羅新榮, 楊 歡, 李夢(mèng)坤, 丁 振

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

鉆孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸規(guī)律

羅新榮, 楊 歡, 李夢(mèng)坤, 丁 振

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

為探討鉆孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸規(guī)律，采用壓風(fēng)排渣取樣測(cè)定煤屑解吸瓦斯量，方法簡(jiǎn)單快速，減少了瓦斯損失量。鉆孔煤屑解吸瓦斯規(guī)律在120 min內(nèi)符合對(duì)數(shù)方程。對(duì)單個(gè)煤樣和多個(gè)煤樣瓦斯含量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行誤差分析與不確定度評(píng)定。結(jié)果表明：鉆孔煤樣的瓦斯含量測(cè)定相對(duì)誤差僅為1.27%；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的煤層瓦斯含量測(cè)定的相對(duì)誤差僅為1.34%，擴(kuò)展相對(duì)不確定度為2.33%，符合工程實(shí)踐要求。該研究為煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果的可靠性提供了理論依據(jù)。

鉆孔煤屑； 瓦斯含量； 水分； 解吸規(guī)律； 誤差

0 引 言

原始植物含有大量的水分，在成煤過程中，也會(huì)生成大量的水分，因而，煤、瓦斯、水共存構(gòu)成固-氣-液三相耦合狀態(tài)。

煤是一種孔隙發(fā)育的復(fù)雜多孔介質(zhì)，水分子進(jìn)入到煤的孔隙-裂隙通道中會(huì)填充部分吸附體積及堵塞瓦斯輸運(yùn)通道，從而降低煤的吸附/解吸能力。Joubert等[1]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分含量超過一個(gè)臨界值時(shí)，煤對(duì)甲烷的吸附量不再因?yàn)樗值脑黾佣苡绊?。張慶玲[2]的研究得出一般情況下煤體內(nèi)部水分的臨界值為2%。郭淑敏等[3]研究瓦斯解吸指標(biāo)的測(cè)定，得到水分含量的臨界值為2.35%。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤-瓦斯的解耦合規(guī)律進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出一系列經(jīng)驗(yàn)公式，包括巴雷爾式、烏斯基諾夫式、文特式、王佑安式、指數(shù)式等。R.M.Barrer[4]基于天然沸石對(duì)各種氣體的吸附過程進(jìn)行測(cè)定,氣體累計(jì)吸附量和解吸量與時(shí)間的平方根成正比。

我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》[14]推算瓦斯損失量時(shí)，選用巴雷爾式和烏斯基諾夫式，AQ/T1065—2008《鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定方法》[15]選用的也是巴雷爾式，但當(dāng)被測(cè)煤層破壞強(qiáng)烈時(shí)，計(jì)算得到的漏失瓦斯量與實(shí)際值誤差較大[16-17]。在眾多研究基礎(chǔ)上，筆者探討了鉆孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 煤樣采集

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究[18-19]，風(fēng)力排渣采樣法進(jìn)行解吸直接測(cè)定煤層瓦斯含量的方法簡(jiǎn)便易行。文中實(shí)驗(yàn)采樣方法采用井下鉆孔風(fēng)力排渣法，直接在鉆孔出口處接取煤樣，將鉆孔排出的煤屑迅速裝滿事先準(zhǔn)備好的煤樣罐，潔凈煤樣罐口后迅速密封煤樣罐。采樣前后煤樣罐兩次稱重之差即為采集煤樣的重量。同時(shí)，記錄采樣時(shí)間、地點(diǎn)、采集煤樣的開始及結(jié)束時(shí)間，并對(duì)樣品編號(hào)。

1.2 井下和地面自然解吸瓦斯量測(cè)定

井下和地面自然解吸瓦斯量測(cè)定都采用排水集氣稱重法，瓦斯解吸量測(cè)定裝置與煤樣罐連接見圖1。使用的電子天平規(guī)格為：感量0.1g，量程不小于6 000g，精度優(yōu)于0.5g；水量罐規(guī)格：有效體積不小于1 000cm3。該方法所測(cè)解吸瓦斯含量具有數(shù)字顯示精度高、直觀方便的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 稱重法測(cè)量煤樣解吸瓦斯量測(cè)定裝置

Fig. 1Measurementdeviceofcoalsampledesorptiongasflowbyweighingmethod

1.3 粉碎煤樣解吸瓦斯量測(cè)定

采用排水集氣法測(cè)定解吸瓦斯量。粉碎煤樣解吸量測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

當(dāng)煤樣罐的出氣量小于 1 g/min 時(shí)，打開煤樣罐蓋，取出煤樣 200 g 稱重(精確到 0.1 g )，裝入粉碎機(jī)的容器內(nèi)。將容器放在粉碎機(jī)上，蓋上粉碎機(jī)的蓋子，并擰緊壓蓋。將粉碎機(jī)容器上的出氣孔用尼龍膠管與水量筒的進(jìn)氣孔連接好。記錄電子天平初始讀數(shù)并置0。啟動(dòng)粉碎機(jī)(3～5 min)和秒表，每隔5 min記錄電子天平讀數(shù)及測(cè)定時(shí)間，連續(xù)觀測(cè)直至解吸速度為0 (g/min)。將觀測(cè)結(jié)果填寫到記錄表中，得到煤樣粉碎后解吸瓦斯量Q3，單位煤重的粉碎后解吸瓦斯量X3=Q3/200。同時(shí)記錄大氣壓力、水溫及室溫。

天然的吸附材料來源廣泛，但會(huì)有吸附率低、吸附中藥材里有效成分的缺點(diǎn)，可以針對(duì)這兩點(diǎn)為參照對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾后，增大其吸附量。使其不僅能應(yīng)用于水體中重金屬的脫除，還能對(duì)中藥水提液的重金屬離子達(dá)到理想的吸附效果。

圖2 煤樣粉碎解吸量測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Fig. 2 Measurement experiment system of coal samples crushed desorption

1.4 瓦斯解吸指標(biāo)的測(cè)定

關(guān)于煤的孔隙分類，可采用煤-瓦斯-水體系的孔隙分級(jí)方法[20]，將煤中孔隙分為吸附容積、滲透容積，見表1。Washburn公式為

r=-2γcosθ/p,

(1)

式中：r——孔半徑，nm；γ——表面張力，N/m；θ——接觸角，(°)；p——壓力，Pa。

表1 煤-瓦斯-水體系的孔隙分級(jí)與特征

Table 1 Pore classification and characteristics of coal-gas-water

孔隙分級(jí)孔隙分類r/nm瓦斯儲(chǔ)運(yùn)特征一級(jí)吸附容積微孔 ≤10 吸附與擴(kuò)散 小孔 >10～100 毛細(xì)凝結(jié)與擴(kuò)散 二級(jí)滲透容積中孔 >100～1000分子滑流層流滲透大孔 >103～105 劇烈層流滲透 可見裂隙>105 層流與紊流滲透

根據(jù)式(1)計(jì)算得到水能進(jìn)入煤樣的最小孔隙尺度，見表2。

煤樣在0.10 MPa常壓自然吸水的條件下，水只能進(jìn)入大孔1 436 nm以上的空隙內(nèi)，對(duì)吸附容積沒有影響。在8.00 MPa的注水壓力下，水能進(jìn)入煤樣的最小孔隙直徑大小也僅為17.82 nm，處于小孔容積的范圍，會(huì)對(duì)瓦斯毛細(xì)凝結(jié)與擴(kuò)散產(chǎn)生影響。

表2 水能進(jìn)入到煤樣的最小孔徑

Table 2 Minimum pore size of water entering coal sample

注水類型r/nmθ=120°θ=150°0.10MPa自然吸水1435.972487.110.74MPa注水壓力192.69333.746.25MPa注水壓力22.8139.518.00MPa注水壓力17.8230.87

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)

式中：Q——t時(shí)刻的實(shí)際瓦斯解吸總量，cm3；Qt——t時(shí)刻的井下瓦斯測(cè)定解吸總量，cm3；Q0——井下?lián)p失瓦斯總量，cm3；q——瓦斯涌出速度，cm3/min;q0——瓦斯涌出初速度，cm3/min;t——瓦斯解吸時(shí)間，t=t0+t1，min；t0——解吸損失時(shí)間，min；t1——解吸測(cè)定時(shí)間，min。

丁集煤礦1432(1)運(yùn)順迎頭-900 m 11煤層2#鉆孔煤樣解吸瓦斯典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3，其中實(shí)驗(yàn)用煤質(zhì)量1 548 g，所有數(shù)據(jù)為單位質(zhì)量煤樣瓦斯解吸量。通過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，見圖3。

表3 煤樣解吸瓦斯數(shù)據(jù)

Table 3 Desorption gas data

cm3/g

注：井下解吸量不含損失瓦斯量。

圖3 丁集礦-900 m 11煤層2#鉆孔煤樣解吸瓦斯曲線

Fig. 3 Regression curves of desorption gas of 2#drilling in Dingji mine -900 m 11 coal seam

3 討論與分析

3.1 解吸經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比

根據(jù)表3的典型數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行測(cè)量時(shí)間為10、30、60 min的各經(jīng)驗(yàn)公式回歸分析，得到解吸初速度值和相關(guān)系數(shù)，見表4；單位質(zhì)量煤樣損失瓦斯量(X0)，見表5。其中，相關(guān)系數(shù)R2為描述擬合效果優(yōu)劣的指標(biāo)，R2越接近1，表明擬合效果越好。

通過對(duì)表4、5中井下不同時(shí)間段煤樣解吸數(shù)據(jù)的回歸系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析各經(jīng)驗(yàn)公式在描述各煤樣在空氣介質(zhì)中煤的瓦斯解吸過程的相關(guān)系數(shù)大小。由表4、5可以看出，對(duì)數(shù)式在描述煤瓦斯解吸過程中其相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巴雷爾式、文特式、烏斯基諾夫式、王估安式及指數(shù)式的相關(guān)系數(shù)值，對(duì)數(shù)式各階段描述現(xiàn)場(chǎng)解吸數(shù)據(jù)擬合程度都很高，且隨時(shí)間變化不大，可見對(duì)數(shù)式描述煤樣解吸規(guī)律更準(zhǔn)確可靠。

表4 丁集1432(1)運(yùn)順迎頭11煤層解吸數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式回歸分析

Table 4 Regression analysis results of Dingji 1432 (1) 11 transport along head-on coal sample under different periods desorption data

公式名稱回歸公式形式前10min前30min前60min回歸系數(shù)相關(guān)系數(shù)回歸系數(shù)相關(guān)系數(shù)回歸系數(shù)相關(guān)系數(shù)對(duì)數(shù)式Qt=q0ln(t+1)q0=0.17070.9994q0=0.17610.9996q0=0.18170.9992巴雷爾式Qt=ktk=0.09230.9966k=0.07670.9949k=0.06900.9923文特式Qt=V11-Ktt1-ktV1=0.1234kt=0.91110.8922V1=0.1054kt=0.84970.9682V1=0.1067kt=0.85310.9703烏斯基諾夫式Qt=V0((1+t)1-n-11-n)V0=0.1628n=0.99010.8885V0=0.1281n=0.89890.9670V0=0.0272n=0.50260.9391王佑安式Qt=ABt1+BtA=0.6752B=0.07060.8575A=0.7321B=0.03830.9483A=0.7717B=0.02910.9444指數(shù)式Qt=V0b(1+e-bt)V0=0.0327b=0.07620.8404V0=0.0209b=0.04250.9190V0=0.0168b=0.03150.9186

表5 多煤樣的對(duì)數(shù)式回歸分析

3.2 誤差與不確定度

根據(jù)誤差與測(cè)量不確定度理論[21]，計(jì)算得出丁集煤礦-900 m 11煤層2#鉆孔煤樣可解吸瓦斯測(cè)定的擴(kuò)展不確定度估計(jì)值0.039 cm3/g，相對(duì)擴(kuò)展不確定度0.97%。結(jié)合顧橋礦、丁集礦大量煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析誤差列于表6和表7。表7中Qz為井下自然解吸瓦斯量；V為各階段氣體體積；v為各階段質(zhì)量體積；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示損失瓦斯量階段、井下解吸瓦斯量階段、粉碎前及粉碎后地面瓦斯解析量階段。

表6 1432(1)煤層瓦斯含量測(cè)量數(shù)據(jù)

表7 單個(gè)煤樣和多個(gè)煤樣誤差和不確定度的比較

Table 7 Comparison of error and uncertainty of single coal sample and multiple coal samples

誤差來源單個(gè)煤樣多個(gè)煤樣誤差不確定度誤差不確定度Qz/cm31.8431.0388.1294.690t0/min0.5000.2890.5000.289Q0/cm35.4873.18319.59011.325 V/cm3Ⅰ 5.86311.32519.27911.378Ⅱ 3.7049.13810.8105.536Ⅲ 4.3423.53711.8126.555Ⅳ 8.9705.63010.1665.279v/cm3·g-1Ⅰ 0.00410.00810.00810.0079Ⅱ 0.00260.00750.00450.0033Ⅲ 0.00300.00190.00490.0057Ⅳ 0.04500.05800.05170.0460合成誤差0.04500.05900.05280.0917相對(duì)誤差/%1.273.821.342.33

由表7可見，鉆孔煤樣的瓦斯含量測(cè)定相對(duì)誤差僅為1.27%；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的煤層瓦斯含量測(cè)定的相對(duì)誤差僅為1.34%，擴(kuò)展相對(duì)不確定度為2.33%，符合工程實(shí)踐要求。

4 結(jié)束語

在原始煤儲(chǔ)層條件下，煤-瓦斯-水三相共存構(gòu)成固-氣-液三相耦合狀態(tài)。為探討鉆孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸規(guī)律，采用壓風(fēng)排渣取樣測(cè)定煤屑解吸瓦斯量。該方法簡(jiǎn)單快速，減少了瓦斯損失量。鉆孔煤屑解吸瓦斯規(guī)律在120 min內(nèi)符合對(duì)數(shù)方程。對(duì)單個(gè)煤樣和多個(gè)煤樣瓦斯含量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行誤差分析與不確定度評(píng)定，結(jié)果顯示鉆孔煤樣的瓦斯含量測(cè)定相對(duì)誤差僅為1.27%；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的煤層瓦斯含量測(cè)定的相對(duì)誤差僅為1.34%，擴(kuò)展相對(duì)不確定度為2.33%，符合工程實(shí)踐要求。該研究為煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果可靠性提供了理論依據(jù)。

[1] Joubert J I, Grein C T, Bienstock D. Sorption of methane in moist coal[J]. Fuel, 1973, 52(3): 181-185.

[2] 張慶玲. 煤儲(chǔ)層條件下水分——平衡水分測(cè)定方法研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 1999, 27(4): 26-28.

[3] 郭淑敏, 段小群, 徐成法. 煤儲(chǔ)層條件下平衡濕度測(cè)定方法研究[J]. 焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 23(2): 157-160. [4] Barrer R M. Diffusion in and through solid[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1951.

[5] 楊其鑾. 煤屑瓦斯放散隨時(shí)間變化規(guī)律的初步探討[J]. 煤礦安全, 1986(4): 4-12.

[6] Sevenster P G. Diffusion of gases through coal [J]. Fuel, 1959 38(1): 403-418.

[7] Nandi S P , Jr P L W. Activated diffusion of methane from coal at elevated pressure [J]. Fuel, 1975, 54(2): 81-86.

[8] 邵 軍. 關(guān)于煤屑瓦斯解吸經(jīng)驗(yàn)公式的探討[J]. 煤炭工程師, 1989(3): 21-27.

[9] 曹垚林, 仇海生. 碎屑狀煤芯煤-瓦斯-水的解耦合規(guī)律研究[C]// 煤礦重大災(zāi)害防治技術(shù)與實(shí)踐——2008年全國(guó)煤礦安全學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2008: 102-108.

[10] 安豐華, 程遠(yuǎn)平, 吳冬梅, 等. 基于瓦斯解吸特性推算煤層瓦斯壓力的方法[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2011, 28(1): 81-85.

[11] 尚政杰. 瓦斯含量直接測(cè)定方法漏損量推算的研究[J]. 煤礦安全, 2012, 43(1) : 1-4.

[12] 李云波, 張玉貴, 張子敏, 等. 構(gòu)造煤瓦斯解吸初期特征實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2013, 38(1): 15-20.

[13] 王云剛, 鄢桂云, 李 盟. 煤樣漏失瓦斯量推算試驗(yàn)研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 32(6): 658-662.[14] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì). GB/T 23250—2009 煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法[S]. 北京: 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[15] 煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院. AQ/T1065—2008 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定方法[S]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2008.

[16] 緱發(fā)現(xiàn), 賈翠芝, 楊昌光, 等. 用直接法測(cè)定煤層瓦斯含量來推算損失量的方法[J]. 煤礦安全, 1997(7): 9-11.

[17] 楊其鑾, 王佑安. 瓦斯球向流動(dòng)數(shù)學(xué)模擬[J]. 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 1988(3): 58-64.

[18] 趙繼展. 鉆孔風(fēng)排鉆屑法測(cè)試煤層瓦斯含量[J]. 陜西煤炭, 2012， 31(2): 94-95.

[19] 陳向軍, 程遠(yuǎn)平, 王 林. 水分對(duì)不同煤階煤瓦斯放散初速度的影響[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2012, 40(12): 62-65.

[20] 羅新榮. 煤的孔隙結(jié)構(gòu)與容滲性[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 1998(4): 41-43.[21] 邱 英， 彭延齡. 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[J]. 機(jī)械工程師， 2007(4)： 60-62.

(編輯 晁曉筠 校對(duì) 荀海鑫)

Desorption law behind drilling coal-gas-moisture coupling

LuoXinrong,YangHuan,LiMengkun,DingZhen

(School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper introduces desorption law behind drilling coal-gas-moisture coupling. The determination of drillings desorption gas volume, using pressure air slagging method is a simple and rapid method reducing the amount of gas loss. The coupling trend of the coal-gas-moisture complies with the logarithmic equation within 120 minutes. The study involves error analysis and uncertainty evaluation of single coal sample and plurality. The results demonstrate that the relative error of gas content of coal sample is only 1.27%; the relative error of gas content of coal sample based on statistical data is only 1.34%;and the relative expanded uncertainty of the measuring error of the total gas desorption amount is 2.33%, adequate for the requirements of engineering practice. The research could provide a theoretical basis for the reliability of coal gas content determination.

drillings; gas content; moisture; desorption law; errors

2017-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1361102)

羅新榮(1957-)，男，江西省樟樹人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：礦井瓦斯防治理論與技術(shù)，E-mail:aq204@cumt.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.004

TD712

2095-7262(2017)05-0462-06

A