CN106680451B - 一种煤与瓦斯突出参数井下快速测定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤与瓦斯突出参数井下钻屑快速测定方法及装置。该方法根据采煤工作现场实测直接获得煤样瓦斯解吸速度和解吸量为先验信息，建立基于先验信息为约束条件解算较为准确瓦斯衰减系数的数学模型，从而计算钻屑取样阶段的损失瓦斯解吸速度和解吸量、以及煤样中残存瓦斯解吸速度和解吸量，并利用本地区勘查阶段获得的煤层结构特征参数计算煤样的不可解吸瓦斯量，综合上述计算结果，进一步计算煤层瓦斯压力、钻屑解吸指标等煤与瓦斯突出参数等。该方法可井下现场1~2小时快速测定采煤工作面煤与瓦斯突出参数，节省煤样运送至实验室过程的时间，以及运输过程而导致瓦斯含量测定误差过大等问题。
Description
技术领域
本发明提出一种基于煤层瓦斯含量和解吸速度规律确定煤与瓦斯突出参数的井下测定方法及测量装置，涉及矿山（煤矿）安全技术。
背景技术
煤与瓦斯突出灾害为矿山（煤矿）灾害事故之一，煤与瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，它能在极短的时间内，由煤体向巷道或采场空间抛出大量的煤炭，并喷出大量的瓦斯的安全事故，不仅会造成重大人员伤亡，还会造成国家财产损失。
煤与瓦斯突出突出是在多种因素作用下发生的，这些因素包括煤岩的地应力状态、瓦斯在煤岩中的赋存状态、煤岩的物理力学性质及采煤情况等。煤层瓦斯含量是突出必不可少的因素，并且只有瓦斯含量达到临界值，突出才有可能发生。因此，煤层瓦斯含量作为预测煤与瓦斯突出的指标，如美国和澳大利亚目前采用瓦斯含量作为预测煤与瓦斯突出的指标。中华人民共和国2009 年新颁布实施的《防治煤与瓦斯突出规定》里面，也将瓦斯含量作为区域措施消突效果检验指标之一。煤层瓦斯含量是计算矿井瓦斯储量和预测瓦斯涌出量的基础，也是预测煤与瓦斯突出的重要参数之一。
瓦斯含量测定有直接测定法和间接测定法。间接法比较复杂，它是利用煤的某些特性（如吸附性能、瓦斯解吸特性等），在煤矿现场测定各有关参数（如瓦斯压力、煤层温度、煤质等），然后将样本送至实验室测定煤的孔隙率、吸附常数值等参数，一般利用朗缪尔方程计算出煤层瓦斯含量，这种方法需要测定的参数较多，最终算出的瓦斯含量误差较大。直接法是在新暴露的煤壁，石门或岩石巷道打钻采集煤样，现场测定自然解吸瓦斯量，将样本带回实验室测定残存瓦斯含量，计算取样时的瓦斯损失量。该方法的关键是确定采样过程中煤样的瓦斯损失量，其实质问题是对煤样解吸初始阶段解吸规律的确定，其流程：现场钻孔、取样、装罐、密闭、上井、送至实验室、采用复杂笨重装备测定、抽真空、加温等措施测定煤层的瓦斯含量，根据其解吸规律和煤样暴露时间推算损失瓦斯量，然后将得到瓦斯解吸量、瓦斯损失量和残存瓦斯解吸量之和即煤层瓦斯含量。这种方法测定煤层瓦斯含量需要耗费大量时间。此外，需要多个煤样进行统计计算获得较准确值。
20世纪80年代末期，煤炭科学研究总院抚顺分院在德国埃申研究院研究基础上研制成功了GWRVK-1型电容栅式瓦斯解吸仪。该解吸仪是根据瓦斯含量与解吸速度之间存在着线性关系，瓦斯解吸速度随时间的变化符合幂指数关系，预先贮存的各种煤样在实验室所测的解吸特性指标和经验公式，使用时只需现场测定煤样瓦斯解吸速度，利用瓦斯解吸特性指标便可计算出煤层瓦斯含量。使用这种方法需要提前在实验室测定待测点煤样的解吸指标，不是快捷方便的测定方法。“十五”期间，煤炭科学研究总院重庆研究院通过技术攻关，建立了损失瓦斯量推算模型，确定了新的煤层瓦斯含量直接测定的工艺流程和计算模型，并公开发明专利煤层瓦斯含量快速测定方法（专利CN101551377A） 和煤层可解吸瓦斯含量的直接快速测定方法（专利号：CN101135621A），这种方法测定时间一般小于8个小时，与间接解吸测定煤层瓦斯含量法相比，缩短了测定时间、简化了工艺流程，但是仍然存在损失量推算模型误差大以及无法避免实验室测定残存瓦斯量步骤的问题，不能实现真正的井下快速测定瓦斯含量。为了实现井下煤层瓦斯含量快速测定，抚顺分院在1993~1995年期间提出了一种新的钻屑解吸法，并以此为基础研制了WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。WP-1 型瓦斯含量快速测定仪利用井下煤层钻孔采集煤屑，自动测定煤样的瓦斯解吸速度，然后利用预先设计的瓦斯解吸速度与煤层瓦斯含量的线性关系，推算煤层瓦斯含量。由于不需要测定取样损失瓦斯量和试样的残存瓦斯量，测定周期大大缩短，整个测定周期仅需15～30min，实现了井下煤层瓦斯含量快速测定；然而，不同破坏程度的煤，其瓦斯解吸速度和瓦斯含量的线性系数存在较大差异，用一组固定的系数值来测定井田内不同破坏程度的煤层瓦斯含量时，测定的结果误差较大，仍然无法满足安全生产的实际需求。
因此，需要一种适合煤矿开采现场条件下快速、准确的方法和设备解决煤与瓦斯突出参数井下快速测定的问题。
发明内容
为了解决现有技术手段的不足之处，本发明提供一种基于煤层钻屑自然解吸规律，设计一种基于贝叶斯概率理论为基础，井下现场实测数据为先验信息的快速准确测定煤与瓦斯突出的新技术，形成一种高效、准确的瓦斯含量测定方法，为煤矿安全作业提供依据。
为了实现上述目的，将煤层瓦斯含量分为瓦斯损失解吸速度V1和损失量Q1、井下自然可解吸瓦斯解吸速度V2解吸量Q2、未能直接测量的残余可解吸速度V3瓦斯量Q3、常压吸附平衡状态下的不可解吸瓦斯量Q4等4部分。为了获得上述的4部分的瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量，如下所述。
（1）现场煤屑取样阶段。
根据煤层构造设计钻孔位置、倾角、方位、深度等；用钻机实施钻孔，至预先设计的深度处记录起钻时间，为煤样暴露时间t0；继续钻进至设计深度处，利用风力或水力排出煤屑；用双层筛网（孔径为1.0mm和3.0mm）分选煤屑，装入煤样罐，要求煤样暴露时间至装罐时间小于2分钟，该段时间为损失瓦斯解吸速度V1和损失量Q1。
（2）井下自然条件下瓦斯解吸速度和解吸量实测阶段。
迅速测定将（1）所述的煤样罐接入仪器，测量煤样罐中瓦斯解吸速度和瓦斯含量，开始测量时间记为t1，并测量大气压力、温度等参数。连续观测时间要求60～120分钟，测定频率为6Hz，共记录数据21600～43200组，每组数据含测定时间、瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、压力、温度等参数；并对煤样称重。该段时间为井下自然可解析速度井下自然可解吸瓦斯解吸速度V2解吸量Q2。
（3）残余可解吸速度V3瓦斯量Q3阶段。
煤样经过上述的（2）步骤60～120分钟的测量，煤样中仍还残余瓦斯解析速度和瓦斯含量井下现场条件下不必再进行测量。该部分称为残余可解吸速度V3瓦斯量Q3。
（4）常压吸附平衡状态下的不可解吸瓦斯量Q4。
在常温常压条件下， 煤样暴露一定时间（一般为 24小时～72小时）后不再解析瓦斯，但仍吸附少部分的瓦斯，只有在实验室条件下采用高温、真空等实验室条件下解析获得，该部分瓦斯称为常压吸附平衡状态下的不可解吸瓦斯量Q4。
（5）煤层瓦斯解吸规律模型及计算方法。
由上述（2）步骤获得的海量数据组基于贝叶斯概率统计学规律回归分析计算（1）步骤所述的损失瓦斯解吸速度V1和损失量Q1，以及（2）步骤所述残存可解吸V3和损失量Q3。具体测定方法如下。
a、观测量的修正
将观测结果换算为标准大气压力和温度状态下解吸速度和体积，如下式：
上式中，标准状态下时刻的瓦斯解吸速度或解吸量，
为时刻仪器实际测量的瓦斯解吸速度和解吸量，
为时刻井下大气压力，
为时刻井下大气温度。
a、损失瓦斯解吸速度和瓦斯量计算
煤样解吸速度与暴露时间符合乘幂指数衰减规律，即：
式中从开始的瓦斯解吸时间；
时间时刻对应的瓦斯解吸速度；
为时对应的瓦斯解吸速度；
瓦斯解吸速度衰减系数。
利用前9分钟测量数据，采用贝叶斯概率方法回归分析获得煤样的初始解吸速度和衰减系数，获得现场煤屑取样阶段损失的瓦斯解吸速度，然后利用积分算法，可获煤样损失瓦斯解吸量 。
贝叶斯理论框架建立在概率论的基础上，它将数据信息与模型先验信息联系起来，通过模型的先验信息来约束模型的后验参数，把反演问题与观测数据信息、模型信息以及先验信息推理联系起来。在此基础上得到数学解的条件期望、方差、置信区间等具有统计意义的结果，这使得贝叶斯方法能更好应用已知信息，从而得到更加可靠的输出结果。贝叶斯的数学模型如下：
式中， 是常量，表示在煤与瓦斯突出参条件下发生瓦斯突出灾害的概率， 是已知数据 条件下随模型 变化的函数，表达的是模型参数 与观测数据 之间的相对概率，在贝叶斯反演计算中，它的大小反映了模型响应与观测数据的适配程度，即已知数据约束下，煤层瓦斯解吸的统计概率模型。由此，可求得瓦斯的初始解吸速度及其置信区间。
b、残余可解吸速度 和瓦斯量 计算。
同样道理，利用30～120分钟的实测数据采用a所述方法可获得井下未能直接测量的残余可解吸速度 和瓦斯量 。
c、不可解吸瓦斯量计算
对于特定煤田或采掘工作面而言，煤结构成分相对固定，故煤层的常温常压瓦斯吸附和游离平衡状态下的不可解吸瓦斯量为固定值，井下快速测定可直接输入参数计算，公式如下：
上式中， 煤的瓦斯吸附量常数，煤的吸附压力常数，煤的灰分，煤的水分，煤的孔隙率，煤的容重，上述参数依据区域地勘实测值输入。
不可解吸瓦斯解吸速度为0。
d、煤层瓦斯压力和瓦斯含量计算
综合累加上述瓦斯含量得到工作面的煤层的瓦斯含量。并利用瓦斯解吸量根据a所述公式解算瓦斯压力。
d、钻屑解吸指标
由上述模型计算获得煤样瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量，并由此参数计算煤与瓦斯突出前1分钟参数，即 和 ，公式如下：
附图说明
图1本发明煤与瓦斯突出参数井下快速测定方法及流程图。
图2 本发明开发的仪器测量装置原理示意图。图中：1为瓦斯气体产生装置，即煤样罐装入200g粒度均匀煤样，自然解吸瓦斯；2、瓦斯单向流通管道，直径1.5~3mm软管；3、气体过滤器，过滤瓦斯可能携带的粉尘、露珠等；4、瓦斯单向流通管道，直径1.5~3mm软管；5、瓦斯解吸速度、解吸量、大气压力、温度综合数字传感器，采样频率6Hz；6、瓦斯单向流通管道，直径1.5~3mm软管；7、（可选项）玻璃转子气体计量，校准仪器读数；8、传感器传输的采集数据至微型计算机；9、微型计算机给传感器的控制信号；10、微型计算机，记录数据、图形显示、人机交互等；11、重量传感器。
图3 煤样罐结构示意图。图中：2-1为煤样罐盖；2-2煤样罐俯视图；2-3瓦斯气体导出接口；2-4为煤样罐体，内径60mm，容积200ml。
图4 双层筛网结构示意图。图中：3-1为筛网，上层网眼直径3.0mm，下层网眼直径1.0mm；3-2为筛网的俯视图；3-3为筛网平视图。
具体实施方式
结合图1所示的煤与瓦斯突出参数快速测定方法及流程图按如下过程操作：
步骤一，施工准备。
依据本发明开发的煤与瓦斯测定仪器，配套的秒表（仪器亦开发相应的秒表计时功能），钢筛（孔经1.0mm与3.0mm），风力或风水动力钻机装备等。
步骤二，钻孔布置。
在煤矿采掘工作面煤层实施钻孔，由于开采扰动，为了准确获得原煤结构煤与瓦斯突出参数，设计采样深度不少于12m，石门或岩石巷道采样时，距煤层的垂直距离不得小于5m；此外，同一地点应钻取两个煤样，间距不小于5m。
步骤三，井下钻屑取样。
距离设计深度处，开始计时t0，利用带压风状态下将煤屑吹出，孔口直接筛取煤屑或定点取样筛取煤屑，粒经1~3mm，质量200g左右，迅速装入煤样罐。煤样从钻屑揭露到被装入煤样罐开始测定所用时间小于2分钟。保持煤样罐的气路接头与外界畅通，防止煤样解吸的瓦斯与外界产生过大的压力差，影响测量精度。
步骤四，瓦斯解吸速度和解吸量实测。
将煤样罐的排气接头接入仪器测量导气管路，启动仪器运行按钮，实测瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、大气压力、环境温度。采样率6Hz，测量时间60~120min（可预先设计测量时间）。
步骤五，煤与瓦斯突出参数计算。
步骤四测量的原始数据后，根据本发明所述的数学模型计算煤与瓦斯突出参数相关结果。包括：瓦斯含量，煤层瓦斯压力，钻屑解吸指标等。
步骤六，记录和输出测量结果。
将上述步骤测量的原始数据、计算结果记录存储介质，并输出。
最后应指出的是：上述步骤仅用以本发明的技术方案的标准实施步骤，而非对其限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以依据工作现场条件对前述的技术方案进行调整，或者对其部分或全部技术特征等同变型；而这些修改或变型，并不使得相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。
Claims (2)
1.一种煤与瓦斯突出参数快速测定方法，其特征在于：将煤层瓦斯解吸分为瓦斯损失解吸速度和损失量、井下自然可解吸瓦斯解吸速度和解吸量、未能直接测量的残余可解吸速度和瓦斯量、常压吸附平衡状态下的不可解吸瓦斯量共4部分，实施步骤如下：
（1）现场煤屑取样
根据煤层构造设计钻孔位置、倾角、方位、深度；用钻机实施钻孔，至预先设计的深度处记录起钻时间，为煤样暴露时间；继续钻进至设计深度处，利用风力排出煤屑；用双层筛网分选煤屑，孔径分别为1.0mm和3.0mm，装入煤样罐，要求煤样暴露时间至装罐时间小于2分钟；
（2）井下自然条件下瓦斯解吸速度和解吸量实测
迅速将步骤（1）所述的煤样罐接入仪器，测量煤样罐中瓦斯解吸速度和瓦斯含量，并测量大气压力、温度参数；连续观测时间要求60～120分钟，测定频率为6Hz，共记录数据21600～43200组，每组数据含测定时间、瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、压力、温度参数；并对煤样称重；
（3）煤层瓦斯解吸规律模型及计算
由上述步骤（2）获得的海量数据组基于贝叶斯概率统计学规律回归分析计算所述的损失瓦斯解吸速度和损失量,以及残存可解吸速度和损失量；具体测定方法如下:
a、观测量的修正；将观测结果换算为标准大气压力和温度状态下解吸速度和体积；
b、损失瓦斯解吸速度和瓦斯量计算
煤样解吸速度 与暴露时间符合乘幂指数衰减规律，即：
式中为从开始的瓦斯解吸时间，为时间时刻对应的瓦斯解吸速度，为时对应的瓦斯解吸速度，为瓦斯解吸速度衰减系数；利用前9分钟测量数据，采用贝叶斯概率方法回归分析获得煤样的初始解吸速度和衰减系数，获得现场煤屑取样阶段损失的瓦斯解吸速度，然后利用积分算法，可获煤样损失瓦斯解吸量；
利用已知信息建立贝叶斯的统计概率模型如下：
式中，是常量，表示在煤与瓦斯突出参条件下发生灾害的概率，是已知数据条件下随模型变化的函数，表达的是模型参数与观测数据之间的相对概率，在已知数据约束下，可求得瓦斯的初始解吸速度及其置信区间；c、残余可解吸速度和瓦斯量计算
同样道理，利用30～120分钟的实测数据采用b所述方法获得井下未能直接测量的残余可解吸速度和瓦斯量；
d、不可解吸瓦斯量计算
对于特定煤田或采掘工作面而言，煤结构成分相对固定，故煤层的常温常压瓦斯吸附和游离平衡状态下的不可解吸瓦斯量为固定值，井下快速测定可直接输入参数计算，公式如下：
式中，煤的瓦斯吸附量常数，煤的吸附压力常数，煤的灰分，煤的水分，煤的孔隙率，煤的容重，上述参数依据区域地勘实测值输入；
不可解吸瓦斯解吸速度为0；
e、煤层瓦斯压力和瓦斯含量计算
综合累加瓦斯损失量、井下自然可解吸瓦斯、未能直接测量的残余可解吸和不可解吸斯量煤层的瓦斯含量得到工作面的煤层的瓦斯含量，并利用瓦斯解吸量根据d所述公式解算瓦斯压力；
f、钻屑解吸指标
由上述模型计算获得煤样瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量，并由此参数计算煤与瓦斯前1分钟参数，即和，公式如下：
2.根据权利要求1所述一种煤与瓦斯突出参数快速测定方法，其特征在于：步骤a中观测量的修正如下式：
上式中，为换算标准状态下时刻的瓦斯解吸速度或解吸量，为时刻仪器实际测量的瓦斯解吸速度和解吸量，为时刻井下大气压力，为时刻井下大气温度。
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