張建國(guó)， 李喜員， 高建成， 于紅

(1.煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.永城煤電控股集團(tuán)有限公司，河南 永城 476600；3.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

0 引言

瓦斯含量是指煤層內(nèi)單位質(zhì)量或單位體積的煤在自然條件下所含的瓦斯量。瓦斯含量是我國(guó)礦井瓦斯等級(jí)鑒定的主要指標(biāo)之一，也是評(píng)價(jià)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性和瓦斯治理效果的主要依據(jù)，因此，準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量是瓦斯治理和瓦斯日常管理的重要工作。GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》規(guī)定了井下直接測(cè)定煤層瓦斯含量的采樣方法、解吸瓦斯量測(cè)定方法、損失瓦斯量補(bǔ)償方法、殘余瓦斯量測(cè)定煤層瓦斯含量的計(jì)算方法。煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定要求在5 min內(nèi)完成取樣。為了得到準(zhǔn)確的瓦斯含量測(cè)值，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多年的研究。取樣方式研究主要集中在取芯法取樣和管道氣力輸送法取樣2個(gè)方面。對(duì)于取芯法的研究，文獻(xiàn)[1-2]在鉆頭附近設(shè)置內(nèi)外雙層鉆桿，外層鉆桿設(shè)置取樣腔室，正常鉆進(jìn)時(shí)腔室閉合，反轉(zhuǎn)定點(diǎn)取樣，但由于取樣室過(guò)小，該方法適合距離短、試樣需求量小的瓦斯解吸指標(biāo)取樣。文獻(xiàn)[3-4]利用壓風(fēng)活塞、液封氣取芯管取樣，解決了取樣少的問(wèn)題，但存在取樣時(shí)間長(zhǎng)，取芯管取樣時(shí)溫度、黏液影響煤樣瓦斯解吸規(guī)律等問(wèn)題。管道氣力輸送法取樣的研究最早是由文獻(xiàn)[5]在1970年提出的。文獻(xiàn)[6]利用噴射器負(fù)壓取樣。文獻(xiàn)[7]借助高速空氣流流向受限空間時(shí)產(chǎn)生壓力漩渦使煤樣卷?yè)P(yáng)取樣。文獻(xiàn)[8]提出正負(fù)壓聯(lián)合栓流定點(diǎn)取樣方法，解決了取樣時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，但取樣時(shí)需要使用整套取樣設(shè)備，操作較麻煩，且煤樣損失量推算方法不夠明確。近幾年隨著礦井采掘技術(shù)理論及裝備的發(fā)展，采掘速度快速增大，礦井目前普遍使用小范圍區(qū)域防突措施，但因施工時(shí)間與預(yù)抽期長(zhǎng)使得較多礦井產(chǎn)生了采掘接替困難。為了解決礦井采掘接替困難問(wèn)題，定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯治理技術(shù)得到了不斷推廣[9]，而作為定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯治理技術(shù)重要組成部分的定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量測(cè)定按照現(xiàn)行的瓦斯含量測(cè)定法標(biāo)準(zhǔn)及取樣方式施工，因?yàn)槿由疃冗^(guò)深(約幾百米)和非直線鉆進(jìn)等因素，則會(huì)面臨采樣時(shí)間無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間和瓦斯含量測(cè)值不準(zhǔn)確等問(wèn)題[10-11]。因此，定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量采樣時(shí)間長(zhǎng)成為亟待解決的問(wèn)題[12-15]。

針對(duì)該問(wèn)題，以河南平煤十一礦己16-17-24070工作面為研究背景，筆者提出了采用類(lèi)比法推算取樣過(guò)程瓦斯損失量和常壓瓦斯解吸量的方法，在相同地質(zhì)條件和瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，將普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)淺孔風(fēng)排粉取樣瓦斯含量測(cè)定結(jié)果中的損失量和現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸量占總瓦斯含量的比例作為標(biāo)準(zhǔn)，類(lèi)比為千米定向鉆孔深孔定點(diǎn)取樣損失量和現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總瓦斯含量的比例，將類(lèi)比的損失量和現(xiàn)場(chǎng)解吸量所占的比例加入最終所測(cè)定的殘余瓦斯含量中，得到千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣總瓦斯含量，以此解決千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣由于取樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的常壓下瓦斯不解吸的問(wèn)題。該方法可避免取樣過(guò)程對(duì)取樣時(shí)間和裝備要求較高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量的精準(zhǔn)測(cè)定。

1 試驗(yàn)工作面取樣設(shè)計(jì)

平煤十一礦己16-17-24070工作面位于礦井二水平己四采區(qū)東翼五區(qū)段，東起己二采區(qū)邊界，西至己四采區(qū)膠帶下山處，工作面南、北為原生煤層，與其他采掘工作面不存在壓茬關(guān)系。工作面標(biāo)高為-750～-820 m，地面標(biāo)高為148～210 m。工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度為260 m，走向長(zhǎng)度為1 700 m。工作面范圍內(nèi)己16-17煤層傾角為9°，平均厚度約為5.42 m，煤厚較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。煤層直接頂為1.5～3.1 m厚的泥巖，局部地點(diǎn)為砂質(zhì)泥巖，基本頂為9.00～21.70 m厚的砂質(zhì)泥巖夾薄層條帶細(xì)沙巖，直接底板為5.0～8.0 m厚的泥巖和砂質(zhì)泥巖，基本底為2.00～12.00 m厚的L2灰?guī)r。

平煤十一礦在采用千米定向鉆孔對(duì)未采區(qū)域進(jìn)行煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)[16-18]，井下定向鉆孔深孔取樣采用密閉保壓取芯工藝[19-20]，但從井下多次取樣結(jié)果可知：由于取樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，取芯鉆桿溫度過(guò)高，密閉不嚴(yán)，保壓效果差，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)解吸量。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)類(lèi)比法對(duì)定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量測(cè)定值進(jìn)行修正，以準(zhǔn)確測(cè)定取樣地點(diǎn)煤層瓦斯含量。

該次瓦斯含量測(cè)定范圍是未采工作面己16-17-24070工作面的機(jī)巷及回采區(qū)域，定向長(zhǎng)鉆孔施工地點(diǎn)為己16-17-24070工作面的回風(fēng)巷，設(shè)計(jì)27個(gè)深孔取樣點(diǎn)，如圖1所示，取樣參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 定向鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖及取樣點(diǎn)位置

表1 取樣鉆孔參數(shù)

根據(jù)地勘資料及臨近已采工作面煤層揭露情況和瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果，結(jié)合己四采區(qū)與己二采區(qū)西翼己16-17煤層底板等高線來(lái)看，預(yù)計(jì)己16-17-24070工作面圈定區(qū)域內(nèi)瓦斯含量為2.0～4.5 m3/t，瓦斯壓力為0.15～0.5 MPa。

2 長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量測(cè)試研究

2.1 井下定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量測(cè)定

己16-17-24070工作面瓦斯含量測(cè)定采用千米定向鉆機(jī)打鉆，井下直接測(cè)定瓦斯含量法測(cè)定。由于千米定向鉆機(jī)打鉆工藝及操作流程復(fù)雜，當(dāng)孔底馬達(dá)到達(dá)取樣位置時(shí)，首先需要一根根退出鉆桿，再換上定點(diǎn)取樣器，然后再連接鉆桿把定點(diǎn)取樣器送至取樣處取樣。根據(jù)最短的取樣距離在120 m左右來(lái)計(jì)算，這個(gè)流程需要約1.5 h；再開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)取煤樣，取完煤樣后再一根根退出鉆桿，取出定點(diǎn)取樣器，這個(gè)時(shí)間段最短也需0.8 h。而由于是定點(diǎn)取樣器取樣，把煤樣從取樣器內(nèi)取出，再裝到煤樣罐的時(shí)間也需約10 min，即從鉆機(jī)鉆進(jìn)到取樣位置、把煤樣裝入煤樣罐的時(shí)間在2.4 h以上，取樣時(shí)間較長(zhǎng)，煤樣在常壓下暴露時(shí)間在1.5 h以上，且本次取樣區(qū)域?qū)儆谕咚购枯^小區(qū)域，以至于取得煤樣在現(xiàn)場(chǎng)都沒(méi)有解吸量。根據(jù)現(xiàn)行瓦斯含量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法推算損失量，因此,判定本次千米定向鉆機(jī)在井下測(cè)定的瓦斯含量為煤樣在井下巷道條件下不解吸后的殘余瓦斯含量，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量

2.2 類(lèi)比法瓦斯含量測(cè)值修正

類(lèi)比法瓦斯含量測(cè)值修正是指在相同地質(zhì)條件和瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，將普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)淺孔風(fēng)排粉取樣瓦斯含量測(cè)定結(jié)果中的損失量和現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總瓦斯含量的比例作為標(biāo)準(zhǔn)，類(lèi)比為千米定向鉆孔深孔定點(diǎn)取樣損失量和現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總瓦斯含量的比例，以此來(lái)解決千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣由于時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的取樣裝罐后常壓下不解吸的問(wèn)題，把罐中煤樣帶入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粉碎測(cè)定殘余瓦斯含量，將類(lèi)比的損失量和現(xiàn)場(chǎng)解吸量所占的比例加入實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的最終殘余瓦斯含量，得出千米定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣總瓦斯含量。

設(shè)計(jì)在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷井下利用普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)采用風(fēng)排粉工藝取樣實(shí)測(cè)24個(gè)瓦斯含量值，將此24個(gè)煤樣瓦斯含量值測(cè)定過(guò)程中的損失量和常壓下瓦斯解吸量占總瓦斯含量的比例作為標(biāo)準(zhǔn)，類(lèi)比為千米定向鉆孔深孔定點(diǎn)取樣損失量和現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總瓦斯含量的比例。

選擇己16-17-24050回風(fēng)巷為類(lèi)比取樣點(diǎn)，主要有2個(gè)原因：① 己16-17-24070回風(fēng)巷鋪設(shè)有膠帶，不具備施工普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)試驗(yàn)孔的條件，且己16-17-24070回風(fēng)巷即為己16-17-24050工作面的機(jī)巷，而己16-17-24050回風(fēng)巷是距己16-17-24070回風(fēng)巷距離最近的具備施工條件的揭露巷道。② 己16-17-24050工作面與己16-17-24070工作面南部毗鄰，這2個(gè)工作面之間沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造，煤層厚度基本相同，同屬于一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，己16-17-24050工作面瓦斯賦存規(guī)律可用于己16-17-24070工作面規(guī)律研究。

在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷共施工8組本煤層鉆孔，取樣方式為風(fēng)排粉，每組鉆孔取3個(gè)煤樣，共測(cè)定24個(gè)瓦斯含量，每個(gè)煤樣在井下測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)解吸量，井下測(cè)試至現(xiàn)場(chǎng)不再解吸后(且保證解吸時(shí)間不小于2 h)，升井實(shí)驗(yàn)室測(cè)試煤樣殘余瓦斯量。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可看出，每個(gè)煤樣瓦斯含量測(cè)定時(shí)井下均有現(xiàn)場(chǎng)解吸量，而煤樣常壓下解吸停止時(shí)間為0.9～1.5 h，平均停止解吸時(shí)間為1.08 h；常壓下現(xiàn)場(chǎng)解吸量+損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均為12.24%。此次本煤層瓦斯含量測(cè)定地點(diǎn)埋深與己16-17-24070工作面埋深相差不大，屬同一層煤，中間也沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造，同屬一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，因此，本次測(cè)得常壓下現(xiàn)場(chǎng)解吸量+損失量之和占總瓦斯含量的比例為12.24%的規(guī)律，可用于己16-17-24070工作面千米定向鉆機(jī)瓦斯含量測(cè)定值的修正，即視本次千米定向鉆機(jī)井下直接測(cè)定殘余瓦斯含量值占測(cè)試地點(diǎn)瓦斯含量值的87.76%。

表3 己16-17-24050工作面回風(fēng)巷瓦斯含量測(cè)定值

2.3 長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量修正值可靠性研究

2.3.1 修正值與直接法測(cè)定對(duì)比分析

根據(jù)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)風(fēng)排粉工藝在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷測(cè)定的24個(gè)瓦斯含量值及其煤樣解吸規(guī)律，對(duì)利用千米定向鉆機(jī)定點(diǎn)取樣測(cè)得的煤層瓦斯含量測(cè)值進(jìn)行修正，即加上相同比例的取樣損失量+常壓現(xiàn)場(chǎng)解吸量總量(占總瓦斯含量的12.24%)，得到定向鉆孔定點(diǎn)取樣測(cè)定的煤層瓦斯含量測(cè)值，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 定向鉆孔定點(diǎn)取樣測(cè)定的煤層瓦斯含量測(cè)值

為驗(yàn)證由類(lèi)比法修正過(guò)的瓦斯含量的可靠性，在己16-17-24070回風(fēng)巷的4個(gè)千米定向鉆機(jī)鉆場(chǎng)里單獨(dú)施工了4個(gè)對(duì)比含量測(cè)定鉆孔，即在每個(gè)千米鉆機(jī)鉆場(chǎng)內(nèi)首先利用千米定向鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)功能施工1個(gè)本煤層鉆孔，約在40 m位置利用風(fēng)排粉取樣，進(jìn)行瓦斯含量井下實(shí)測(cè)。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)排粉取樣結(jié)束后，退出鉆桿，換上定點(diǎn)取樣器，送至孔底，保證煤孔孔底常壓下等待釋放時(shí)間在1.5 h以上前提下(模擬深孔定點(diǎn)取樣時(shí)間)，進(jìn)行鉆進(jìn)取樣，然后緩慢退鉆桿(模擬深孔定點(diǎn)取樣退鉆時(shí)間)，取出煤樣進(jìn)行瓦斯含量井下實(shí)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)排粉煤樣由于取樣時(shí)間短，井下有解吸量，可以推算取樣損失量，而模擬深孔定點(diǎn)取樣器取出煤樣因?yàn)槿訒r(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有解吸。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在己16-17-24070工作面回風(fēng)巷使用千米鉆機(jī)回轉(zhuǎn)功能，利用風(fēng)排粉測(cè)定的4個(gè)瓦斯含量值，損失量+現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總含量的比重為11.88%～12.38%，平均為12.14%，與在己16-17-24050工作面回風(fēng)巷測(cè)定的24個(gè)本煤層瓦斯含量值規(guī)律一致，因?yàn)榧?6-17-24050工作面回風(fēng)巷測(cè)定數(shù)據(jù)更多，更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，因此，千米定向鉆機(jī)測(cè)定瓦斯含量損失量+現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總含量的比重按12.24%來(lái)修正?？梢钥闯?，如果不對(duì)測(cè)值進(jìn)行修正，千米定向鉆機(jī)定點(diǎn)取樣測(cè)值均比真實(shí)值偏小，誤差為11.57%～12.62%，平均為12.07%；進(jìn)行修正后的定向鉆孔定點(diǎn)取樣所測(cè)煤層瓦斯含量測(cè)值與真實(shí)值比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均為0.19%，則此次定向鉆孔預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性工作所測(cè)得的瓦斯含量值以表4中瓦斯含量測(cè)值為準(zhǔn)。

2.3.2 修正值與含量預(yù)測(cè)值對(duì)比分析

十一礦己四采區(qū)已開(kāi)拓布置至第五區(qū)段，目前己16-17-24050工作面切眼已經(jīng)形成并準(zhǔn)備回采，前期己四采區(qū)測(cè)定了大量的煤層原始瓦斯含量，現(xiàn)對(duì)之前測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，以用來(lái)分析己16-17-24070工作面瓦斯含量分布規(guī)律。選用己16-17-24070工作面附近的己16-17-22201工作面機(jī)巷、己16-17-24030工作面機(jī)巷、己16-17-24050工作面機(jī)巷和己16-17-24080工作面回風(fēng)巷瓦斯含量測(cè)值共27個(gè)(表5)，用于分析預(yù)測(cè)己16-17-24070工作面瓦斯含量的分布規(guī)律。

根據(jù)表5所測(cè)得的瓦斯含量測(cè)值進(jìn)行線性回歸，得到己16-17煤層四采區(qū)瓦斯含量分布規(guī)律，計(jì)算公式為

表5 己16-17煤層部分瓦斯含量測(cè)定值

W=0.009H-4.21

(1)

式中：W為瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋深，m。

通過(guò)式(1)計(jì)算得出的瓦斯含量與千米定向鉆機(jī)測(cè)得的殘余瓦斯含量和類(lèi)比法修正后的瓦斯含量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可看出，此次千米鉆機(jī)取樣測(cè)得的瓦斯含量(殘余瓦斯含量)值如不進(jìn)行修正，與預(yù)測(cè)含量值誤差在8.18%～16.44%，平均誤差為12.90%，且所有測(cè)值均小于預(yù)測(cè)值；經(jīng)過(guò)損失量與現(xiàn)場(chǎng)解吸量的修正后，與預(yù)測(cè)值誤差為-4.63%～4.78%，誤差明顯變小，且更符合己四采區(qū)瓦斯含量分布規(guī)律。

表6 千米定向鉆孔瓦斯測(cè)定值與預(yù)測(cè)含量值比較

3 結(jié)論

針對(duì)在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用千米定向鉆機(jī)取樣測(cè)量瓦斯含量時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)解吸量，無(wú)法推算取樣損失量問(wèn)題，通過(guò)類(lèi)比法對(duì)千米定向鉆孔取樣瓦斯含量測(cè)值進(jìn)行修正。

(1)在同一瓦斯地質(zhì)單位、瓦斯埋深相近區(qū)域進(jìn)行井下直接測(cè)定煤層瓦斯含量，分析取樣損失量+現(xiàn)場(chǎng)常壓瓦斯含量解吸量規(guī)律，將該規(guī)律應(yīng)用于千米定向鉆孔取樣瓦斯含量測(cè)值修正。

(2)對(duì)平煤十一礦己16-17-24050工作面回風(fēng)巷共施工8組本煤層鉆孔，常壓下現(xiàn)場(chǎng)解吸量+損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均為12.24%。

(3)通過(guò)井下2種取樣方式對(duì)比和區(qū)域瓦斯含量預(yù)測(cè)法對(duì)比，對(duì)修正后的千米定向鉆孔瓦斯含量測(cè)值可靠性進(jìn)行分析可知，運(yùn)用類(lèi)比法修正過(guò)的長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量測(cè)值與短鉆孔直接法測(cè)定瓦斯含量測(cè)值對(duì)比，平均誤差由12.07%降至0.19%，運(yùn)用類(lèi)比法修正過(guò)的長(zhǎng)鉆孔瓦斯含量測(cè)值與含量預(yù)測(cè)值對(duì)比，平均誤差由12.90%降至4.71%。通過(guò)類(lèi)比法對(duì)瓦斯含量進(jìn)行修正可滿(mǎn)足千米定向鉆機(jī)瓦斯含量測(cè)定要求，修正后的含量測(cè)值準(zhǔn)確可靠。