煤層瓦斯含量快速直接測定技術(shù)與裝置研發(fā)

馬尚權(quán)，劉博雄，謝 宏

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)(煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量等)在瓦斯災(zāi)害防治過程中具有重要意義和作用，準(zhǔn)確測定工作歷來受到業(yè)界的高度重視。目前關(guān)于煤層瓦斯含量的測定仍存在瓶頸問題，其難點在于：無論是否保壓，取芯工藝要求都很高；無論手動還是自動，瓦斯解吸都需要依賴數(shù)值計算；無論在井下還是在地面完成，整個過程都很耗時；……。以往的研究成果，許多已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，如：WP-1、DCZ、DGC等，在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮積極作用；也有一些研究成果，由于種種原因，尚處在轉(zhuǎn)化中，甚至停滯不前。通過對“十一·五”成果“煤層瓦斯含量快速測定技術(shù)”的深化研究，結(jié)合生產(chǎn)實際需要，促成從“原理機”到“原型機”的進步。

1 技術(shù)原理及研究現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)原理

煤礦瓦斯事故是煤礦重大災(zāi)害之一，如何快速、準(zhǔn)確測定煤層瓦斯含量是一種亟需解決的問題。目前出現(xiàn)了諸多測定煤層原始瓦斯含量的方法，按照測定方法的適用環(huán)境可將其分為地質(zhì)勘探鉆孔測定方法和礦井下測定方法[1]；根據(jù)測定方法的原理又可分為直接方法和間接方法。直接法是直接采取煤樣通過研究其解吸規(guī)律的方法直接測定、計算煤層瓦斯含量，與間接法相比存在諸多優(yōu)點。但是直接法煤層瓦斯含量測定受到取芯工藝、損失量推算模型等因素的影響，存在測定準(zhǔn)確性差、成功率低等缺陷[2]。常用的間接法是根據(jù)現(xiàn)場實測煤層原始瓦斯壓力和實驗室測定的煤吸附常數(shù)值及工業(yè)分析結(jié)果，運用朗格繆爾方程計算瓦斯含量。

在直接法測定煤層瓦斯含量時，無論使用地勘鉆孔瓦斯解吸法、井下鉆孔瓦斯解吸法還是煤芯采取器法對煤層瓦斯含量進行測定時，測試過程可以概括為5部分：取芯解吸、測定解吸瓦斯量、求解瓦斯損失量、計算殘存瓦斯量、計算煤層原始瓦斯含量[3-4]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對煤樣損失瓦斯量計算方法進行了諸多研究，例如煤樣在空氣介質(zhì)中瓦斯損失量計算公式具有代表性的巴雷爾式、文特式、烏斯基諾式、博特式、王佑安式、孫重旭式以及指數(shù)式；泥槳介質(zhì)中煤樣損失瓦斯量計算公式有于良辰法、USBM法、Smith-Wiliam法以及曲線擬合法[5-6]。在煤樣采集過程中，樣品的粒徑大小對瓦斯解吸時間具有一定的影響，針對此問題諸多學(xué)者對不同的煤樣(完整煤心、塊煤、粉煤)，進行了相關(guān)研究，結(jié)果表明煤樣的粒度越小，相同時間段內(nèi)的瓦斯解吸總量越大[7]。

間接法是國內(nèi)外最常用的煤層瓦斯含量測定方法，其主要內(nèi)容是測定煤層原始瓦斯壓力及煤的吸附常數(shù)值，并利用朗格繆爾方程和氣體狀態(tài)方程對吸附瓦斯量及游離瓦斯量進行計算并求和，求和結(jié)果便是煤層瓦斯含量。目前運用間接法測定煤層瓦斯含量的過程中受水分、溫度、濕度的影響較多，導(dǎo)致其測定工藝復(fù)雜、測定周期長、成功率低、成本較高等缺點，無法適應(yīng)我國復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤層瓦斯含量測定。

綜上所述，目前關(guān)于煤層瓦斯含量直接法測定的關(guān)鍵性問題便是如何縮短煤樣在進行井下瓦斯解吸前的暴露時間，即減少瓦斯的損失量；其次便是關(guān)于應(yīng)用哪一種損失瓦斯量計算公式，所計算得出的瓦斯損失量更為精確。

1.2 裝置研究現(xiàn)狀

隨著科技的進步，不少研究人員研制出煤層瓦斯含量測定裝置。20世紀(jì)50年代中期至末期，撫順分院分別研制了1883型密閉式巖芯采取器以及撫研58型集氣式煤層瓦斯含量測定裝置；2001年至2005年期間，重慶研究院研發(fā)了ZCY-I型鉆孔引射取樣和取芯管取樣工藝及裝置；2009撫順分院研發(fā)了WP-Ⅰ型瓦斯含量快速測定儀；2013年期間，我國部分煤礦運用井下便攜式煤層瓦斯含量快速測定儀——CHP50M型煤層瓦斯含量快速測定儀；2014年，瓦斯解吸速度測定儀得到應(yīng)用；2018年，DGC瓦斯含量直接測定裝置得到應(yīng)用。隨著社會的進步，以及煤礦企業(yè)對煤層瓦斯含量的測量的準(zhǔn)確性及便捷性提出的更進一步的要求，暴露出目前常用設(shè)備的一些問題：一方面是其構(gòu)造復(fù)雜，一些零部件易于損壞，在廣泛推廣應(yīng)用上受到一定限制；另一方面是測定時間周期長、成本高、過程復(fù)雜、效率低。因此“十一·五”期間，華北科技學(xué)院聯(lián)合山西國陽新能股份有限公司，對煤層瓦斯含量快速直接測定技術(shù)與裝置進行研發(fā)，得到快速準(zhǔn)確的測量裝置，為瓦斯含量測定、瓦斯綜合治理及災(zāi)害預(yù)測提供準(zhǔn)確的參考。

2 煤層瓦斯含量快速直接測定裝置

煤層瓦斯含量快速直接測定裝置由兩部分組成：瓦斯解吸系統(tǒng)和解吸氣體測定系統(tǒng)。首先將煤樣采集裝置與粉碎裝置集成為一個整體的瓦斯解吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可實現(xiàn)對煤樣的密閉，又可以在密封條件下對煤樣進行粉碎攪拌；對于解吸氣體測定系統(tǒng)，將瓦斯解吸特征信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理運算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進行集成，與瓦斯解吸系統(tǒng)連接后，實現(xiàn)瓦斯解吸規(guī)律信息的自動采集，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行自動分析計算，計算出瓦斯損失量和殘存量，對計算結(jié)果進行儲存和實時顯示，并可將所有數(shù)據(jù)信息傳輸進計算機。

2.1 瓦斯解吸系統(tǒng)

根據(jù)需要分別設(shè)計了兩套瓦斯解吸系統(tǒng)，一種是在井下自由解吸，在地面粉碎解吸的電動粉碎解吸系統(tǒng)，另一種是自由解吸和粉碎解吸都在井下進行的手動粉碎解吸系統(tǒng)。

電動粉碎解吸裝置主要由三部分組成：粉碎室，粉碎刀片和高速電機。粉碎室實現(xiàn)密閉和粉碎的功能，同時在粉碎室頂蓋上設(shè)計了一個直徑為6 mm的孔，通過球閥與軟管連接，使煤樣解吸出的瓦斯氣體可以流出，軟管另一端與解吸氣體測定裝置連接，圖1為電動粉碎解吸裝置實物圖。

手動粉碎解吸系統(tǒng)的粉碎過程是使用可調(diào)壓碾輪碾壓粉碎原理來使煤這種低硬度脆性物料達到小于100 μm的粒徑級別。它主要有調(diào)壓手柄、碾輪、密閉粉碎倉體、變向傳動軸等組成。煤樣放進密閉粉碎室壓緊密封蓋，手動轉(zhuǎn)動動力手柄對煤樣進行粉碎，根據(jù)粉碎情況逐步旋低調(diào)壓手柄對碾輪加壓，實現(xiàn)煤樣的進一步粉碎，氣體溢出口與解吸氣體測定裝置連接，圖2、圖3分別為手動粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖、動粉碎解吸裝置實物照片。表1為兩種瓦斯解吸系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

圖1 電動粉碎解吸裝置實物照片

圖2 手動粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 手動粉碎解吸裝置實物照片

表1 瓦斯解吸裝置相關(guān)參數(shù)

2.2 解吸氣體測定系統(tǒng)

解吸氣體測定系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)結(jié)合信息化技術(shù)和計算機技術(shù)，對瓦斯解吸規(guī)律信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動采集，并采用多次擬合回歸分析對數(shù)據(jù)進行自動分析計算，計算出瓦斯損失量、解吸量和殘存量，對計算結(jié)果進行儲存和實時顯示，并可將所有數(shù)據(jù)信息傳輸進計算機。本系統(tǒng)采用熱式無阻力微量氣體測定原理，使煤樣的解吸過程更接近自然解吸狀態(tài)。

瓦斯解吸氣體測定系統(tǒng)將瓦斯解吸特征信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理運算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)瓦斯含量的快速準(zhǔn)確測定。圖4為瓦斯含量測定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖。

圖4 瓦斯含量測定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，本裝置硬件結(jié)構(gòu)由信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲電路、顯示電路、計時電路、供電電路、控制電路、通信電路、計算機、按鍵組成。系統(tǒng)采用單片機作為下位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的簡單處理和顯示；同時采用計算機作為系統(tǒng)的上位機，彌補單片機操作能力的不足，數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)接嬎銠C中，同時計算機根據(jù)不同需求進行數(shù)據(jù)處理。

信息采集系統(tǒng)是瓦斯含量測定的關(guān)鍵所在。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機為智能化系統(tǒng)的中心。在進行信息采集時，計時電路根據(jù)操作者的設(shè)置可以實現(xiàn)對信息采集時間間隔的控制，流量信息數(shù)據(jù)通過流量傳感器及采集器接口輸入到單片機中，并將數(shù)據(jù)存儲在單片機中。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)處理電路實現(xiàn)對瓦斯解吸規(guī)律數(shù)據(jù)的擬合計算以及所有測定計算數(shù)據(jù)的綜合處理；顯示電路選用共陽極七段數(shù)碼管、放大器、與液晶屏連接。裝置從數(shù)據(jù)采集到顯示的處理過程如圖6所示；計時電路主要功能是對測定過程進行計時；供電電路主要由穩(wěn)壓器和交流-直流變換器組成，采用蓄電池供電電池電壓穩(wěn)定為5 V，再經(jīng)隔離變換成5 V和12 V電壓，分別供給控制電路和傳感器電路；控制電路是整個系統(tǒng)的核心由ATMEGA128單片機芯片、串行輸入輸出電路、程序?qū)懭腚娐?、晶體振蕩電路、上電復(fù)位電路組成。

圖6 顯示處理過程圖

本裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。該裝置的軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)串口通訊、數(shù)據(jù)及曲線的實時顯示以及數(shù)據(jù)的儲存等功能。

圖7 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 損失量推算公式選取

由于實際鉆孔取煤屑時暴露時間一般為3 min，因此，數(shù)據(jù)擬合計算時也按照暴露時間3 min來計算。處理方法是：把各組實驗數(shù)據(jù)前3 min的累計解吸瓦斯量看做暴露時間內(nèi)實際損失的瓦斯量；取3 min以后的所有數(shù)據(jù)作為擬合數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行擬合，求出公式中的各個系數(shù)，然后按照擬合出的公式推算前3 min的損失瓦斯量，此為推算的損失量；然后比較分析推算值和實際值的誤差。瓦斯速率解析曲線如圖8。解吸數(shù)據(jù)回歸結(jié)果及推算損失量誤差見表2中數(shù)據(jù)。

表2 解吸數(shù)據(jù)回歸結(jié)果及推算損失量誤差

圖8 解吸速率曲線

從各表中數(shù)據(jù)看，溫度對擬合精度有一定影響，普遍規(guī)律是溫度越高，擬合相關(guān)系數(shù)越高，但對于推算誤差來說，受溫度影響不大，但冪函數(shù)表現(xiàn)出隨溫度降低推算誤差有所增大，這是因為冷凍煤樣在常溫解吸時，煤樣在和外界環(huán)境不斷進行著熱量交換，由于溫度對解吸速率有明顯影響，因此，低溫下解吸規(guī)律有所不同。

由以上分析可知，單憑擬合相關(guān)系數(shù)值R來判斷哪個函數(shù)適合瓦斯解吸規(guī)律的擬合顯得有些片面，必須引入相對誤差的判斷指標(biāo)，因為計算值與實際值的誤差小才是我們測定瓦斯含量的本質(zhì)要求。因此確定采用冪函數(shù)法來推算損失瓦斯量。

3 現(xiàn)場測試及分析

為對煤層瓦斯含量快速直接測定裝置的測定效果進行驗證，在山西國陽新能股份有限公司二礦進行場測驗，二礦坐落于太行山西麓，陽泉市西南6公里處，井田走向長約7.8 km，傾向長約7.7 km，面積為60.0603 km2。

選取以下6點：21302準(zhǔn)備面進風(fēng)巷8#煤32 m深處、21302工作面進風(fēng)巷8#煤100 m深處、71319進風(fēng)配巷3#煤30 m深處、71319進風(fēng)配巷3#煤100 m深處、81003內(nèi)錯尾巷煤壁15#煤、81003內(nèi)錯尾巷掘進頭15#煤進行測試。該實驗過程中將用DGC、DCZ和本裝置同時進行煤層瓦斯含量測定，并將個設(shè)備粉碎時間及測定總時間進行匯總結(jié)果見表3、表4中數(shù)據(jù)。

表3 粉碎參數(shù)比較

表4 測定總時間

由表3、表4中數(shù)據(jù)可得到本裝置在對煤樣進行粉碎達到要求的粒徑級別所用時間最短，并且完成整個煤層瓦斯含量測定實驗用時最少。

對三種設(shè)備的實驗結(jié)果進行匯總見表5中數(shù)據(jù)，

表5 各煤層瓦斯含量測定結(jié)果

由表5中數(shù)據(jù)可以看出本裝置煤層瓦斯含量測定結(jié)果較其他兩種設(shè)備測定結(jié)果的誤差范圍小，測定結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1) 研制了煤層瓦斯含量快速直接測定裝置。煤層瓦斯含量快速直接測定裝置中的瓦斯解吸系統(tǒng)可以實行封閉狀態(tài)下對瓦斯進行解吸；瓦斯氣體測定裝置由信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理運算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)瓦斯含量的快速準(zhǔn)確測定并將結(jié)果儲存并傳輸?shù)接嬎銠C中。

(3) 該裝置實現(xiàn)煤樣密封、粉碎以及煤樣的自然解吸和粉碎解吸均在同一裝置中進行。

(4) 粉碎系統(tǒng)粉碎細度高，粉碎時間短，粉碎1 min即可使200目以上粒徑顆粒達到92%以上。

(5) 將現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比，結(jié)果表明該裝置測量煤層瓦斯含量測定時間短，測定結(jié)果誤差最小。

(6) “原理機”到“原型機”的進步，目前尚需繼續(xù)研究的重點有：一是繼承該成果，更新軟硬件；二是小型化、微型化，使之適用于定向鉆機的隨鉆測定。