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煤层瓦斯含量测定方法优化及现场应用
2019-02-20
针对现有瓦斯含量测定过程中存在问题进行了分析,研制出了反循环定点快速取样 装置,该装置包括取样钻头、双套管钻杆、双通道汽水龙头、煤样收集装置等。装置采用端头杆一端 与取样钻头相连,另一端与双套管钻杆连接;通过钻机驱动双壁钻杆带动取样钻头旋转产生煤渣, 利用压风在钻孔底形成压风涡流, 将煤样带入双壁钻杆内管吹出进入采样装置。同时利用 CHP50M 煤层瓦斯含量快速测定仪对收集的煤样进行测定,通过对煤层瓦斯含量测定进行优化的 现场应用结果表明:取样时间小于3 min,取样深度大于100 m,取样成功后3 ~5 min 后立刻得到煤 层瓦斯含量结果,优化了煤层瓦斯含量测定方法。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 煤层瓦斯含量测定方法优化及现场应用 1 ,2 黄ꢀ 鹤 ( 1. 煤科集团沈阳研究院有限公司;2. 煤矿安全国家重点实验室) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对现有瓦斯含量测定过程中存在问题进行了分析,研制出了反循环定点快速取样 装置,该装置包括取样钻头、双套管钻杆、双通道汽水龙头、煤样收集装置等。 装置采用端头杆一端 与取样钻头相连,另一端与双套管钻杆连接;通过钻机驱动双壁钻杆带动取样钻头旋转产生煤渣, 利用压风在钻孔底形成压风涡流,将煤样带入双壁钻杆内管吹出进入采样装置。 同时利用 CHP50M 煤层瓦斯含量快速测定仪对收集的煤样进行测定,通过对煤层瓦斯含量测定进行优化的 现场应用结果表明:取样时间小于 3 min,取样深度大于 100 m,取样成功后 3 ~ 5 min 后立刻得到煤 层瓦斯含量结果,优化了煤层瓦斯含量测定方法。 关键词ꢀ 瓦斯含量ꢀ 快速测定ꢀ 方法优化ꢀ 配套装置ꢀ 现场应用 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 049 Optimization of Coal Seam Gas Content Determination Method and Field Application 1 ,2 Huang He 1. China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute; . State Key Laboratory of Coal Safety Technology) ( 2 Abstractꢀ Against problems existing in gas content measurement process are analyzed, and devel- oped a reverse circulation fixed-point fast sampling device, the device includes sampling drill, double casing pipe and double channel soda bibcock, coal sample collection device, etc. Device adopts end are connected to the sampling drill rod end at the other end connected to the double casing pipe, through the coal produced by the rotation of drill rig drive double-wall drill pipe sampling, use of compressed air at the end of drilling formation pressure wind vortex, will blow out coal sample into the double-wall drill pipe inner tube into the sampling device. Meanwhile CHP50M coal seam gas content detector was used to collect the coal sample were measured, through the study of the optimization of coal bed gas content measurement of the field application results show that the sampling time is less than 3 min, sampling depth is more than 100 m, immediately after the success of the sample after 3 ~ 5 min to get coal bed gas content as a result. Keywordsꢀ Gas content,Rapid determination,Method optimization,Supporting devices,Field appli- cation ꢀ ꢀ 煤层瓦斯含量是最重要的煤层瓦斯参数之一, 防治措施的有效性,甚至可能危及矿井安全生产。 2009 年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出规定》 将煤 层瓦斯含量作为区域措施消突效果检验指标之一, 是矿井瓦斯灾害防治尤其是突出防治中的一个重要 指标。 因此,煤层瓦斯含量测定一直是国内外煤矿 安全研究的课题,准确测定煤层瓦斯含量是矿井瓦 是计算煤层瓦斯储量、预测矿井瓦斯涌出量及评价 [ 1] 煤层突出危险性的基础参数 。 瓦斯含量测值的 准确性不但制约矿井瓦斯危险程度预测的可靠性, 而且影响以瓦斯危险程度预测为依据而制定的瓦斯 [ 2] 斯管理和科技实验经常进行的一项工作 。 目前 ꢀ ꢀ 黄ꢀ 鹤(1987—),男,助理研究员,110016 辽宁省沈阳市沈河区 东滨河路 108 号 301 室。 我国煤矿执行国家标准“GB / T 23250—2009《 煤层 2 00 ꢀ ꢀ 黄ꢀ 鹤:煤层瓦斯含量测定方法优化及现场应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 瓦斯含量井下直接测定方法》” 要求定点取样的煤 样暴露时间不大于 5 min,采用煤芯采集器取样,取 芯过程主要存在取样时间长、煤芯温度高、瓦斯耗散 速度快等问题,造成煤芯损失瓦斯量计算误差随钻 孔取芯深度和取芯时间的增加而加大,瓦斯含量测 [ 3-7] 值可靠性难以满足生产要求 。 如何提高瓦斯含 图 1ꢀ 反循环定点快速取样装置整体结构 —钻头;2—引射管体;3—双壁钻杆;4—双通道汽水龙头; 5—钻机;6—样品收集装置;7—钻孔 ; 8—压风接头 量这一基础数据的测定方法的准确性,成为亟待解 决的难题。 1 1 ꢀ 煤层瓦斯含量直接测定现状分析 国内外科研人员针对该问题进行了广泛深入研 瓦斯、突出矿井采掘工作面对煤层瓦斯含量快速测 定的要求。 CHP50M 煤层瓦斯含量快速测定仪能在 井下测试 3 ~ 5 min 后立刻得到煤层瓦斯含量结果。 该仪器根据煤层瓦斯含量与瓦斯解吸速度线性相关 的研究成果,采用高精度组合式流量传感器,通过钻 孔采样测定煤样的瓦斯解吸速度,实现井下快速测 定煤层瓦斯含量。 究,目前取样的手段有负压引射取煤样、麻花钻杆、 岩心管取样等。 负压引射使煤样处在负压状态下, 影响了煤样的解吸速度,破坏了煤样的解吸规律,而 且受负压大小的影响取样的成功率较低;麻花钻杆 取煤样是从麻花钻杆外壁取煤样,煤样从里面向外 面流动,贯穿了整个钻孔,受麻花钻杆扰动影响,钻 孔壁的煤粉也有可能被磨下,因此煤样详细的取样 地点不清,影响了取样的效果,而且麻花钻杆受钻机 能力影响取样深度较浅;岩心管取样钻进过程中得 更换取样钻头,程序较为复杂,取样时间较长,取出 煤层瓦斯含量越高,煤的瓦斯解吸速度 V1 也越 大,在一定暴露时间内,煤的瓦斯解吸速度 V1 与瓦 斯含量 W 具有良好的线性关系,即 W = AV1 + B , (1) 式中,V1 为煤样脱离煤体后第 1 min 的瓦斯解吸速 3 度,cm / (g·min);A、B 均为仪器常数。 在已知 A、 [ 8] 的煤样解吸量较小,测得煤样的瓦斯含量较小 。 综上所述,目前井下直接测定煤层瓦斯含量所 用取样技术主要存在以下问题:①所取煤样易掺杂 其他地点的煤样,不完全属于测定地点的煤样,无法 保证取样纯净性;②取样过程缓慢,煤样暴露时间 长,瓦斯损失量大;③取样过程钻头和钻杆的摩擦作 用促使煤样温度升高,加速瓦斯解吸,瓦斯损失严 重。 B 时,该仪器通过采集煤层煤样并测定煤样的瓦斯 [ 9] 解吸速度 V1 ,可以快速测定煤层瓦斯含量 。 通过实验室提测定出取各煤层不同瓦斯含量 W 和对应的 V1 值,采用式(1)对 W 和 V1 值进行拟合, 获得两者之间的线性关系,从图 2 中可以看出, 两 # 者线性相关性较高,证实了上述理论推导,13-1 和 # 11-2 煤层的瓦斯解吸特征参数 V1 值与瓦斯含量 W 2 ꢀ 快速取样装置的取样原理 反循环压风工艺采用气流反循环原理,其机理 的线性函数 A、B 值,以及相关系数 R # 2 ,见表 1。 由 # 于煤自身物性参数的差异,13-1 和 11-2 煤层的瓦 斯解吸规律有所不同,实验所获得各煤层的 V1 值和 煤层瓦斯含量 W 对应的线性函数 A、B 值差异较大, 但总体上均较好遵循这一规律,能够指导工程应用。 是:通过钻头前端排气孔喷出气体的射流作用和高 速气流对周围流体的引射作用,致使排气孔附近形 成低压区,对外环间隙构成抽吸,同时排气孔随钻头 不断旋转,使孔底形成环状负压区,有效阻止正循环 形成,气体通过导流和扩散进入钻头中心孔,形成反 循环。 同时钻头的内管设计了引射孔,当钻孔内外 管之间的压风到达钻头底部,形成反冲,部分风流, 进入钻头中心内管,形成负压引射流,有助于钻头前 端的气体形成反循环。 气体反循环流动携带钻孔底 部的钻屑从双壁钻杆的内管反出,排出孔外。 4 ꢀ 煤层瓦斯含量测定方法优化效果考察 为考察煤层瓦斯含量测定方法优化的应用效 果,从定点快速取样时间、定点取样率、瓦斯含量测 定周期、瓦斯含量测值准确率等考核技术指标进行 应用效果评价。 根据试验工作面的生产条件,试验 方案如下。 采用麻花钻杆取样技术联合井下钻屑解吸法测 定煤层瓦斯含量的传统工艺和反循环压风取样技术 联合 CHP50M 快速测定煤层瓦斯含量新工艺在试 验工作面顺槽巷帮钻场分别施工顺层钻孔进行瓦斯 含量测定,钻场内要求未施工任何抽采钻孔,钻场前 3 ꢀ CHP50M 煤层瓦斯含量快速测定仪 目前,我国煤矿现行的《GBT 23250—2009 煤层 瓦斯含量井下直接测定方法》 存在测定装备复杂、 瓦斯含量测定周期长(2 ~ 7 d)的缺点,不能满足高 2 01 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 图 2ꢀ 煤层瓦斯含量 W 与 V1 值的关系 表 1ꢀ 各煤层瓦斯含量 W 和 V1 值的线性函数关系 瓦斯含量测定时间。 # 2 煤层编号 A 值 68. 12 158. 15 B 值 5. 84 0. 52 函数关系 W=68. 12V +5. 84 W=158. 15V +0. 52 R 11-2 煤层测试地点选在 111101 回采工作面胶 # # # # 1 1 3-1 1 0. 957 35 0. 981 80 带顺槽 21 钻场,1 钻孔采用麻花钻杆取样技术,2 # # 1-2 1 钻孔采用反循环压风取样技术,如图 3 所示。 13-1 方煤体被未扰动。 试验钻孔基本参数:钻孔倾角和 方位角相同;开孔高度相同;钻孔直径 94 mm;钻孔 间距 1 m。 瓦斯含量测定位置分别选取在钻孔深度 煤层的测试地点选在 171305 回采工作面胶带顺槽 # # # 里段 19 钻场,3 钻孔采用麻花钻杆取样技术,4 钻 孔采用反循环压风取样技术,如图 4 所示。 2 0,25 和 30 m 处,测定过程中仔细记录取样时间和 图 3ꢀ 111101 工作面试验方案布置示意 就越小,而反之则大;定点取样率指来源于预定深度 的煤样量占孔口采集煤样总量的比例,定点取样率 以数值 100% 作为临界值,小于 100% 为不达标。 试 验采用麻花钻杆工艺和反循环压风工艺分别 测试了不同孔深的取样时间和定点取样率,测 试结果见表 2 所示。 表 2ꢀ 反循环定点快速取样考察指标对比 不同孔深定点取样率 是否达标 不同孔深取样时间/ s 0 m 25 m 30 m 取样 工艺 取样 煤层 图 4ꢀ 171305 工作面试验方案布置 2 20 m 25 m 30 m 4 . 1ꢀ 反循环定点快速取样装置应用效果考察 取样技术以定点快速取样为目标,定点要保证 # 麻花 钻杆 11-2 165 197 27 239 281 41 341 416 58 否 否 是 是 否 否 是 是 否 否 是 是 13-1 采集煤样来源于预定深度的煤体,且煤样取出过程 能保持纯净;快速要求取样时间越短越好,且小于标 准规定时间。 因此,取样技术评价指标设置有取样 时间和定点取样率。 取样时间从预定孔深钻进开始 至孔口采集足够煤样并装入煤样罐进行瓦斯解吸测 试之前所用实际时间,取样时间越短意味煤样在大 气环境暴露时段越短,取样过程煤样的瓦斯损失量 # 反循环 压风 11-2 13-1 33 45 63 ꢀ ꢀ 试验地点选为同一区域,可排除地应力、煤体强 度和瓦斯压力等因素干扰,单独研究取样评价指标 与取样工艺的关系。 由表 2 可知,在同一煤层同一 地点的取样过程中,随着取样孔深延长,取样耗费时 间不断增长,取样深度达到 30 m 时,麻花钻杆取样 2 02 ꢀ ꢀ 黄ꢀ 鹤:煤层瓦斯含量测定方法优化及现场应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 时间已远超国标规定的采样时间 5 min,而反循环压 风取样时间仅约 1 min,取样效率极高。 对于瓦斯损 失量推算环节,当取样时间超过 5 min 之后,瓦斯解 吸规律反推的瓦斯损失量会远小于实际量,结果误 差被扩大。 由此可见,对于大于 30 m 的深孔取样, 反循环压风取样工艺能够满足要求。 迅速测算出 V1 值,进而得到煤层瓦斯含量。 与钻屑 解吸法相比,CHP50M 法省略了煤样从井下带到地 面实验室和井上残存瓦斯含量测定所需时间,将瓦 斯含量测定周期从 2 d(2 880 min)缩短至 5 min,大 大提高了测定效率。 5ꢀ 结ꢀ 论 4 . 2ꢀ CHP50M 煤层瓦斯含量快速测定仪应用效果 (1)反循环压风取样工艺克服了麻花钻杆取样 缺陷,实现定点快速取样,减少瓦斯漏失量,为提高 煤层瓦斯含量测值准确率奠定了基础定位采样准 确,定点取样率 100% ,且采样时间短,采样量充足, 30 m 孔深取样仅需 1 min,完全能够实现深孔的定 点快速取样。 考察 ꢀ ꢀ 目前矿井常用的井下钻屑解吸法将煤层瓦斯含 量测定分为取样过程瓦斯损失量、井下解吸量和残 存瓦斯含量 3 部分,残存瓦斯含量需要到地面实验 室测试,整个测试周期不少于 2 d,而今面对矿井的 高机械化生产,缩短瓦斯含量测定周期是提高矿井 生产效率的基本要求。 瓦斯含量测定过程中井下解 吸量和残存瓦斯含量属于实测,误差较小,而瓦斯损 失量是根据煤屑瓦斯解吸规律反推获得,误差大小 取决于取样技术,我国现行的煤层瓦斯含量井下直 接测定方法规定采样时间不准超过 5 min,取样时间 越短,瓦斯解吸规律越完整,损失量反推误差就越 小。 试验将麻花钻杆取样工艺与井下钻屑解吸法联 合使用,反循环压风取样工艺与 CHP50M 法联合使 用,采用瓦斯含量测定周期和瓦斯含量测值两项评 价指标对比分析井下钻屑解吸法和 CHP50M 法测 (2)采用 CHP50M 法提高了煤层瓦斯含量测 值,并将煤层瓦斯含量测定周期缩短至 5 min。 (3)现场考察了反循环取样工艺配合 CHP50M 法测定煤层瓦斯含量技术和麻花钻杆配合钻屑解吸 法测定煤层瓦斯含量技术,分别从定点快速取样时 间、定点取样率、瓦斯含量测定周期、瓦斯含量测值 准确率等考核技术指标进行了考察,实现了对煤层 瓦斯含量测定方法的优化。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ 1]ꢀ 马合意,王兆丰,王ꢀ 晋. 一种新的煤层瓦斯含量测定方法的 研究[J]. 煤,2010(9):18-21. 定煤层瓦斯含量的应用效果,测试结果见表 3 所示。 2]ꢀ 王震宇,王佑安. 煤层瓦斯含量测定方法评述[J]. 煤矿安全, 表 3ꢀ 瓦斯含量测定技术考察指标对比 2 012(10):129-132. 3 不同孔深瓦斯含量测值/ (m / t) 测定周期 3]ꢀ 中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准 化管理委员会. GB / T23250—2009ꢀ 煤层瓦斯含量井下直接测 定方法[S]. 北京:中国标准出版社,2009. 取样 煤层 取样 工艺 / min 20 m 25 m 30 m 钻屑解吸法 1. 939 8 CHP50M 法 2. 308 4 钻屑解吸法 2. 923 5 CHP50M 法 3. 391 3 2. 285 8 2. 765 8 3. 003 1 3. 693 8 2. 443 2 3. 005 1 3. 041 9 3. 924 0 2 880 5 # 1 1-2 3-1 [ [ [ [ 4]ꢀ 俞启香. 矿井瓦斯防治 [ M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 1992. 288 0 5 # 1 5]ꢀ 邹银辉,吕贵春,张庆华. 瓦斯含量法预测突出危险性的试验 研究[J]. 矿业安全与环保,2007,34(4):4-6. ꢀ ꢀ 由表 3 可知,由于巷道卸压排放瓦斯作用,同一 6]ꢀ 王耀锋. 煤层原始瓦斯含量测定方法及误差影响因素研究 煤层随着取样钻孔深度延长,煤体瓦斯排放强度减 小,煤层瓦斯含量增大;在同一煤层同一取样孔深的 瓦斯含量测试结果中,CHP50M 法测值明显大于钻 屑解吸法的测值。 钻屑解吸法测值偏低主要因为瓦 斯损失量推算偏小,瓦斯损失量推算准确性取决于 煤样采集后的瓦斯解吸规律。 钻屑解吸法利用麻花 钻杆取样,由于取样时间大于 5 min,煤样采集后的 瓦斯解吸规律已逾越瓦斯损失量推算模型的适用范 围,推算误差被扩大,测值偏小。 从瓦斯含量测定周 期看,CHP50M 法利用了煤层瓦斯含量与 V1 的线性 关系,取样后测试煤样 5 min 的瓦斯解吸规律就可 [ D]. 阜新:辽宁工程技术大学,2005. 7]ꢀ 中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准 化管理委员会. GB / T 23250—2009ꢀ 煤矿井下煤层瓦斯含量 直接测定方法[S]. 北京 :中国标准出版社,2009. [8]ꢀ 黄ꢀ 鹤,王春光,苏伟伟. 井下压风定点快速取样装置[C] / / 煤 炭安全 / 绿色开采灾害防治新技术———2016 年全国煤矿安全 学术年会论文集. 沈阳:中国煤炭学会煤矿安全专业委员会, 2 016. 9]ꢀ 杨宏民,王兆丰. 井下便携式煤层瓦斯含量快速测定仪的应用 J]. 煤炭科学技术,2013(9):159-162. 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