，趙向鋒，周逸飛

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

針對直接法測定煤層瓦斯含量存在的取樣過程損失瓦斯量大等問題，基于“正轉(zhuǎn)取樣，反轉(zhuǎn)密封”思想，研制了密封取樣裝置，實驗室開展了瓦斯吸附解吸實驗，在現(xiàn)場進行了密封取樣與孔口接渣取樣測定煤層瓦斯含量對比試驗。結(jié)果表明：密封取樣能夠?qū)崿F(xiàn)定點取樣，能夠取到碎屑狀煤樣，且取樣后不用考慮瓦斯漏失；由于退鉆過程所取煤樣被密封，導致井下初始瓦斯解吸量較大，其瓦斯損失量計算方法不能采用現(xiàn)有的常規(guī)補償模型，可采用“2段法”補償方法；密封取樣測定煤層瓦斯含量測值比孔口接渣取樣提高6.2%～12.9%。密封取樣技術(shù)能夠有效應用于井下煤層瓦斯含量測定。

密封取樣；損失瓦斯量；瓦斯含量；對比測定

0 引言

煤層瓦斯含量是反映煤層瓦斯賦存的重要基礎參數(shù)，其準確測定對于煤與瓦斯突出預測、瓦斯抽采效果評價、瓦斯涌出量預測等尤為重要[1]。目前，我國煤礦現(xiàn)場普遍采用井下直接解吸法測定煤層瓦斯含量，其中應用較多的是利用孔口接渣取樣測定煤層瓦斯含量，孔口接渣取樣存在混樣嚴重、深孔取樣損失量大等問題，如何減少或準確推算取樣過程損失瓦斯量是一個亟待解決的問題[2]。相關(guān)學者在實現(xiàn)定點取樣、縮短取樣過程煤樣暴露時間等方面開展了大量研究工作，開發(fā)的取樣方法主要有DGC型取樣器[3]、負壓引射[4]、卸壓密閉取樣器[5]、深孔快速取樣裝置[6]、機械密封取樣[7]等。不同的取樣方法(取樣粒度、暴露時間、瓦斯損失量推算模型等不同)測定煤層瓦斯含量各有適用性，應結(jié)合煤層實際條件，選擇最佳的瓦斯含量測定取樣技術(shù)。本文基于研制的新型密封取樣裝置，在煤礦現(xiàn)場開展了煤層瓦斯含量測定試驗研究，并與孔口接渣取樣測定結(jié)果進行了對比分析。

1 密封取樣裝置

基于“正轉(zhuǎn)取樣，反轉(zhuǎn)密封”的思想，從取碎屑狀煤樣和減少取樣暴露時間角度出發(fā)，在前期密封取樣裝置[8]設計的基礎上，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設計和密封設計，研制了新型密封取樣裝置， 結(jié)構(gòu)如圖1所示。其取樣基本原理為：施工鉆孔至預定深度，退出鉆桿，安裝密封取樣裝置進行定點取樣，在完成鉆取煤樣時，利用鉆機反轉(zhuǎn)一定角度，即可完成對所煤樣的密封，取樣筒反轉(zhuǎn)密封后耐壓達到2.0 MPa，退鉆過程不用考慮所取煤樣瓦斯漏失，井下無需轉(zhuǎn)移煤樣解吸，直接通過取樣筒利用快接裝置進行井下瓦斯解吸，利用現(xiàn)場解吸數(shù)據(jù)推算損失瓦斯量，實驗室測定殘存瓦斯含量，最終獲得煤層瓦斯含量。

1. 鉆桿接頭 2. 內(nèi)六方螺釘 3. 撥盤壓板 4. 撥盤 5. 花鍵鎖緊螺母 6. 花鍵 7. 煤樣筒 8. 密封圈 9. 密封盤 10. 鎖緊螺母 11. 鉆頭 12. 前密封件 13. 密封頭 14. 密封總成 15. 后密封件圖1 密封取樣裝置結(jié)構(gòu)

2 損失瓦斯量補償方法分析

密封取樣測定煤層瓦斯含量取樣過程的瓦斯漏失主要包括兩部分，一是打鉆至預定位置至取樣裝置送至取樣地點的時間段；二是鉆進取樣開始至打鉆結(jié)束，煤樣未完成密封前時間段；第一段待取煤樣尚未脫離原始煤體，可近似認為是一圓柱體，第二段煤樣為煤樣的破碎過程，為碎屑狀煤樣。兩階段的煤樣性質(zhì)不同，根據(jù)理論與實驗分析，不同粒徑煤樣其瓦斯解吸規(guī)律顯著不同，因此不能采用統(tǒng)一補償模型推算取樣過程損失瓦斯量，可采用基于“2段法”的瓦斯損失量補償計算方法。

為獲取兩個階段的瓦斯損失量補償計算方法，在山西某礦現(xiàn)場采集煤樣，基于自制的高壓吸附—解吸實驗裝置[9]，實驗室開展了不同粒度煤樣(以中位徑D50表示，0.12 mm、0.75 mm、1.9 mm、7.5 mm、15 mm)和不同密封密封時間(0 min、10 min、20 min、40 min)條件下的瓦斯吸附解吸實驗。

根據(jù)實驗結(jié)果，“2段法”的瓦斯損失量補償計算方法第一段瓦斯解吸特征參數(shù)初選為0.8，第二段采用根據(jù)密封時間確定的取樣筒瓦斯壓力換算出游離瓦斯量，將井下密封解吸數(shù)據(jù)修正為常壓解吸數(shù)據(jù)，其解吸特征參數(shù)初選為0.5?！?段法”瓦斯損失量補償計算模型可用下式表示：

(1)

式中：Q1為密封取樣過程中的損失瓦斯量，m3/t；Q11為第一段(施工預定取樣位置至取樣開始時)的損失瓦斯量，m3/t；Q12為第二段(取樣開始至取樣結(jié)束完成密封時間)的損失瓦斯量，m3/t；t1、t2分別為第一段和第二段煤樣的暴露時間，min；k1、k2分別為第一段和第二段比例系數(shù)，k2=10k1；α1、α2分別為第一段和第二段的解吸特征參數(shù)。

3 現(xiàn)場對比測試及分析

3.1 試驗地點概況

現(xiàn)場試驗地點為山西某高瓦斯礦井8406工作面進風巷，開采15#煤層，傾角4°～6°，平均厚度6.25 m。根據(jù)《8406工作面消突評價報告》，本區(qū)域為瓦斯非突區(qū)。進風巷在褶曲范圍掘進中，煤層擠壓破碎可能富集瓦斯，周圍區(qū)域是未采區(qū)域，可能出現(xiàn)瓦斯異?，F(xiàn)象。根據(jù)鑒定結(jié)果，15#煤層無煤塵爆炸危險性，煤層不易自燃，無沖擊地壓，地溫預計在16°～21°之間，屬于正常范圍。8406進風順槽沿15#煤層頂板掘進時，兩幫及底板為實體煤，沒有受到采動影響。

2.2 測定結(jié)果及分析

采用孔口接渣取樣和密封取樣兩種方法8406工作面進風巷同一順層鉆孔進行15#煤層瓦斯含量對比測定試驗，共測定6組。鉆孔取樣深度20～25 m，孔徑113 mm，鉆孔傾角4°～6°。鉆孔施工至預定取樣位置采用壓風排渣孔口接煤樣，裝入煤樣罐中，進行現(xiàn)場瓦斯解吸并記錄數(shù)據(jù)。之后，退出鉆桿，安裝密封取樣裝置(檢查取樣裝置前端密封盤是否在打開狀態(tài))，鉆桿帶上密封取樣裝置快速到孔底，取樣時要求鉆機不能反轉(zhuǎn)，以防止取樣裝置器在取樣前密封，鉆進取樣時，鉆機保持慢速鉆進，鉆進0.5～1 m時取樣完成，利用鉆機反轉(zhuǎn)一定角度，使取樣裝置處于密封狀態(tài)，退出取樣裝置，直接連接解吸儀進行井下解吸。地面解吸、粉碎解吸量、殘存瓦斯量測定和孔口接渣取樣損失瓦斯量補償方法等按標準GB/T 23250-2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》執(zhí)行，密封取樣損失瓦斯量補償按前述“2段法”計算。現(xiàn)場密封取樣地面解吸及鉆取的碎屑狀煤樣如圖2所示。兩種取樣方法測定煤層瓦斯含量結(jié)果見表1所示。

序號取樣方式取樣深度/m暴露時間/min瓦斯含量/m3·t-1密封取樣相比孔口接渣取樣測值提高/%1孔口接渣2146.4密封取樣22206.86.22孔口接渣2356.0密封取樣23.5226.711.63孔口接渣2236.2密封取樣24217.012.94孔口接渣22.545.8密封取樣23.5226.38.65孔口接渣2036.5密封取樣21207.19.26孔口接渣2356.5密封取樣24247.210.7

由現(xiàn)場取樣過程及表1可知：與孔口接渣取樣相比，密封取樣深度平均為23 m，煤樣暴露時間較長，平均為21.5 min，而孔口接渣取樣深度平均為21.9 m，煤樣暴露時間平均僅為4 min，主要原因是密封取樣進鉆、退鉆、取樣過程復雜，導致取樣耗時較長。密封取樣與孔口接渣取樣所取煤樣均為碎屑狀，煤樣性質(zhì)為Ⅳ型(塊狀與粉末混合)。密封取樣井下1 min瓦斯解吸量較大，是孔口接渣取樣的3～5倍。同一測試鉆孔密封取樣測定的15#煤層瓦斯含量均大于孔口接渣取樣。密封取樣瓦斯含量測值6.3～7.2 m3/t，孔口接渣取樣瓦斯含量測值5.8～6.5 m3/t；同一鉆孔測值最大相差0.8 m3/t，密封取樣相比孔口接渣取樣測值提高6.2%～12.9%，平均提高9.8%。

3 結(jié)論

(1) 密封取樣裝置能夠?qū)崿F(xiàn)定點、密封快速取樣，且井下解吸無需轉(zhuǎn)移煤樣，可以減小取樣過程煤樣暴露時間，提高煤層瓦斯含量測值準確性。密封取樣瓦斯損失量及井下解吸量測定與常規(guī)取樣不同，不能采用現(xiàn)有的補償模型，宜采用基于“2段法”的瓦斯損失量補償方法。

(2) 與孔口接渣取樣測定瓦斯含量相比，密封取樣瓦斯含量測值較大，同一測試鉆孔最大提高12.9%，平均提高9.8%，密封取樣技術(shù)能夠有效應用于煤礦煤層瓦斯含量測定工作。

(3) 由于實驗室實驗煤樣煤質(zhì)單一，井下瓦斯含量對比測定試驗規(guī)模小，密封取樣測定煤層瓦斯含量瓦斯損失量補償計算方法仍有待進一步深入研究。

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ExperimentalStudyonCoalbedGasContentDeterminationbySealedSampling

CHEN Shao-jie，LI Gai-ge，ZHAO Xiang-feng，ZHOU Yi-fei

(School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao,065201,China)

Aiming at the problem of large amount of gas loss in sampling process in the direct determining coalbed gas content in the mine,based on forward sampling and reverse sealing design idea,the sealed sampling device was developed and the gas adsorption and desorption experiment was carried out in the laboratory.The comparative between sealed sampling and orifice sampling was conducted in mine.Results shows that,the sealed sampling can achieve spot sampling and drill clastic coal sample,and not consider the gas losing after sampling.The losing gas content cannot calculate by conventional mathematical model because the coal sample was sealed after drilling and the initial desorption gas content was very high,the 2 section compensation method can be adopted.Compared with orifice sampling method,the gas content measured value by sealed sampling can increase by 6.2%～12.9%.The sealed sampling technology can be applied to the coalbed gas content determination in mine.

sealed sampling;losing gas content in coal seam;coalbed gas content;comparative determination

2017-10-08

河北省科技計劃項目(15275509)

陳紹杰(1981-)，男，河南焦作人，博士研究生，華北科技學院安全工程學院副教授，研究方向：礦山安全。E-mail：chenshaojie@ncist.edu.cn

TD712.5

A

1672-7169(2017)05-0001-05