CN106885755A - 一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法与装置，属于测定煤层瓦斯参数的方法与装置。该方法利用实验室测定的煤层瓦斯参数与解吸曲线一一对应关系，建立瓦斯参数与解吸曲线的数据库，通过井下现场解吸数据与数据库中的解吸曲线进行匹配，获取其煤层瓦斯参数；测定装置的煤层瓦斯参数快速测定仪设有流量计、单片机、显示器、数据存储装置、锂电池电源、本安控制电路并通过导气管与煤样罐相连，测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标(K₁和Δh₂)的值。优点：该方法可同时测定多种煤层瓦斯参数且所需的时间短、工作量小、制作成本低、操作简单、测定结果可靠性高，为评价煤层突出危险性提供判定指标，对工作面防突技术发展意义重大。

Description

一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种测定煤层瓦斯参数的方法与装置，特别是一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法与装置。

背景技术

随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量和地应力加大，突出危险程度更为严重，越来越成为影响煤矿安全生产的一个制约因素。煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标，并在煤层突出危险性指标、重要性排序中位居前列。同时，煤层瓦斯压力还是决定瓦斯流动动力以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数，在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽采与瓦斯突出问题中具有指导意义。煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性的重要指标，也是计算瓦斯储量与瓦斯涌出量的基础。钻屑瓦斯解吸指标反映了煤的吸附解吸特性和物理结构特征的突出预测指标，其与煤层瓦斯压力、瓦斯含量和煤的力学特性有着密切关系，能够可靠的反应煤与瓦斯突出危险的大小。因此，能否快速准确测定出煤层瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标意义重大。

目前，煤层瓦斯压力的测定方法主要是井下的注浆封孔法；煤层瓦斯含量的测定方法主要有直接法和间接法两类。直接法测定首先在井下进行煤样的自然解吸，测其2h的瓦斯解吸量；根据煤样瓦斯解吸规律选取合理的经验公式推算煤样装入煤样罐之前的瓦斯损失量；然后把煤样罐带回实验室测残存瓦斯量，三者之和即为煤层瓦斯含量。间接法测定需要在井下实测出煤层瓦斯压力，并要求在实验室进行吸附常数(a、b值)、孔隙率及工业性分析参数的测定。上述两种方法测定工作量大，需要时间长，无法准确测定出煤层瓦斯压力和含量

发明内容

本发明的目的是要提供一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法与装置，解决现有的测定方法无法准确的测定出煤层瓦斯参数的问题。

本发明的目的是这样实现的：本发明的煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数包括测定方法测定装置。

所述的测定装置有一个煤样罐和瓦斯参数快速测定仪，煤样罐通过导气管与瓦斯参数快速测定仪的进气口接通，进气口与流量计的一端相接，流量计的另一端通过软管与出气口相接，同时通过导线与单片机相连；单片机设有数据存储装置，用于数据库以及解吸数据的存储；显示器安装在单片机上侧，单片机另连接有本安控制电路，本安控制电路另与锂电池电源相连，由锂电池进行供电；瓦斯参数快速测定仪外壳另设有USB接口，充电接口和按键。

所述的测定方法是：实验室进行解吸曲线与瓦斯参数对应关系的测定，并进行整理汇总成数据库；然后利用瓦斯快速测定仪进行现场采集钻屑解吸数据，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，获得该曲线所对应的瓦斯含量参数。

具体步骤如下：

(1)实验室数据库的制备与建立

取新鲜煤样密封保存后送至实验室，进行煤的视密度和孔隙率的测定，同时按照规定粉碎煤样并筛取粒径为1-3mm的煤样装至煤样罐，然后进行20℃下的等温吸附实验，然后分别在15℃、20℃和25℃环境温度下进行等温解吸实验，将多组煤样的解吸数据进行汇总，分别获取三种温度的解吸规律，并进行温度校正，求解出解吸曲线和瓦斯参数对应的关系，最终建立以20℃、1～3mm粒径的新鲜煤样为条件的数据库，数据库设置15条解吸曲线及其对应的瓦斯含量参数，满足现场测定瓦斯参数的范围；

(2)煤层瓦斯参数的现场测定

测定前，应确保瓦斯参数快速测定仪能够正常使用并检查导气管的密封性，钻取工作面测定地点的煤样，在见煤时，立刻按下瓦斯参数快速测定仪的按键进行暴露时间的测定，同时迅速筛取粒径1-3mm的煤样500g左右装入煤样罐；当煤样罐密封严实后，迅速按下装罐结束按键，并开始瓦斯解吸量的测定；

测定结束后，记录井下的环境温度并进行煤样的称重，在瓦斯参数快速测定仪上键入环境温度与煤样重量值，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，获得该曲线所对应的瓦斯含量参数；

针对解吸数据与数据库曲线的最佳曲线的选择，采用最小二乘法，即利用解吸数据的开始点、结束点以及时间的中间点，三个点对应的解吸量与数据库曲线对应时间点的解吸量逐一进行对比，选出误差的平方和最小的一个曲线，即为最佳曲线，其对应的瓦斯参数就是测定结果。

其中解吸量与数据库曲线进行比对的方法有直接匹配法和含损失量匹配法。

所述的直接匹配法是指：利用解吸数据，获得累计解吸曲线，然后解吸曲线放入数据库中与原有数据库曲线进行对比，即将数据库中所有曲线自动减去开始计算流量的时间点t0之前的解吸量，使用剩余的解吸量进行对比的方法。

所述的含损失量匹配法是指：加上损失量后的解吸数据与数据库进行对比，分为幂函数法和法；

a.法

法是根据煤样开始暴露一段时间内V_t0和呈直线关系来进行确定的，即：

式中：a、b为待定常数，当时，V_t0＝a，a值即为所求的损失瓦斯量；计算a值前首先以为横坐标，以V_t0为纵坐标作图，由图大致判定呈线性关系的各测点，然后根据这些点的坐标值，按最小二乘法求出a值，即为所求的损失瓦斯量；

b.幂函数法

将测得的(t，V_t)数据转化为解吸速度数据然后对按下式拟合求出q₀和n；

q_t＝q₀·(1+t)^-n

式中：q_t—时间t对应的瓦斯解吸速度，cm³/min；

q₀—t＝0时的对应的瓦斯解吸速度，cm³/min；

t—包括取样时间T0在内的瓦斯解吸时间，min；

n—瓦斯解吸速度衰减系数，0＜n＜1；

煤样的损失瓦斯量按下式计算：

式中：X_s—煤样损失瓦斯量，cm³；

T₀—煤样暴露时间，min；

即分别利用幂函数法和法计算获取解吸数据中的损失量，继而获得整个解吸数据，然后与数据库内曲线进行匹配。

有益效果，由于采用了上述方案，该方法不同的解吸曲线对应不同的瓦斯参数，对于一既定煤样，解吸曲线和瓦斯参数是一一对应的；通过实验室测定工作建立解吸曲线与瓦斯参数的数据库，井下测定解吸数据后与已建立的数据库进行匹配，迅速获取其对应的瓦斯参数。该方法首先在实验室进行煤的视密度、孔隙率以及等温吸附实验和等温解吸实验的测定，根据解吸数据求得解吸曲线与瓦斯参数对应的关系，并进行整理汇总成数据库；然后在井下通过煤层瓦斯快速测定仪现场采集钻屑解吸数据，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，从而获得该曲线所对应的瓦斯含量等参数。该方法测定煤层瓦斯参数所需的时间短、工作量小、制作成本低、操作简单、测定结果可靠性高，为评价煤层突出危险性提供判定指标，对工作面防突技术发展有着重要意义。解决了现有的测定方法无法准确的测定出煤层瓦斯参数的问题，达到了本发明的目的。

优点：该方法可同时测定多种煤层瓦斯参数值、时间短、工作量小、测定结果可靠，对于同一煤层不同测点均可以快速测定，对于预测煤与瓦斯突出危险性意义重大。上述实验室所求的解吸曲线，可适用于同煤层不同测点的瓦斯参数的测定，适应能力强，便捷程度高。

附图说明：

图1是本发明所述装置的结构原理示意图。

图2是本发明所述测定方法的原理示意图。

图3a是本发明的绝对瓦斯吸附量数据库图。

图3b是本发明解吸量数据库图。

图4a是本发明解吸数据与数据库曲线的匹配前图。

图4b是本发明解吸数据与数据库曲线的直接匹配法图。

图4c是本发明的解吸数据与数据库曲线的含损失量匹配法图。

图中，1、煤样罐；2、导气管；3、进气口；4、出气口；5、USB接口；6、充电接口；7、按键；8、显示器；9、瓦斯参数快速测定仪。

具体实施方式

本发明的煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数包括测定方法和测定装置。

所述的测定装置设有一个煤样罐1，煤层瓦斯参数快速测定仪9，以及分别设置在煤层瓦斯参数快速测定仪9内的单片机、流量计、数据存储装置、显示器8、本安控制装置、锂电池电源、USB接口5、充电接口6和按键7；其特征在于：所述的煤样罐1的出气口与导气管2相连；所述的导气管2的另一端与煤层瓦斯参数快速测定仪9的进气口3相连；所述的进气口3通过软管与流量计的一端接通；所述流量计的另一端通过软管接通出气口4；所述的单片机与流量计相连；所述的数据存储装置安装在单片机上；所述的显示器8与单片机相连，安装在单片机上侧；所述的本安控制电路与单片机相连；所述锂电池电源与本安控制电路相连；所述USB接口5与单片机相连；所述充电接口6与本安控制电路相连；所述按键7安装在煤层瓦斯参数快速测定仪9外表面。

所述的测定方法是：实验室进行解吸曲线与瓦斯参数对应关系的测定，并进行整理汇总成数据库；然后利用瓦斯快速测定仪进行现场采集钻屑解吸数据，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，获得该曲线所对应的瓦斯含量参数。

具体步骤如下：

(1)实验室数据库的制备与建立

取新鲜煤样密封保存后送至实验室，进行煤的视密度和孔隙率的测定，同时按照规定粉碎煤样并筛取粒径为1-3mm的煤样装至煤样罐，然后进行20℃下的等温吸附实验，然后分别在15℃、20℃和25℃环境温度下进行等温解吸实验，将多组煤样的解吸数据进行汇总，分别获取三种温度的解吸规律，并进行温度校正，求解出解吸曲线和瓦斯参数对应的关系，最终建立以20℃、1～3mm粒径的新鲜煤样为条件的数据库，数据库设置15条解吸曲线及其对应的瓦斯含量参数，满足现场测定瓦斯参数的范围。

(2)煤层瓦斯参数的现场测定

测定前，应确保瓦斯参数快速测定仪能够正常使用并检查导气管的密封性，钻取工作面测定地点的煤样，在见煤时，立刻按下瓦斯参数快速测定仪的按键进行暴露时间的测定，同时迅速筛取粒径1-3mm的煤样500g左右装入煤样罐；当煤样罐密封严实后，迅速按下装罐结束按键，并开始瓦斯解吸量的测定；

测定结束后，记录井下的环境温度并进行煤样的称重，在瓦斯参数快速测定仪上键入环境温度与煤样重量值，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，获得该曲线所对应的瓦斯含量参数；

针对解吸数据与数据库曲线的最佳曲线的选择，采用最小二乘法，即利用解吸数据的开始点、结束点以及时间的中间点，三个点对应的解吸量与数据库曲线对应时间点的解吸量逐一进行对比，选出误差的平方和最小的一个曲线，即为最佳曲线，其对应的瓦斯参数就是测定结果。

其中解吸量与数据库曲线进行比对的方法有直接匹配法和含损失量匹配法。

所述的直接匹配法是指：利用解吸数据，获得累计解吸曲线，然后解吸曲线放入数据库中与原有数据库曲线进行对比，即将数据库中所有曲线自动减去开始计算流量的时间点t0之前的解吸量，使用剩余的解吸量进行对比的方法。

所述的含损失量匹配法是指：加上损失量后的解吸数据与数据库进行对比，分为幂函数法和法；

a.法

法是根据煤样开始暴露一段时间内V_t0和呈直线关系来进行确定的，即：

式中：a、b为待定常数，当时，V_t0＝a，a值即为所求的损失瓦斯量；计算a值前首先以为横坐标，以V_t0为纵坐标作图，由图大致判定呈线性关系的各测点，然后根据这些点的坐标值，按最小二乘法求出a值，即为所求的损失瓦斯；

b.幂函数法

将测得的(t，V_t)数据转化为解吸速度数据然后对按下式拟合求出q₀和n；

q_t＝q₀·(1+t)^-n

式中：q_t—时间t对应的瓦斯解吸速度，cm³/min；

q₀—t＝0时的对应的瓦斯解吸速度，cm³/min；

t—包括取样时间T0在内的瓦斯解吸时间，min；

n—瓦斯解吸速度衰减系数，0＜n＜1；

煤样的损失瓦斯量按下式计算：

式中：X_s—煤样损失瓦斯量，cm³；

T₀—煤样暴露时间，min；

即分别利用幂函数法和法计算获取解吸数据中的损失量，继而获得整个解吸数据，然后与数据库内曲线进行匹配。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：该测定装置设有一个煤样罐1，煤层瓦斯参数快速测定仪9，煤样罐1通过导气管2与煤层瓦斯参数快速测定仪9的进气口3接通，进气口3与流量计的一端相接，流量计用于采集钻屑解吸数据；流量计的另一端通过软管与出气口4相接，同时通过导线与单片机相连，将采集的解吸数据传送到单片机并进行分析；单片机设有数据存储装置，用于数据库以及解吸数据的存储；显示器8安装在单片机上侧，用于实时观测；单片机另连接有本安控制电路，为整个仪器装置提供电路保护；本安控制电路另与锂电池电源相连，由锂电池进行供电；煤层瓦斯参数快速测定仪9外壳另设有USB接口5，用于程序的编写和数据的拷贝；充电接口6用于仪器的充电；按键7用于仪器的操作。

本发明的煤层瓦斯参数快速测定的方法：

(1)取新鲜煤样密封保存后送至实验室，进行煤的视密度和孔隙率的测定，同时按照规定粉碎煤样并筛取粒径为1-3mm的煤样装至煤样罐，然后进行了20℃下的等温吸附实验，然后分别在15℃、20℃和25℃环境温度下进行等温解吸实验，多组煤样的解吸数据进行汇总，分别获取三种温度的解吸规律，并进行了温度校正，求解出解吸曲线和瓦斯参数对应的关系，最终建立了以20℃、1～3mm粒径的新鲜煤样为条件的数据库，如图3所示，考虑到现场测定的瓦斯参数的范围，数据库设置了15条解吸曲线及其对应的瓦斯含量等参数。

(2)井下测定前，应确保仪器能够正常使用并检查导气管的密封性，钻取工作面测定地点的煤样，在见煤时，立刻按下仪器的按键进行暴露时间的测定，同时迅速筛取粒径1-3mm的煤样500g左右装入煤样罐；当煤样罐密封严实后，迅速按下装罐结束按键，并开始瓦斯解吸量的测定；测定结束后，记录井下的环境温度并进行煤样的称重，在仪器上键入环境温度与煤样重量值，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，从而获得该曲线所对应的瓦斯含量等参数。其中解吸数据与数据库进行比对的方法主要有直接匹配法和含损失量匹配法。如图4-a所示，为测试解吸数据与数据库对比之前的曲线。直接匹配法是指利用解吸数据，获得累计解吸曲线，然后解吸曲线放入数据库中与原有数据库曲线进行对比，即将数据库中所有曲线自动减去开始计算流量的时间点t₀之前的解吸量，使用剩余的解吸量进行对比的方法，如图4-b所示。含损失量匹配法是指加上损失量后的解吸数据与数据库进行对比，分为幂函数法和法，即分别利用幂函数法和法计算获取解吸数据中的损失量，继而获得整个解吸数据，然后与数据库内曲线进行匹配，如图4-c所示。针对解吸数据与数据库曲线的最佳曲线的选择，采用最小二乘法，即利用解吸数据的开始点、结束点以及时间的中间点，三个点对应的解吸量与数据库曲线对应时间点的解吸量逐一进行对比，选出误差的平方和最小的一个曲线，即为最佳曲线，其对应的瓦斯参数就是测定结果。

上述实验室所求的曲线拟合方程，可适用于同煤层不同测点的瓦斯参数的测定，适应能力强，便捷程度高。

Claims (6)

1.一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的装置，其特征在于：测定装置有一个煤样罐和瓦斯参数快速测定仪，煤样罐通过导气管与瓦斯参数快速测定仪的进气口接通，进气口与流量计的一端相接，流量计的另一端通过软管与出气口相接，同时通过导线与单片机相连；单片机设有数据存储装置，用于数据库以及解吸数据的存储；显示器安装在单片机上侧，单片机另连接有本安控制电路，本安控制电路另与锂电池电源相连，由锂电池进行供电；瓦斯参数快速测定仪外壳另设有USB接口，充电接口和按键。

2.一种煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法，其特征是：所述的测定方法是：实验室进行解吸曲线与瓦斯参数对应关系的测定，并进行整理汇总成数据库；然后利用瓦斯快速测定仪进行现场采集钻屑解吸数据，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，获得该曲线所对应的瓦斯含量参数。

3.根据权利要求2所述的煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法，其特征是：具体步骤如下：

(1)实验室数据库的制备与建立

取新鲜煤样密封保存后送至实验室，进行煤的视密度和孔隙率的测定，同时按照规定粉碎煤样并筛取粒径为1-3mm的煤样装至煤样罐，然后进行20℃下的等温吸附实验，然后分别在15℃、20℃和25℃环境温度下进行等温解吸实验，将多组煤样的解吸数据进行汇总，分别获取三种温度的解吸规律，并进行温度校正，求解出解吸曲线和瓦斯参数对应的关系，最终建立以20℃、1～3mm粒径的新鲜煤样为条件的数据库，数据库设置15条解吸曲线及其对应的瓦斯含量参数，满足现场测定瓦斯参数的范围；

(2)煤层瓦斯参数的现场测定

测定前，应确保瓦斯参数快速测定仪能够正常使用并检查导气管的密封性，钻取工作面测定地点的煤样，在见煤时，立刻按下瓦斯参数快速测定仪的按键进行暴露时间的测定，同时迅速筛取粒径1-3mm的煤样500g左右装入煤样罐；当煤样罐密封严实后，迅速按下装罐结束按键，并开始瓦斯解吸量的测定；

测定结束后，记录井下的环境温度并进行煤样的称重，在瓦斯参数快速测定仪上键入环境温度与煤样重量值，与建立的数据库进行对比，匹配出最接近的解吸曲线，获得该曲线所对应的瓦斯含量参数；

针对解吸数据与数据库曲线的最佳曲线的选择，采用最小二乘法，即利用解吸数据的开始点、结束点以及时间的中间点，三个点对应的解吸量与数据库曲线对应时间点的解吸量逐一进行对比，选出误差的平方和最小的一个曲线，即为最佳曲线，其对应的瓦斯参数就是测定结果。

4.根据权利要求2所述的煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法，其特征是：解吸量与数据库曲线进行比对的方法有直接匹配法和含损失量匹配法。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法，其特征是：所述的直接匹配法是指：利用解吸数据，获得累计解吸曲线，然后解吸曲线放入数据库中与原有数据库曲线进行对比，即将数据库中所有曲线自动减去开始计算流量的时间点t0之前的解吸量，使用剩余的解吸量进行对比的方法。

6.根据权利要求4所述的煤矿井下快速测定煤层瓦斯参数的方法，其特征是：所述的含损失量匹配法是指：加上损失量后的解吸数据与数据库进行对比，分为幂函数法和法；

a.法

法是根据煤样开始暴露一段时间内V_t0和呈直线关系来进行确定的，即：

$V_0=a+b\sqrt{t}$

式中：a、b为待定常数，当时，V_t0＝a，a值即为所求的损失瓦斯量；计算a值前首先以为横坐标，以V_t0为纵坐标作图，由图大致判定呈线性关系的各测点，然后根据这些点的坐标值，按最小二乘法求出a值，即为所求的损失瓦斯量；

b.幂函数法

将测得的(t，V_t)数据转化为解吸速度数据然后对按下式拟合求出q₀和n；

q_t＝q₀·(1+t)^-n

式中：q_t—时间t对应的瓦斯解吸速度，cm³/min；

q₀—t＝0时的对应的瓦斯解吸速度，cm³/min；

t—包括取样时间T0在内的瓦斯解吸时间，min；

n—瓦斯解吸速度衰减系数，0＜n＜1；

煤样的损失瓦斯量按下式计算：

$X_s=q_0\[\frac{{(1+T_0)}^{1-n}-1}{1-n}\]$

式中：X_s—煤样损失瓦斯量，cm³；

T₀—煤样暴露时间，min；

即分别利用幂函数法和法计算获取解吸数据中的损失量，继而获得整个解吸数据，然后与数据库内曲线进行匹配。