CN104964894A - 一种煤层硫化氢含量的测定方法 - Google Patents
一种煤层硫化氢含量的测定方法 Download PDFInfo
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Abstract
针对煤层硫化氢含量及相关测定技术的研究在国内尚未有相关报道,本发明提供了一种煤层硫化氢含量的测定方法,属于采矿工程技术领域。该方法为:先在新暴露的掘进工作面钻屑取样;然后现场对所取煤样解吸,由水中氢离子的浓度来确定硫化氢解吸量;根据硫化氢气体解吸规律推算煤样采集过程的硫化氢损失量;然后用色谱分析法测定解吸后煤样中硫化氢残存量。根据所取煤样质量,硫化氢现场解吸量、损失量、残存量计算煤层硫化氢含量。该方法操作简单、实用性强,成本较低,能够直接测量煤层中硫化氢含量。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程技术领域,特别涉及一种煤层硫化氢含量的测定方法。
背景技术
硫化氢是一种无色、酸性、剧毒气体,对人的生命安全危害很大。煤层硫化氢含量是指单位质量煤体所含有硫化氢的体积。矿井硫化氢危害多发生于非金属矿如石膏矿,发生硫化氢危害的煤矿并不多见,国内西曲矿、乌达矿、西山矿、亭南矿、铁新矿等矿井有过相关报道。在矿井生产过程中,硫化氢随着煤层开采大量涌向工作面,工作面风流中硫化氢浓度可以达到几十到一百多ppm(×10-4%),远远高于国家《煤矿安全规程》规定的6.6ppm(0.00066%)标准,高浓度硫化氢严重影响作业工人的健康并腐蚀井下机械设备,影响矿井安全高效生产。在矿井硫化氢防治方面研究尚处于探索阶段,防治煤层硫化氢其中首要问题是确定煤层硫化氢的含量,而针对煤层硫化氢含量及相关测定技术的研究在国内尚未有相关报道。
发明内容
为了解决这个问题,本发明提供了一种煤层硫化氢含量的测定方法。该方法操作简单、成本低廉、实用性强,解决了煤层中硫化氢含量无法测定的难题。
一种煤层硫化氢含量的测定方法,包括如下步骤:
(1)钻孔取样
在新暴露的工作面煤壁上,钻孔取样,收集煤屑,并记录采集煤样开始时间t1;
较好的钻孔方法为:钻至深度为15m或以上的原始煤体;
(2)测定解吸量
将采集的煤样迅速装入煤样罐密封并记录时间t2,然后现场用吸附气体解吸速度测定仪(解吸仪)分别测定煤样罐中煤样在不同时间ti时的煤样累计解吸气体量,解吸前解吸仪中水的pH值,解吸结束后解吸仪中水的pH值和排出水的pH值、解吸仪中水的体积和排出水的体积,以及解吸时的大气压和水温;
由于解吸开始后的前50-60分钟煤样就能够解吸出90%左右的吸附气体,因此,较好的,解吸仪分别测定煤样罐中煤样在不同时间ti时的煤样累计解吸气体量方法为:解吸时间为60-120min,解吸开始后的前10min,每1min记录一次解吸仪量管的读数,之后每2min记录一次读数,60min后每5-10min记录一次读数;
解吸结束后,根据解吸前解吸仪中水的pH值以及解吸后解吸仪中水的体积和pH值、解吸仪中排出水的体积和pH值,可确定电离的H+的摩尔浓度和H+的物质的量,由于1mol的H2S可电离1mol的H+,因此,解吸过程中水中增加的H+与水稀释的硫化氢气体物质的量相同,所以,解吸结束时解吸仪吸附的硫化氢物质的量n为解吸仪量管中与解吸仪中排出水中H+的物质的量之和;
转换为标准状态下煤样硫化氢气体解吸量V0的计算公式如下:
pH=-lg[C(H+)] (1)
n=(Ci-C0)×Vi+(Ci'-C0)×Vi' (2)
V0=22.4×n (3)
其中:C0—解吸前解吸仪量管中水的H+离子浓度,mol/L;
Ci—解吸结束时解吸仪量管中水的H+离子浓度,mol/L;
Ci’—解吸结束时解吸仪量管排出水的H+离子浓度,mol/L;
Vi—解吸结束时解吸仪量管中水的体积,L;
Vi’—解吸结束时解吸仪量管排出水的体积,L;
n—解吸结束时解吸仪吸附的硫化氢物质的量,mol;
V0—标况下煤样硫化氢气体解吸量,L;
并且,解吸结束时解吸仪测定的煤样累计解吸气体量V总,即为煤样解吸的除硫化氢以外的其它气体总量;则V0/(V总+V0)为硫化氢在解吸气体中的体积分数N;
解吸测定结束后将煤样罐再次密封,送实验室测定煤样硫化氢残存量;
(3)损失量计算
将步骤(2)中测定解吸量实验时测得的不同解吸时间ti所对应的累计气体解吸总量(即解吸仪测得的解吸气体测定值)Vgi按常温常压下的气体换算成标况下的气体的通用公式换算成标准状态下的体积V1i:
式中:V1i—不同时间下标准状态下的累计气体解吸总量,mL;
Vgi—不同时间下累计气体解吸总量,mL;
P0—测定解吸量过程中的大气压力,Pa;
hw—不同时间下解吸仪量管内水柱高度,mm;
Ps—hw下饱和水蒸汽压力,Pa;
tw—解吸仪量管内水温,℃;
煤样测定解吸量前在空气中的暴露时间为t0,t0=t2-t1;不同解吸时间ti所对应的煤样实际解吸时间为t0+ti;画图绘制全部测点[(t0+ti)0.5,V1i],绘制得到的解吸规律曲线的延长线在纵坐标轴上的截距即为解吸气体损失量V损;
则标准状态下煤样损失硫化氢气体量V1=V损×N;
(4)残存量测定
标准状态下煤样残存硫化氢气体量V2可通过煤样罐中硫化氢气体浓度与煤样罐中气体体积的乘积确定,硫化氢气体浓度采用气相色谱仪测定;
标准状态下煤样残存硫化氢气体量V2计算公式如下:
V2=Cc×Vg (5)
Vg=V-Vm (6)
式中:V2—标准状态下煤样残存硫化氢气体量,mL;
Cc—色谱分析仪测定的硫化氢浓度,ppm;
Vg—煤样罐中气体体积,mL;
V—煤样罐容积,mL;
Vm—煤样体积,mL;
m—煤样质量,g;
ρd—煤样真密度,g/cm3;
(5)煤样硫化氢含量
煤样可燃基中硫化氢含量X为标准状态下煤样硫化氢气体解吸量V0、标准状态下煤样损失硫化氢气体量V1和标准状态下煤样残存硫化氢气体量V2三者之和与煤样可燃质质量之比,计算公式为:
X=(V0+V1+V2)/G0 (8)
式中:V0—标准状态下煤样硫化氢解吸量,mL;
V1—标准状态下煤样损失硫化氢量,mL;
V2—标准状态下煤样残存硫化氢量,mL;
G0—煤样可燃质质量,g;
X—煤样可燃基硫化氢含量,mL/g。
本发明的有益效果:
1、本发明所述的煤层硫化氢含量的测定方法,能够直接测定煤层硫化氢含量,为后续煤层硫化氢治理提供依据。
2、本发明利用了硫化氢气体溶于水呈酸性的性质,测定出了硫化氢现场解吸量。该方法操作简单、成本低廉、实用性强,解决了煤层中硫化氢含量难以确定的难题。
附图说明
图1、实施例1中煤样A吸附气体解吸规律曲线;
图2、实施例2中煤样B吸附气体解吸规律曲线。
具体实施方式
下面结合煤层中硫化氢含量测定方法的具体步骤对本发明做进一步详细说明:
吸附气体解吸速度测定仪为FHJ-2型,
pH测定笔型号为KL-009A酸度计,
气相色谱仪型号为BF-2002型。
实施例1
一种煤层硫化氢含量的测定方法,包括如下步骤:
1、钻孔取样
在新暴露的工作面煤壁上,钻孔取样,钻孔直径为42±10mm,钻至深度为15m的原始煤体后,收集煤屑,并记录采集煤样开始时间t1;
2、测定解吸量
解吸量为,在测定时段内煤样罐中煤样解吸气体的体积;
将采集的煤样迅速装入煤样罐密封并记录时间t2,然后现场用解吸仪分别测定煤样罐中煤样在不同时间ti时的煤样累计解吸气体量;
硫化氢易溶于水,由于煤样解吸的硫化氢溶于水后会发生电离,1mol的H2S可电离1mol的H+,电离方程式若解吸硫化氢完全溶解,则一部分硫化氢溶解在解吸仪量管排出的水中,一部分溶解在解吸仪量管剩余的水中,若未完全溶解则剩余硫化氢气体存留于解吸仪收集的气体中,由于未溶解的这部硫化氢气体量极小,可忽略不计;
解吸时间共120min,解吸开始前首先测定解吸仪中水(蒸馏水)的pH值,解吸开始后,用量筒收集解吸仪量管排出的水量,解吸结束后,分别测定解吸仪量管中水的体积、pH值以及量筒中收集水的体积、pH值,同时记录解吸时的大气压和水温;解吸开始后的前10min,每1min记录一次解吸仪量管的读数,之后每2min记录一次读数,60min后每5~10min记录一次读数;
解吸结束后,根据解吸前解吸仪中水的pH值以及解吸后解吸仪中水的体积和pH值、解吸仪中排出水的体积和pH值,确定电离的H+的摩尔浓度和H+的物质的量,由物质守恒定理,进而确定溶解在水中的H2S的物质的量,该H2S即是煤样解吸的H2S气体;
所以,标准状态下煤样硫化氢气体解吸量V0的计算公式如下:
pH=-lg[C(H+)] (1)
n=(Ci-C0)×Vi+(Ci'-C0)×Vi' (2)
V0=22.4×n (3)
其中:C0—解吸前解吸仪量管中水的H+离子浓度,mol/L;
Ci—解吸结束时解吸仪量管中水的H+离子浓度,mol/L;
Ci’—解吸结束时解吸仪量管排出水的H+离子浓度,mol/L;
Vi—解吸结束时解吸仪量管中水的体积,L;
Vi’—解吸结束时解吸仪量管排出水的体积,L;
n—解吸结束时解吸仪吸附的硫化氢物质的量,mol;
V0—标准状态下煤样硫化氢气体解吸量,L;
并且,解吸结束时解吸仪测定的煤样累计解吸气体量为V总,即为测定解吸量实验这段时间内煤样解吸的除硫化氢以外的其它气体总量,即V0/(V总+V0)为硫化氢在解吸气体中的体积分数N;
解吸测定结束后将煤样罐再次密封,送实验室测定煤样硫化氢残存量;
3、损失量计算
损失量为由开始采集煤样至将煤样放入煤样罐这段时间内煤样解吸的硫化氢气体体积;由于硫化氢气体在煤样解吸气体中的含量很少,因此,将煤样解吸的其它气体损失总量认为是解吸气体损失量V损;
根据煤样吸附气体解吸规律,通过拟合测定解吸量实验时记录的累计解吸气体体积与解吸时间的开方,可推算煤样从采集开始至装入煤样罐密封前解吸气体损失量V损;解吸气体为混合气体,包括甲烷、氮气和硫化氢等气体,假定损失气体中硫化氢所占比例与测定解吸量实验时的解吸气体中硫化氢所占比例相同,则采煤样时损失的硫化氢气体体积V1由V损与测定解吸量实验时测得的硫化氢的体积分数N的乘积确定;
将测定解吸量实验时测得的不同解吸时间ti所对应的累计气体解吸总量(即解吸仪测得的解吸气体测定值)Vgi按常温常压下的气体换算成标况下的气体的通用公式换算成标准状态下的体积V1i:
式中:V1i—不同时间下标准状态下的累计气体解吸总量,mL;
Vgi—不同时间下累计气体解吸总量,mL;
P0—测定解吸量过程中的大气压力,Pa;
hw—不同时间下解吸仪量管内水柱高度,mm;
Ps—hw下饱和水蒸汽压力,Pa;
tw—解吸仪量管内水温,℃;
煤样测定解吸量前在空气中的暴露时间为t0,t0=t2-t1;不同解吸时间ti时测定的Vgi值所对应的煤样实际解吸时间为t0+ti;用绘图软件绘制全部测点[(t0+ti)0.5,V1i],绘制得到的解吸规律曲线的延长线在纵坐标轴上的截距即为解吸气体损失量V损;
则标准状态下煤样损失硫化氢气体量V1=V损×N;
4、残存量测定
标准状态下煤样残存硫化氢气体量V2可通过煤样罐中硫化氢气体浓度与煤样罐中气体体积的乘积确定;
硫化氢气体浓度采用气相色谱仪测定,以浓度为50ppm硫化氢为对照,以氮气为载气;
气体体积由煤样罐体积与煤样体积的差值确定,为确定煤样体积需确定煤样的真密度,标准状态下煤样残存硫化氢量公式如下:
V2=Cc×Vg (5)
Vg=V-Vm (6)
式中:V2—标准状态下煤样残存硫化氢量,mL;
Cc—色谱分析仪测定的硫化氢浓度,ppm;
Vg—煤样罐中气体体积,mL;
V—煤样罐容积,mL;
Vm—煤样体积,mL;
m—煤样质量,g;
ρd—煤样真密度,g/cm3;
5、煤样硫化氢含量
根据煤样硫化氢解吸量、损失量及残存量和煤中可燃质质量,计算煤样可燃基中硫化氢含量X,由于煤的吸附主要是在固体骨架表面,因此,下述公式为煤样可燃基硫化氢含量:
X=(V0+V1+V2)/G0 (8)
式中:V0—标准状态下煤样硫化氢解吸量,mL;
V1—标准状态下煤样损失硫化氢量,mL;
V2—标准状态下煤样残存硫化氢量,mL;
G0—煤样可燃质质量,g;
X—煤样可燃基硫化氢含量,mL/g。
根据上述方法在铁新矿E902材料巷取煤样A,并对煤样进行现场解吸实验,煤样现场解吸之后,密闭封存送至实验室化验残存量:
(1)现场煤样硫化氢解吸量:通过测定解吸前和2小时后解吸仪量管和量筒中水溶液的体积和pH值,可以确定解吸的硫化氢的物质的量,按标准气体状态,继而求得解吸硫化氢的气体体积;
井下在E902材料巷取煤样A后进行现场解吸试验,经测定,解吸仪量管中煤样A解吸312mL气体,解吸仪中剩余水和排出水pH分别为3.9、3.8由公式(1)~(3)计算可知煤样A解吸的硫化氢气体体积为2.483mL,解吸气体中硫化氢所占体积分数为0.790%;
具体计算过程:
解吸前解吸仪量管中水pHa0=7.4;解吸仪排出水Va1=312mL,排出水pHa1=3.8;量管剩余水Va2=488mL,剩余水pHa2=3.9;
排出水中的硫化氢体积:
剩余水中的硫化氢体积:
煤样A解吸的硫化氢气体体积
V0a=Vdes.a1+Vdes.a2
=1.107+1.376=2.483(mL)
煤样A解吸气体中硫化氢所占体积分数
(2)煤样硫化氢损失量:
煤样解吸测定前的暴露时间为t0,t0=煤样装罐时间点-煤样取样时间点;不同时间t下测定的V0i值所对应的煤样实际解吸时间为t0+t;用绘图软件绘制全部测点[(t0+t)0.5,V1i],并绘制计算解吸规律相关曲线;
图1为井下试验测得的煤样A的吸附气体解吸规律,由图可知,A煤样的解吸规律相关曲线的方程式为y=109.46x-186.29,因此,从收集煤样到煤样完全密封这段时间,煤样A解吸损失到周围环境中的气体体积为186.29ml;
由于煤样A解吸的气体中硫化氢所占体积分数为0.790%,计算可知硫化氢损失量为1.471mL;
(3)煤样硫化氢残存量:煤样现场解吸后送至实验室进行残存量测定,煤样硫化氢残存含量的计算结果如表1所示:
表1、煤样硫化氢残存量检测数据
(4)煤层硫化氢含量:从上述分析可知,硫化氢含量由现场解吸量、损失量和残存量三部分组成,煤样A的硫化氢含量如表2所示;
表2、铁新煤矿煤层硫化氢含量检测结果
实施例2
根据实施例1的方法在铁新矿E902材料巷取煤样B,并对煤样进行了现场解吸实验,煤样现场解吸之后,密闭封存送至实验室化验残存量:
(1)现场煤样硫化氢解吸量:通过测定解吸前和解吸2小时后解吸仪量管和量筒中水溶液的体积和pH值,可以确定解吸的硫化氢的物质的量,按标准气体状态,继而求得解吸硫化氢的气体体积;
井下在E902材料巷取煤样后进行现场解吸试验,经测定,解吸仪量管中煤样B解吸368mL气体,解吸仪中剩余水和排出水pH分别为4、3.7,由公式(1)~(3)计算可知煤样B解吸的硫化氢气体体积为2.612mL,解吸气体中硫化氢所占体积分数为0.705%;
具体计算过程:
解吸前解吸仪量管中水pHb0=7.4;解吸排出水Vb1=368mL,排出水pHb1=3.7;量管剩余水Vb2=432mL,剩余水pHb2=4;
排出水中的硫化氢体积:
剩余水中的硫化氢体积:
煤样B解吸的硫化氢气体体积:
V0b=Vdes.b1+Vdes.b2
=1.644+0.967=2.612(mL)
煤样B解吸气体中硫化氢所占体积分数:
(2)煤样硫化氢损失量:
图2为井下试验测得的煤样B的吸附气体解吸规律,由图可知,B煤样的解吸规律相关曲线的方程式为y=140.18x-235.51,因此,从收集煤样到煤样完全密封这段时间,煤样B解吸损失到周围环境中的气体体积为235.51ml;
由于煤样B解吸的气体中硫化氢所占体积分数为0.705%,计算可知硫化氢损失量为1.660mL;
(3)煤样硫化氢残存量:煤样现场解吸后送至实验室进行残存量测定,煤样硫化氢残存含量的计算结果如表3所示:
表3、煤样硫化氢残存量检测数据
(4)煤层硫化氢含量:从上述分析可知,硫化氢含量由现场解吸量、损失量和残存量三部分组成,煤样B的硫化氢含量如表4所示;
表4、铁新煤矿煤层硫化氢含量检测结果
通过在铁新矿E902材料巷井下取样,解吸试验及实验室试验分析可知,该煤层的硫化氢实际含量为0.0106m3/t到0.0117m3/t。
实施例3
根据实施例1的方法在铁新矿E904材料巷取煤样C,并对煤样进行了现场解吸实验,煤样现场解吸之后,密闭封存送至实验室化验残存量:
(1)现场煤样硫化氢解吸量:
解吸时间共60min,解吸开始后的前10min,每1min记录一次解吸仪量管的读数,之后每2min记录一次读数;
通过测定解吸前和解吸1小时后解吸仪量管和量筒中水溶液的体积和pH值,可以确定解吸的硫化氢的物质的量,按标准气体状态,继而求得解吸硫化氢的气体体积;
井下在E904材料巷取煤样后进行现场解吸试验,经测定,解吸仪量管中煤样C解吸206mL气体,经计算煤样C解吸的硫化氢气体体积为1.686mL,解吸气体中硫化氢所占体积分数为0.812%;
(2)煤样硫化氢损失量:
C煤样的解吸规律相关曲线的方程式为y=98.54x-161.72,因此,从收集煤样到煤样完全密封这段时间,煤样B解吸损失到周围环境中的气体体积为161.72ml;
由于煤样B解吸的气体中硫化氢所占体积分数为0.812%,计算可知硫化氢损失量为1.313mL;
(3)煤样硫化氢残存量:煤样现场解吸后送至实验室进行残存量测定,煤样硫化氢残存含量为0.0472mL;
(4)煤层硫化氢含量:从上述分析可知,硫化氢含量由现场解吸量、损失量和残存量三部分组成,煤样C的硫化氢含量如表5所示;
表5、铁新煤矿煤层硫化氢含量检测结果
Claims (4)
1.一种煤层硫化氢含量的测定方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)钻孔取样
在新暴露的工作面煤壁上,钻孔取样,收集煤屑,并记录采集煤样开始时间t1;
(2)测定解吸量
将采集的煤样迅速装入煤样罐密封并记录时间t2,然后现场用解吸仪分别测定煤样罐中煤样在不同时间ti时的煤样累计解吸气体量,解吸前解吸仪中水的pH值,解吸结束后解吸仪中水的pH值和由解吸仪中排出水的pH值、解吸仪中水的体积和由解吸仪中排出水的体积,以及解吸时的大气压和水温;
解吸结束后,根据解吸前解吸仪中水的pH值以及解吸后解吸仪中水的体积和pH值、解吸仪中排出水的体积和pH值,可确定电离的H+的摩尔浓度和H+的物质的量,由于解吸过程中水中增加的H+与水稀释的硫化氢气体物质的量相同,因此,解吸结束时解吸仪吸附的硫化氢物质的量n为解吸仪量管中水与解吸仪中排出水的H+的物质的量之和;
转换为标准状态下煤样硫化氢气体解吸量V0=22.4×n;
并且,解吸结束时解吸仪测定的煤样累计解吸气体量为V总,则V0/(V总+V0)为硫化氢在解吸气体中的体积分数N;
解吸测定结束后将煤样罐再次密封,送实验室测定煤样硫化氢残存量;
(3)损失量计算
将步骤(2)中测得的不同解吸时间的累计气体解吸总量Vgi按常温常压下的气体换算成标况下的气体的通用公式换算成标准状态下的体积V1i;
煤样测定解吸量前在空气中的暴露时间为t0,t0=t2-t1;ti所对应的煤样实际解吸时间为t0+ti;画图绘制全部测点[(t0+ti)0.5,V1i],绘制得到的解吸规律曲线的延长线在纵坐标轴上的截距即为解吸气体损失量V损;
则标准状态下煤样损失硫化氢气体量V1=V损×N;
(4)残存量测定
标准状态下煤样残存硫化氢气体量V2可通过煤样罐中硫化氢气体浓度与煤样罐中气体体积的乘积确定;
(5)煤样硫化氢含量
煤样可燃基中硫化氢含量X为标准状态下煤样硫化氢气体解吸量V0、标准状态下煤样损失硫化氢气体量V1和标准状态下煤样残存硫化氢气体量V2三者之和与煤样可燃质质量之比。
2.根据权利要求1所述的一种煤层硫化氢含量的测定方法,其特征在于,步骤(1)所述的钻孔方法为:钻孔直径为42±10mm或根据实际情况选取钻孔直径,钻至深度为15m或以上的原始煤体。
3.根据权利要求1所述的一种煤层硫化氢含量的测定方法,其特征在于,所述解吸仪分别测定煤样罐中煤样在不同时间ti时的煤样累计解吸气体量方法为:解吸时间为60-120min,解吸开始后的前10min,每1min记录一次解吸仪量管的读数,之后每2min记录一次读数,60min后每5-10min记录一次读数。
4.根据权利要求1所述的一种煤层硫化氢含量的测定方法,其特征在于,步骤(4)所述的硫化氢气体浓度采用气相色谱仪测定。
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