井下钻屑解吸法以及种取样过程中的瓦斯损失量公式

附件1：井下钻屑解吸法，以及常见的8种计算取样过程中的瓦斯损失量公式1.1井下钻屑解吸法井下钻屑解吸法的原理：通过井下采集新鲜原始煤样，实测煤样瓦斯解吸量，根据负指数函数(V=V0e-kt)规律推算取样过程煤样的损失瓦斯量，然后在实验室测定煤样的残存瓦斯量，最后根据煤样的取样过程中损失瓦斯量、井下瓦斯解吸量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。井下钻屑解吸法测定步骤如下：在新暴露的采掘工作面煤壁上，用煤电钻垂直煤壁打一个小42mm的钻孔，当钻孔钻预定位置时开始取样，并记录采样开始时间t；1将采集的新鲜煤样装罐并记录煤样装罐后开始解吸测定的时间匕，用FHJ-2型瓦斯解吸速度测定仪(图1-1)测定不同时间t下的煤样累计瓦斯解吸量Qt，一般测定2个小时，解吸测定停止后拧紧煤样罐以保证不漏气，送实验室测定煤样残存瓦斯量。损失量计算将不同解吸时间下测得资料按下式换算成标准状态下的体积Q:oi(1-1)_273.2*(p-9.81h-p)*QQ0i1.013*105*(273+；)'(1-1)式中Q0i—算成标准状态下的解吸瓦斯体积，ml；Qj一不同时间解吸瓦斯测定值,ml；P。一大气压力，Pa；h—量管内水柱高度,mm；wPs—hw下饱和水蒸汽压力，Pa；tw—量管内水温，°C。把不同时间的煤样累计解吸量Qt换算为不同时间的瓦斯解吸速度匕，对全部测点［(t+t),V］进行回归计算，求出k和V，再由Q_匕(1-e-kt0)计算取样过程中0i02k的漏失瓦斯量。将解吸测定后的煤样连同煤样罐送实验室测定其残存瓦斯量、水分、灰分等；根据换算成标准状态下的煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量、残存瓦斯量和煤的质量，可求出煤样的瓦斯含量。众所周知，瓦斯含量由取样过程中损失瓦斯量、井下解吸瓦斯量和残存瓦斯量三部分组成，其中，井下解吸瓦斯量和残存瓦斯量均可实测得到，取样过程中的损失量需要通过井下测定数据推算获得。在实际推算取样过程中的瓦斯损失量时，对于非强烈破坏煤来说，由V=V0e-kt规律推算的损失量精度能够满足工程需要，而对于强烈破坏煤来说，再采用V=V°e-kt规律推算的煤样采集过程中瓦斯损失量，则产生较大误差［16］，见表IT。表1-1实际漏失瓦斯量与V=Ve-kt推算漏失瓦斯量对比煤的坚固性系数0f=0.17f=0.09f=0.24f=0.26实际漏失瓦斯里(ml/g)4.976.042.241.73V=Voe-kt推算漏失瓦斯量(ml/g)1.301.541.200.64误差(％)73.8474.5046.4363.01大量事实证明，由于取样过程中瓦斯损失量补偿时产生误差，引起测定的瓦斯含量值偏小，致使对矿井瓦斯危险程度和瓦斯涌出量不能作出准确预测，直接影响到以预测为依据而制定的瓦斯防治措施的有效性与经济性，甚至可能危及矿井安全生产［17］因此，准确推算取样过程的瓦斯损失量显得至关重要。综上所述，在采用井下钻屑解吸法测定瓦斯含量时，由于推算取样过程中瓦斯损失存在误差，使部分含量测值稳定性差、准确率偏低，特别是对于强烈破坏煤而言，推算的损失量误差更大。这个问题的根据原因就是缺乏对强烈破坏煤瓦斯解吸规律的研究，反推煤样漏失瓦斯量时，不区分煤的破坏类型，套用V=V0e-kt规律，忽略了在煤破坏程度较大时，瓦斯解吸速度在初始段衰减比较强烈，此时，再用V=V°e-kt规律推算损失量将会造成较大误差。因此，研究空气介质中强烈破坏煤瓦斯解吸规律，建立科学合理的煤样采集过程中损失瓦斯量补偿方法，不但有利于提高我国煤层瓦斯含量测定方法的稳定性与准确性，而且有益于我国煤矿瓦斯防治技术水平和煤层瓦斯商业化开采必需的资源评价水平的整体提高。1.2常见的8种计算取样过程中的瓦斯损失量公式近三十多年来，国内外对采样开始阶段到煤样解吸测定前的逸散(损失)的瓦斯量的补偿做了大量的研究工作，常见的有以下几种：⑴*法1970年法国贝尔特等人在井下水平钻孔中研究得出［18］:煤中瓦斯解吸在开始阶段的瓦斯解吸量(Q)与解吸时间的平方根成正比，即Q=K*，式中K为系数。根据这一关系可求出采样过程中逸散的瓦斯量。按规定要求将采取的煤样(粒度l〜3mm)装入煤样容器中，煤样暴露时间(t)控制在35s，煤样在容器中解吸测定b一般为35s(t)。g

在(tb十tg)和tb之间的时间内解吸的瓦斯量为(1-2)(1-3)q=K2t-KEq=关七+t-K如煤样解吸测定35s(1-2)(1-3)q=K2t-KETOC\o"1-5"\h\z从采祥到试样被装入密封容器前，这段时间内煤样逸散的瓦斯量(Q1)为Q1=K何(1-4)式中1方tb—煤样暴露时间，s；K一系数。由(2)式和(3)式得出：Q1=(2+Sq(1-5)式(1-4)中的q是根据波盖尔一马略特定律和比例关系推出的。通过大量试验证明Q一般为解吸瓦斯量的10%。11973年美国吉赛尔等人将法国方法应用于地质勘探钻孔中，钻进采用普通煤芯管在孔底取煤芯。当煤芯提至孔口时，用密封罐采集瓦斯煤样，进行现场和实验室测定。在采样和测定过程中，假定煤芯提到提钻时间的一半处开始释放瓦斯，同时假定煤芯在钻孔冲洗液中释放瓦斯的规律与空气中是相同的。记下起钻时间(T)，钻具提至孔口时间(T)，煤样装罐后与解吸仪连接的时间(T)。TOC\o"1-5"\h\z123T-T根据上述假定，煤样装罐解吸前暴露时间(0)是孔内暴露时间11(t=)112(1-6)\o"CurrentDocument"与地面空气中暴露时间t2(t2=T-%)之和，即223210=§t+1(1-6)如煤样装罐后进行了t时间的解吸测定，则煤样总的解吸瓦斯时间为T=0+1。以煤样瓦斯解吸时间的平方根为横座标(te)、解吸瓦斯量(q)为纵座标，将解吸测定数据全部绘在座标中，把呈直线关系的点连线，并延长与纵轴相交，直线在轴线上的截距即为所求的逸散瓦斯量。英国剑桥大学巴雷尔博士[A基于天然沸石对各种气体的吸附过程测定，认为吸附和解吸是可逆过程，气体累计吸附量和解吸量与时间的平方根成正比：£=滂*(1-7)3

式中[――从开始到时间t时的累计吸附或解吸气体量，cm3/g；Q;—极限吸附或解吸气体量，cm3/g；s----单位重量试样的外表面积，cm2/g；V——单位重量试样的体积，cm3/g；t吸附或解吸时间，min；D扩散系数，cm/min；k煤样经1min时的瓦斯解吸量，cm3/g。塞文斯特(P.G.Sevenster)、萨特恩德拉和菲利甫(SatyendraP.NandiandPhilipsL.Walker)通过大量测定，认为煤的瓦斯解吸在0W(tW—■—时间域2s'VD内是适合5规律的，但解吸时间5〉J二时，随着时间的延长，误差会越来越2sXD大。⑵文特式德国工学博士文特和雅纳斯(K.Winter&H.Janas)研究发现：煤中瓦斯解吸开始阶段其解吸瓦斯量与解吸时间呈幕函数关系。德国用EL一KD一02型电容栅瓦斯解吸仪测定煤样瓦斯解吸速度与解吸时间的关系式为：(.、-kt-Ita)式中V、V一解吸时间为t、t时的瓦斯解吸速度，ml/min；k—瓦斯解吸过程随时间变化的指数。当t=0，t=lmin时，则最初1min解吸的瓦斯量:a—，〃、q]—]^k(ml/^)t在任一时间T内累积解吸瓦斯量为Q—iTVT-kdT=^—^T(i-k)0i1-kt煤样暴露时间t。时其瓦斯解吸量为：0八—Q—1~~节t(4kt)t式中Q]—暴露时间t0内逸散瓦斯量，ml；——时间为1min时，煤样解吸瓦斯速度。1(1-8)(1-9)(1-10)(1-11)⑶乌斯基诺夫式(1-8)(1-9)(1-10)(1-11)前苏联学者乌斯基诺夫认为煤的瓦斯解吸按达西定律计算得到的数据与实测数据有较大的出入，他未在理论上对此进行深入研究，但在实测数据的统计分析基础上得到了与实测值较吻合的计算用经验公式：（1+t炉—I】Qt=v0［—^^］（1-12）式中Qt-—-从开始到时间t时的累计瓦斯解吸量，cm3/g；v01=0时的瓦斯解吸速度，cm3/g•min；t解吸时间，min；n――取决于煤质等因素的系数。我国研究人员苏文叔、于良臣通过对阳泉、焦作、淮南等矿区的实测，确认了式（1-12）的成立。⑷英国经验公式英国学者艾黎［26］在研究煤层瓦斯涌出时，将煤体看作是由分离的包含有裂隙的“块体”的集合体，每个块体尺寸各有千秋，由此出发建立了以达西定律为基础的煤的瓦斯涌出理论，并提出了如下的煤中瓦斯解吸量与时间的经验公式：，'、n、Q=Q」1-/10）］（1-13）式中Qt-—一煤从压力解除开始全时间t时的累计瓦斯解吸量，cm3/g；Qo--一极限瓦斯解吸量，cm3/g；t时间，min；t0――时间常数；n――与煤中裂隙发育程度有关的常数。艾黎的经验公式强调的是煤块，且是富含裂隙的块体，块体与块体之间的裂隙系构成了煤的渗透孔容。从生产实践看，当煤的破坏程度不是极强烈时，将煤层简化成这种“块体”结构是比较合理的；但当煤破坏极强烈（例如：粉煤或软分层）或是人为采集的小粒度煤样，煤中会含有较大比例的微孔和过渡孔，渗透孔容所占的比例相对减少，此时，煤的瓦斯解吸用菲克扩散定律可能会更好。按照高照祥［27］的调查，该法成功率较低。⑸博特式澳大利亚研究人员博特（B.A.Bolt）等人通过对各种变质程度的煤的瓦斯解吸过程的实验测试，认为瓦斯在煤中的解吸过程和瓦斯通过沸石的扩散过程非常类似，其解吸瓦斯量与解吸时间之间有如下关系：Q=。^(1-Ae孔)(1-14)式中A、A----经验常数；Qt――从开始到时间t时的累计瓦斯解吸量，cms/g；Q,----极限瓦斯解吸量，cm3/g。式(1-5)的最大缺点是当时间t一0时，Qt=QTO(1-A)#0,与实际不相符。⑹指数函数法近几年来，美国犹他州大学将瓦斯从煤中解吸按指数函数衰减这一理论用于试验过程和计算中，并进行了各种试验巳证实了该理论的可靠性和实际的正确性。根据指数函数关系得出的解吸速度相对于时间的曲线通用公式为：v=ve-虹(1-15)t。和J之间解吸的瓦斯量可由下式积分求得：Q=jtivdt(1-16)to根据公式(1-13)和公式(1-14)，当t=0时，瓦斯解吸量为：八v…一Q=-0(-e-kt1)(1-17)k式中r。为初始瓦斯解吸速度。公式(1-16)中的k和初始瓦斯解吸速度vo可根据t1和t2之间测得的数据点求出常数k，并由J外推vo。⑺王佑安式在利用重量法大量测定煤样瓦斯解吸速度后，王佑安认为煤屑瓦斯解吸量随时间的变化符合“朗格缪尔”型方程：(1-18)Q=AL

t1+Bt(1-18)式中Qt--—从开始到时间t时的累计瓦斯解吸量，cm3/g；A、B解吸常数。其余符号意义同前。⑻孙重旭式通过对煤屑瓦斯解吸规律的研究，认为煤样粒度较小时，煤中瓦斯解吸主要为扩散过程，其解吸瓦斯量随时间的变化可用幕函数表示：Q=ati(1-19)式中Qt――试样压力解除后时间t内的累计瓦斯解吸量，cm3/g；a、i----与煤的瓦斯含量及结构有关的常数。

2010我国许多学者"[32]认为煤屑的瓦斯解吸随时间的衰变过程与煤层钻孔中的瓦斯涌出衰减过程类似，均可以用下式来描述：2010123456(1-20)式中V0-时间t=0时的瓦斯解吸速度，cm3/g•min；b----瓦斯解吸速度随时间衰变系数；其余符号意义同前。(1-20)上述几类描述空气介质中煤的瓦斯解吸规律的公式基本上涵盖了到目前为止的国内外典型研究成果。由于它们是在不同条件、从不同角度研究得到的经验或半经验公式，因而在揭示煤中瓦斯解吸规律