CN114544424A - 一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法及装置 - Google Patents

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CN114544424A CN202210247341.3A CN202210247341A CN114544424A CN 114544424 A CN114544424 A CN 114544424A CN 202210247341 A CN202210247341 A CN 202210247341A CN 114544424 A CN114544424 A CN 114544424A
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王贝
曹垚林
仇海生
徐成
潘强
张东超
贾艳武
钟后选
邹永洺
邹庆
闫斌移
董全
廖巍
陈曦涛
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Abstract

本发明公开了一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法和装置，该方法包括：基于流量检测数据确定无压差状态煤样的井下瓦斯解吸量；基于流量检测数据确定煤样暴露造成的瓦斯损失量；基于煤样解吸一定时间内的流量检测数据，确定反映剩余可解吸瓦斯体积与井下瓦斯解吸体积关系的解吸规律模型；基于解吸规律模型推测确定剩余可解吸瓦斯量；确定不可解吸瓦斯量；基于瓦斯损失量、井下瓦斯解吸量、剩余可解吸瓦斯量、不可解吸瓦斯量确定煤层瓦斯含量。本发明通过流量传感器测定解吸瓦斯量，整个过程瓦斯处于自然释放状态，瓦斯解吸速率稳定，衰减曲线平滑，更能反映实际瓦斯损失规律；此外，本发明通过实测结合推算的方式测定，缩减了测定时间。

Description

一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法及装置
技术领域
本发明涉及井下煤层瓦斯测定领域，特别是一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法及装置。
背景技术
煤层瓦斯是造成煤与瓦斯突出等煤矿灾害的主导因素，快速、准确掌握瓦斯赋存规律对于煤矿瓦斯灾害防治至关重要。现有的煤层瓦斯含量的测定方法包括两种，即间接法和直接法，这两种方法存在以下问题：间接法测定煤层瓦斯含量首先要求测定煤层原始瓦斯压力，煤层原始瓦斯压力测定工艺较复杂，测点选择、封孔工艺、漏气环节处理等有严格的技术要求，且测定工程量较大，成本较高，此外，该方法测定周期较长，严重影响煤矿安全、高效生产的进度。直接法测定需要将井下实测解吸量、推算瓦斯损失量、实验室测定残存量三者之和计算为煤样瓦斯含量，井下实测解吸量数值和推算瓦斯损失量数值会受现场操作人员操作手法、人工观测计数方法很大影响，且过程复杂、费时费力；实验室测定残存量测定结果则更需要复杂的过程，且受到煤样运输过程中是否漏气、实验室实验条件是否满足、操作人员操作手法等多种因素影响，且耗时较长。无论是间接法测定，还是直接法测定，都面临着受现场条件、操作人员手法影响、过程复杂、成本较高等问题，且都耗时较长，完全不能满足煤矿安全高效生产的需求。
例如目前井下煤样解吸通常所采用排水法，该方法是将煤样解吸的瓦斯收集到解吸仪器中，同时排除相应体积的水，通过读取解吸仪刻度值来计算瓦斯累计解吸量。这种方法的缺点是解吸瓦斯需要排除水压阻力才能进入解吸仪，煤样罐中聚集一定量的瓦斯后才能突破水压进入到解吸仪中，容易造成瓦斯解吸速率不稳定，从而计算瓦斯损失量时存在误差。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法及装置，具有测定耗时短、测定结果准确的优点。
本发明公开了一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，应用该方法所测的煤样放置于煤样罐，煤样罐连有流量传感器。该方法包括：
基于流量检测数据确定无压差状态的煤样的井下瓦斯解吸量；
基于流量检测数据确定煤样暴露造成的瓦斯损失量；
基于煤样解吸一定时间内的流量检测数据，确定反映剩余可解吸瓦斯体积与井下瓦斯解吸体积关系的解吸规律模型；基于解吸规律模型推测确定剩余可解吸瓦斯量；
确定不可解吸瓦斯量；
基于瓦斯损失量、井下瓦斯解吸量、剩余可解吸瓦斯量、不可解吸瓦斯量确定煤层瓦斯含量。
进一步地，所述基于流量检测数据确定无压差状态的煤样的井下瓦斯解吸量，包括：井下采集煤样装罐后，基于实测的流量检测数据确定井下瓦斯解吸体积，并计算井下瓦斯解吸量，即：
w2＝V2/G
其中，W2为井下瓦斯解吸量，V2为井下瓦斯解吸体积，G为煤样重量。
进一步地，所述基于流量检测数据确定煤样暴露造成的瓦斯损失量，包括：
获取无压差状态的煤样在装罐后五分钟内的流量检测数据，并根据煤样开始暴露后V与
Figure BDA0003545308840000021
呈直线关系采用最小二乘法确定煤样暴露时间对应的瓦斯损失体积，即：
Figure BDA0003545308840000031
其中，t0为煤样暴露时间，t为煤样装罐后解吸时间，V为t时间内的瓦斯解吸体积；V′损为暴露时间t0内的瓦斯损失体积，K为损失系数；
基于瓦斯损失体积确定瓦斯损失量，即：
w1＝V′损/G
其中，W1为瓦斯损失量，G为煤样重量。
进一步地，所述基于煤样解吸一定时间内的流量检测数据，确定反映剩余可解吸瓦斯体积与井下瓦斯解吸体积关系的解吸规律模型，包括：
基于煤样解吸前三十分钟内的流量监测数据，采用最小二乘法确定解吸规律模型的参数k1和k2，确定后的解吸规律模型的表达式为：
V3＝k1·ln(ts)+k2-V2
其中，V3为剩余可解吸瓦斯体积，ts为无压差状态的煤样可自然解吸释放瓦斯至极限状态所需的时间，k1为瓦斯含量解吸系数，k2为瓦斯解吸修正系数；V2为井下瓦斯解吸体积；
所述基于解吸规律模型推测确定剩余可解吸瓦斯量，包括：
基于解吸规律模型推测确定的剩余可解吸瓦斯体积，并基于以下表达式确定剩余可解吸瓦斯量：
W3＝V3/G
其中，W3为剩余可解吸瓦斯量，V3为剩余可解吸瓦斯体积，G为煤样重量。
进一步地，所述确定不可解吸瓦斯量，包括：通过以下表达式确定不可解吸瓦斯量：
Figure BDA0003545308840000032
其中，W4为煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，a为煤的瓦斯吸附常数，b为煤的瓦斯吸附常数，Aaa为煤的灰分，Mad为煤的水分，π为煤的孔隙率，γ为煤的容重。
进一步地，所述基于瓦斯损失量、井下瓦斯解吸量、剩余可解吸瓦斯量、不可解吸瓦斯量确定煤层瓦斯含量，包括：基于以下表达式确定煤层瓦斯含量：
W＝W1+W2+W3+W4
其中，W为煤层瓦斯含量。
本发明还公开了一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置，包括：煤样罐、解吸管和测定主机；其中，煤样罐包括罐体和罐盖，罐盖设有阀门，解吸管的一端通过连接阀门来与罐体连通；
测定主机包括CPU模块和流量传感器，CPU模块还分别电连接有信号采集板、触摸显示屏、无线传输模块，流量传感器与信号采集板电连接；
测定主机还包括进气口、进气管路、出气口和出气管路，进气口的一端与解吸管的另一端连接，进气口的另一端与进气管路的一端连接，进气管路的另一端与流量传感器的进气端连接；出气管路的一端与流量传感器的出气端连接，出气管路的另一端与出气口连接。
进一步地，阀门处于常开状态，使得煤样罐中的煤样处于无压差状态。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过流量传感器测定解吸瓦斯量，整个过程瓦斯处于自然释放状态，瓦斯解吸速率稳定，衰减曲线平滑，更能反映实际瓦斯损失规律。
本发明根据实际采集的煤样井下解吸规律，拟合解吸规律模型的相关参数，推算剩余可解吸瓦斯含量，通过实测结合推算的方式测定出煤样中瓦斯含量，大大缩减了瓦斯含量测定时间。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式部分详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施例公开的井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法的流程图。
图2是本发明优选实施例公开的井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置的结构图。
图3是本发明优选实施例公开的井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置的测定主机内部结构图。
图4是本发明优选实施例公开的井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置测定主机的内部连接原理图。
其中，1为煤样罐；101为罐体；102为罐盖；103为阀门；2为解吸管；3为测定主机；301为进气口；302为出气口；303为触摸显示屏；304为主机外壳；305为开关按钮；306为无线传输天线；307为流量传感器；308为进气管路；309为信号采集板；310为本安电池模块；311为CPU模块；312为出气管路；313为无线传输模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明公开了一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，应用该方法所测的煤样放置于煤样罐，煤样罐连有流量传感器，煤样处于无压差状态，整个过程瓦斯处于自然释放状态，瓦斯解吸速率稳定，衰减曲线平滑，更能反映实际瓦斯损失规律。如图1所示，该方法包括：
S1：基于流量检测数据确定无压差状态的煤样的井下瓦斯解吸量。
与目前排水法解吸不同，通过流量传感器测定煤样在无压差状态下解吸的数据，解吸时瓦斯量衰减更具有规律性，方便后续数据拟合计算。井下采集煤样装罐后，通过井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置实测井下瓦斯解吸体积，计算井下瓦斯解吸量。
W2＝V2/G (1)
式(1)中：W2为井下瓦斯解吸量，单位为cm3/g；V2为井下瓦斯解吸体积，单位为cm3；G为煤样重量，单位为g。
值得一提的是，本发明井下瓦斯解吸量可以是煤样解吸一定时间(例如30min)的实测值，再结合后续步骤S3推测确定的剩余可解吸瓦斯量，即可实现耗费较短时间来确定煤样的可解吸瓦斯量总和，相比现有技术中需要等待煤样自然解吸瓦斯至极限，本发明大大缩短了测定的时间。
S2：基于流量检测数据确定煤样暴露造成的瓦斯损失量。
与目前排水法计算瓦斯损失量不同，通过流量传感器测定煤样在无压差状态下解吸的数据，更能反映实际损失规律。测定通过井下实测瓦斯解吸数据，根据煤样开始暴露一段时间内V与
Figure BDA0003545308840000061
呈直线关系来推算出煤样暴露时间t0内的瓦斯损失体积，即：
Figure BDA0003545308840000062
式(2)中，t0为煤样暴露时间，单位为min；t为煤样装罐后解吸时间，单位为min；V为t时间内的瓦斯解吸体积，单位为cm3；V′损为暴露时间t0内的瓦斯损失体积，单位为cm3；K为损失系数。
根据煤样装罐后前五分钟瓦斯解吸数据，在井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置软件中，采用最小二乘法求出V′损值，进而计算出瓦斯损失量：
W1＝V′损/G (3)
式(3)中：W1为瓦斯损失量，单位为cm3/g；G为煤样重量，单位为g。
值得一提的是，本发明中通过流量数据确定体积数据是本领域的公知常识，本文不再赘述。
S3：基于煤样解吸一定时间内的流量检测数据，确定反映剩余可解吸瓦斯体积与井下瓦斯解吸体积关系的解吸规律模型；基于解吸规律模型推测确定剩余可解吸瓦斯量。
剩余可解吸瓦斯量指煤样在井下现场解吸一定时间(例如30min)后，在煤样罐无压差且无外界干扰的状态下，煤样能继续释放出来的瓦斯量。罐中煤样瓦斯解吸过程遵循公式(4-1)的解吸规律，根据煤样瓦斯解吸规律，构建瓦斯的解吸规律模型，采用最小二乘法求出关键参数k1和k2，这样做是由于各地矿区煤层赋存、煤质条件不同，瓦斯含量测定情况也不同，就同一矿井来说，不同区域瓦斯解吸也有很大的差异，这也是现有的瓦斯含量测定技术容易造成测定数据失真的原因之一。公式(4-1)如下：
V3＝k1·ln(ts)+k2-V2 (4-1)
式(4-1)中，V′3为在煤样开始解吸t时间的剩余可解吸瓦斯体积，单位为cm3；ts为无压差状态的煤样可自然解吸释放瓦斯至极限状态所需的时间，单位为min；k1为瓦斯含量解吸系数；k2为瓦斯解吸修正系数；V′2为在煤样开始解吸t时间的井下瓦斯解吸体积，可以通过流量检测数据确定。
本发明通过确定k1和k2得到符合当前测定对象的解析规律模型，进而基于该模型计算出在井下实测结束后，煤样的剩余可解吸瓦斯体积，参见式(4-2)。
V3＝k1·ln(ts)+k2-V2 (4-2)
式(4-2)中，V3为推测确定的剩余可解吸瓦斯体积，单位为cm3；ts为无压差状态的煤样可自然解吸释放瓦斯至极限状态所需的时间，单位为min；k1为瓦斯含量解吸系数；k2为瓦斯解吸修正系数；V2为实测的井下瓦斯解吸体积，单位为cm3。
根据剩余可解吸瓦斯体积V3，可以计算出剩余可解吸瓦斯量，参见公式(5)：
W3＝V3/G (5)
式(5)中，W3为井下瓦斯解吸量，单位为cm3/g；V2为井下瓦斯解吸体积，单位为cm3；G为煤样重量，单位为g。
S4：确定不可解吸瓦斯量，即确定了煤样所属同一地质单元内的煤的不可解吸瓦斯量。
根据同一地质单元内煤的吸附常数、煤的水分、煤的灰分、煤的孔隙率、煤的容重参数，确定煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，参见公式(6)：
Figure BDA0003545308840000081
其中，W4为煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，单位为cm3/g；a为煤的瓦斯吸附常数，单位为cm3/g；b为煤的瓦斯吸附常数，单位为MPa-1；Aad为煤的灰分，单位为％；Mad为煤的水分，单位为％；π为煤的孔隙率，单位为cm3/cm3；γ为煤的容重，单位为g/cm3。
S5：基于瓦斯损失量、井下瓦斯解吸量、剩余可解吸瓦斯量、不可解吸瓦斯量确定煤层瓦斯含量。即计算W1、W2、W3、W4的和，参见公式(7)：
W＝W1+W2+W3+W4 (7)
其中，W为煤层瓦斯含量的，单位为cm3/g。
如图2、图3和图4所示，本发明还公开了一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置，包括：煤样罐1、解吸管2和测定主机3；其中，煤样罐1包括罐体101和罐盖102，罐盖102设有阀门103，解吸管2的一端通过连接阀门103来与罐体101连通。优选的，在实测时阀门103处于常开状态，使得煤样罐1中的煤样处于无压差状态。
测定主机3包括CPU模块311和流量传感器307，CPU模块311还分别电连接有信号采集板309、触摸显示屏303、无线传输模块313，流量传感器307与信号采集板309电连接。
测定主机3还包括进气口301、进气管路308、出气口302和出气管路312，进气口301的一端与解吸管2的另一端连接，进气口301的另一端与进气管路308的一端连接，进气管路308的另一端与流量传感器307的进气端连接；出气管路312的一端与流量传感器307的出气端连接，出气管路312的另一端与出气口302连接。其中，信号采集板309通过电线与流量传感器307相连，采用485通讯采集信号，并将信号传递给CPU模块311。
此外，测定主机3还包括主机外壳304，用于保护其内部的上述各管路、电路等，触摸显示屏303安装在主机外壳304上，便于查看和触摸，主机外壳304上还设有开关按钮305，用于控制测定主机3开关机。主机外壳304内还设有本安电池模块310，用于为测定主机3供电。无线传输模块313连有无线传输天线306。
本发明中，利用井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置测定瓦斯含量操作步骤如下：
步骤一：在井下测定地点按照一般打钻方法，施工到预定的取样位置采集煤样，将煤样装到罐体101中，打开阀门103，盖上罐盖102。
步骤二：按下开关按钮305，将测定主机3开机进行测定，用解吸管2连接煤样罐1和测定主机3，阀门103一直保持打开状态，煤样罐1中的煤样不断解吸瓦斯，通过进气口301经过流量传感器307，从出气口302流出。
步骤三：信号采集板309不断采集流量传感器307的信号，并且传递给CPU模块311，CPU模块311将数据处理后把井下瓦斯解吸量信息传输给触摸显示屏303，在触摸显示屏303嵌入式模块中写入各部分瓦斯含量(瓦斯损失量W1、井下瓦斯解吸量W2、剩余可解吸瓦斯量W3、煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量W4)的相应模型，通过井下测定瓦斯解吸量，快速计算煤层瓦斯含量。
步骤四：瓦斯含量测定数据生成后，CPU模块311将触摸显示屏303中测定数据传递给无线传输模块313，通过井下环网，将数据传递至地面监控中心。
本发明与现有测定方法相比，通过流量传感器测定解吸瓦斯量，整个过程瓦斯处于自然释放状态，瓦斯解吸速率稳定，衰减曲线平滑，更能反映实际瓦斯损失规律。
井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法减少了实验室测定残存量环节，通过拟合前30分钟解吸数据，求解关键参数k1和k2以确定模型，推算剩余可解吸瓦斯含量，通过实测结合推算的方式计算出煤样中瓦斯含量，大大缩减了瓦斯含量测定时间。
本发明具有适用性强的优势，由于各地矿区煤层赋存、煤质条件不同，瓦斯含量测定情况也不同，就同一矿井来说，不同区域瓦斯解吸也有很大的差异，现有的瓦斯含量快速测定技术未考虑过这种情况，计算模型的系数都是固定的，容易造成不同矿区含量测定数据失真；而本发明是根据测定时实际采集的煤样井下解吸规律，拟合计算模型的各项参数，从而快速得到该地点煤层瓦斯含量，适用于各个矿区的煤层瓦斯含量测定工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，其特征在于，应用该方法所测的煤样放置于煤样罐，煤样罐连有流量传感器；该方法包括：
基于流量检测数据确定无压差状态的煤样的井下瓦斯解吸量；
基于流量检测数据确定煤样暴露造成的瓦斯损失量；
基于煤样解吸一定时间内的流量检测数据，确定反映剩余可解吸瓦斯体积与井下瓦斯解吸体积关系的解吸规律模型；基于解吸规律模型推测确定剩余可解吸瓦斯量；
确定不可解吸瓦斯量；
基于瓦斯损失量、井下瓦斯解吸量、剩余可解吸瓦斯量、不可解吸瓦斯量确定煤层瓦斯含量。
2.根据权利要求1所述的井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，其特征在于，所述基于流量检测数据确定无压差状态的煤样的井下瓦斯解吸量，包括：井下采集煤样装罐后，基于实测的流量检测数据确定井下瓦斯解吸体积，并计算井下瓦斯解吸量，即：
W2＝V2/G
其中，W2为井下瓦斯解吸量，V2为井下瓦斯解吸体积，G为煤样重量。
3.根据权利要求2所述的井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，其特征在于，所述基于流量检测数据确定煤样暴露造成的瓦斯损失量，包括：
获取无压差状态的煤样在装罐后五分钟内的流量检测数据，并根据煤样开始暴露后V与
Figure FDA0003545308830000011
呈直线关系采用最小二乘法确定煤样暴露时间对应的瓦斯损失体积，即：
Figure FDA0003545308830000012
其中，t0为煤样暴露时间，t为煤样装罐后解吸时间，V为t时间内的瓦斯解吸体积；V′损为暴露时间t0内的瓦斯损失体积，K为损失系数；
基于瓦斯损失体积确定瓦斯损失量，即：
W1＝V′损/G
其中，W1为瓦斯损失量，G为煤样重量。
4.根据权利要求3所述的井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，其特征在于，所述基于煤样解吸一定时间内的流量检测数据，确定反映剩余可解吸瓦斯体积与井下瓦斯解吸体积关系的解吸规律模型，包括：
基于煤样解吸前三十分钟内的流量监测数据，采用最小二乘法确定解吸规律模型的参数k1和k2，确定后的解吸规律模型的表达式为：
V3＝k1·ln(ts)+k2-V2
其中，V3为剩余可解吸瓦斯体积，ts为无压差状态的煤样可自然解吸释放瓦斯至极限状态所需的时间，k1为瓦斯含量解吸系数，k2为瓦斯解吸修正系数；V2为井下瓦斯解吸体积；
所述基于解吸规律模型推测确定剩余可解吸瓦斯量，包括：
基于解吸规律模型推测确定的剩余可解吸瓦斯体积，并基于以下表达式确定剩余可解吸瓦斯量：
W3＝V3/G
其中，W3为剩余可解吸瓦斯量，V3为剩余可解吸瓦斯体积，G为煤样重量。
5.根据权利要求4所述的井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，其特征在于，所述确定不可解吸瓦斯量，包括：通过以下表达式确定不可解吸瓦斯量：
Figure FDA0003545308830000021
其中，W4为煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，a为煤的瓦斯吸附常数，b为煤的瓦斯吸附常数，Aad为煤的灰分，Mad为煤的水分，π为煤的孔隙率，γ为煤的容重。
6.根据权利要求5所述的井下煤层瓦斯含量快速自动测定方法，其特征在于，所述基于瓦斯损失量、井下瓦斯解吸量、剩余可解吸瓦斯量、不可解吸瓦斯量确定煤层瓦斯含量，包括：基于以下表达式确定煤层瓦斯含量：
W＝W1+W2+W3+W4
其中，W为煤层瓦斯含量。
7.一种井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置，其特征在于，包括：煤样罐、解吸管和测定主机；其中，煤样罐包括罐体和罐盖，罐盖设有阀门，解吸管的一端通过连接阀门来与罐体连通；
测定主机包括CPU模块和流量传感器，CPU模块还分别电连接有信号采集板、触摸显示屏、无线传输模块，流量传感器与信号采集板电连接；
测定主机还包括进气口、进气管路、出气口和出气管路，进气口的一端与解吸管的另一端连接，进气口的另一端与进气管路的一端连接，进气管路的另一端与流量传感器的进气端连接；出气管路的一端与流量传感器的出气端连接，出气管路的另一端与出气口连接。
8.根据权利要求7所述的井下煤层瓦斯含量快速自动测定装置，其特征在于，阀门处于常开状态，使得煤样罐中的煤样处于无压差状态。
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