煤層瓦斯含量測定負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣應(yīng)用研究

焦繼紅，王玉杰，李 輝

（1.平頂山市平頂山天安煤業(yè)股份有限公司研究院瓦斯所，河南 平頂山 467099；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與高效清潔利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418）

0 引 言

受地質(zhì)條件復(fù)雜等因素影響，我國煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，容易誘發(fā)煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故，嚴(yán)重威脅煤礦企業(yè)的安全高效生產(chǎn)[1-3]。煤層瓦斯含量指標(biāo)是礦井瓦斯災(zāi)害防治、瓦斯治理與利用和煤層氣資源儲(chǔ)量評(píng)估和開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)參數(shù)[4-6]，其測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性對于預(yù)防礦井瓦斯災(zāi)害以及保障煤礦安全生產(chǎn)和職工人身安全具有重要意義。

我國主要采用解吸法對煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，而解吸所用的煤樣通常采用取芯法、孔口接樣法或其他定點(diǎn)取樣方法獲得[7-10]。其中，壓風(fēng)孔口接樣法由于結(jié)構(gòu)簡單和操作方便而普遍被煤礦井下采用。但該方法在取樣過程中容易發(fā)生“混樣”現(xiàn)象而造成瓦斯測定值誤差增加，且在松軟煤層中無法真正實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣[11-12]。

為了解決上述問題，魏建平等[13-14]采用真空泵作為動(dòng)力源，基于負(fù)壓氣力輸送理論提出了負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣方法，并確定建立了可靠的負(fù)壓取樣瓦斯損失量推算模型。然而，目前針對負(fù)壓定點(diǎn)取樣技術(shù)在煤層瓦斯含量測定現(xiàn)場應(yīng)用的可行性與可靠性研究相對較少。

鑒于此，本文以河南平煤集團(tuán)一礦（簡稱平煤一礦） 為研究背景，通過自主設(shè)計(jì)研究的負(fù)壓定點(diǎn)取樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展了現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對負(fù)壓取樣效果、負(fù)壓取樣過程影響因素及負(fù)壓取樣煤層瓦斯含量測定效果進(jìn)行了對比分析，實(shí)際考察和驗(yàn)證了負(fù)壓定點(diǎn)取樣的可靠性和應(yīng)用效果，以期進(jìn)一步完善負(fù)壓定點(diǎn)取樣技術(shù)。

1 工程地質(zhì)條件

平煤一礦戊8—31200 工作面可采走向長度1 340 m，采長177 m，采高2.0 m?？刹蓛?chǔ)量69.8萬t。31200 工作面戊8 煤層厚度1.8 ～2.5 m，平均2.0 m，煤層中含有1 層夾矸，厚度0.1 ～0.4 m。煤層傾角為12°～16°，平均傾角14°。戊8 煤層下有戊9、戊10 兩個(gè)鄰近煤層，厚度分別為0.9 ～1.1 m 和1.7 ～2.4 m。其中戊8 煤層與戊9煤層相距5.1 ～7.8 m，戊9 與戊10 煤層相距0 ～0.5 m。31200 工作面地層總體為一向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層起伏較大，四周均為未開采區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料情況，煤層埋藏較深，可能存在隱伏斷層，對掘進(jìn)施工有影響。工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1 所示。

預(yù)計(jì)31200 工作面戊8 煤層原始瓦斯壓力0.8 MPa、瓦斯含量6.5 m3/t。預(yù)計(jì)工作面掘進(jìn)期間相對瓦斯涌出量10.21 m3/t，絕對瓦斯涌出量0.8 m3/min；回采期間相對瓦斯涌出量5.99 m3/t，絕對瓦斯涌出量13.9 m3/min。煤層自然發(fā)火期3 ～6 個(gè)月，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)31.74 ～39.05%；地溫36 ～45 ℃，屬地溫異常區(qū)。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣試驗(yàn)系統(tǒng)主要由取樣鉆頭、取樣鉆桿、三通、接樣裝置、參數(shù)測試裝置及動(dòng)力裝置組成。其中，取樣鉆頭為直徑94 mm 的三翼PDC 鉆頭，主要用于增大風(fēng)流流通面積，減小鉆頭處局部壓降和壁面鉆頭流體孔堵塞風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)過程中，鉆頭三翼間的流體孔孔徑可以達(dá)到20 mm；取樣鉆桿為內(nèi)徑40 mm、外徑73 mm 的圓形鉆桿，具有較高的強(qiáng)度和較大的空氣流通斷面，適用于松軟煤層鉆進(jìn)；三通用于連接水辮頭和井下壓風(fēng)口，可以通過切換對應(yīng)連接管路閥門實(shí)現(xiàn)負(fù)壓取樣與正壓鉆進(jìn)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換；接樣裝置采用旋風(fēng)式除塵器，且配有相應(yīng)的布袋式除塵器用于空氣凈化。試驗(yàn)時(shí)，接樣裝置與空氣凈化裝置串聯(lián)連接，待煤屑-瓦斯氣固兩相流流出鉆桿后經(jīng)連接軟管首先流入接樣裝置實(shí)現(xiàn)煤樣的分離與收集，而含塵量較低的煤屑-瓦斯混合流體流入布袋式除塵器，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤屑的分離，可以大幅降低氣體中的含塵量，從而達(dá)到凈化空氣和避免煤塵損害動(dòng)力裝置的目的；參數(shù)測量裝置主要由孔板流量計(jì)、“U”型壓差計(jì)和精度為0.4 級(jí)的精密真空表組成，可以實(shí)現(xiàn)取樣過程中實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)壓降與風(fēng)量的變化趨勢； 動(dòng)力裝置為QXSR-125 型羅茨真空泵，升壓范圍為0 ～70 kPa，最大風(fēng)量可以達(dá)到5 m3/min。負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

2.2 試驗(yàn)布置

為了比較和驗(yàn)證負(fù)壓定點(diǎn)取樣系統(tǒng)瓦斯測定效果，在平煤一礦戊8—31200 工作面風(fēng)巷和高抽巷共布置10 個(gè)測點(diǎn)，分為5 組，組間距為45 m，可以控制戊8—31200 工作面風(fēng)巷上幫4.8 m 和下幫15 m 范圍。每個(gè)測點(diǎn)設(shè)計(jì)2 個(gè)鉆孔，孔間距1 m，分別采用常規(guī)取樣方法和負(fù)壓定點(diǎn)取樣方法取樣?，F(xiàn)場試驗(yàn)取樣鉆孔布置平面圖如圖3 所示，取樣鉆孔參數(shù)如表1 所示。

表1 取樣鉆孔參數(shù)Table 1 Sampling borehole parameters

圖3 工作面現(xiàn)場測點(diǎn)布置示意Fig.3 Working face site measuring point layout diagram

2.3 試驗(yàn)步驟

負(fù)壓取樣測定煤層瓦斯含量現(xiàn)場試驗(yàn)過程依次為：①壓風(fēng)鉆進(jìn)。連接試驗(yàn)系統(tǒng)，切換三通閥門，使水辮頭接入井下壓風(fēng)接頭進(jìn)行壓風(fēng)排渣鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度前1 m，采用壓風(fēng)吹刷疏通取樣鉆頭流體孔并減少鉆孔沿程堆積的鉆屑。②負(fù)壓取樣。在每一循環(huán)設(shè)計(jì)深度的最后1 m，切換三通閥門，使水辮頭與真空泵連接并開啟真空泵，勻速向前推進(jìn)，記錄鉆進(jìn)用時(shí)、讀取系統(tǒng)壓降及風(fēng)量值。鉆進(jìn)至該循環(huán)深度后，測定空載時(shí)系統(tǒng)壓降及風(fēng)量值。負(fù)壓取樣過程結(jié)束后，對取樣稱重。③現(xiàn)場解吸。為了對比分析負(fù)壓取樣測定煤層瓦斯含量的效果和精度，在同一取樣深度分別采用負(fù)壓法和與壓風(fēng)排渣法取得煤樣。其中，在鉆進(jìn)至鉆孔設(shè)計(jì)深度前l(fā) m，按照壓風(fēng)排渣定點(diǎn)測定煤層瓦斯含量方法取樣進(jìn)行現(xiàn)場解吸。為盡量避免取樣段瓦斯逸散，提高煤樣新鮮度，在完成壓風(fēng)排渣定點(diǎn)取樣后，再壓風(fēng)鉆進(jìn)0.2 m 后切換至負(fù)壓鉆進(jìn)取樣并完成負(fù)壓取樣過程。負(fù)壓取樣完成后，迅速裝樣并進(jìn)行現(xiàn)場常壓解吸。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 負(fù)壓取樣結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，測試和記錄不同測點(diǎn)負(fù)壓取樣過程中的取樣質(zhì)量、取樣用時(shí)和系統(tǒng)壓降等參數(shù)見表2。本文采用的負(fù)壓取樣系統(tǒng)在進(jìn)行現(xiàn)場定點(diǎn)取樣時(shí)，系統(tǒng)壓降穩(wěn)定在-60 kPa 左右，取樣速度變化范圍為0.97~1.82 kg/min，平均取樣速度約為1.32 kg/min。根據(jù)GB/T 23250-2009 要求，煤層瓦斯含量測定時(shí)單個(gè)煤樣罐所需最低煤樣量最低400 g。因此，通過采用負(fù)壓取樣方法只需在30 s內(nèi)即可滿足要求，取樣時(shí)間大幅縮短，從而實(shí)現(xiàn)快速定點(diǎn)取樣。此外，根據(jù)負(fù)壓取樣系統(tǒng)工作原理，煤屑從孔壁脫落后立即在負(fù)壓風(fēng)流作用下向鉆桿內(nèi)部運(yùn)移并輸送至與之相連的接樣裝置內(nèi)，有效保證了煤樣純度。

表2 負(fù)壓取樣結(jié)果Table 2 Negative pressure sampling results

3.2 系統(tǒng)壓降與風(fēng)量

通過測量和記錄負(fù)壓取樣過程中不同鉆孔深度條件下負(fù)壓取樣系統(tǒng)對應(yīng)的壓降及風(fēng)量變化規(guī)律，可以對動(dòng)力裝置即真空泵的工作效果進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步地為今后負(fù)壓取樣系統(tǒng)的優(yōu)化提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。選取Q1、Q2、Q3、Q4 和Q5 五個(gè)測點(diǎn)鉆孔，得到鉆進(jìn)取樣和空載兩種條件下負(fù)壓取樣系統(tǒng)壓降及風(fēng)量隨鉆孔深度的變化趨勢，分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 鉆進(jìn)時(shí)鉆孔深度與系統(tǒng)壓降、風(fēng)量之間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between drilling depth and system pressure drop and air volume during drilling

圖5 空載時(shí)鉆孔深度與系統(tǒng)壓降、風(fēng)量之間的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between drilling depth and system pressure drop and air volume under no-load condition

從圖4、圖5 中可以看出，無論是鉆進(jìn)取樣還是空載條件下，隨著鉆孔深度的增加，取樣系統(tǒng)壓降均逐漸增加，而系統(tǒng)風(fēng)量則逐漸減小。通過對比圖4（a） 圖5（a） 發(fā)現(xiàn)，與空載條件下相比，鉆進(jìn)取樣時(shí)，取樣系統(tǒng)壓降略有上升，但變化幅度較小，在1.67%~3.89%。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于，空載條件下，鉆桿內(nèi)部的空氣摩擦造成的壓力損失是形成系統(tǒng)壓降的主要原因[15]。真空泵提供的較高風(fēng)量使得風(fēng)流在鉆桿內(nèi)部流速較大，摩擦壓降增加。而孔深較大時(shí)，由于煤層松軟，從而造成鉆孔穩(wěn)定性變差。而鉆進(jìn)取樣過程與空載過程相隔時(shí)間較短，從而使得鉆孔失穩(wěn)引起的壓力變化進(jìn)一步造成系統(tǒng)壓降增加，但增加幅度不大。

相反地，對于系統(tǒng)風(fēng)量而言，相同鉆孔深度時(shí)，鉆進(jìn)取樣條件下的系統(tǒng)風(fēng)量與空載條件下相對較小。換言之，相同風(fēng)量時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)去取樣深度較低且系統(tǒng)壓降相對較高。這主要是因?yàn)橐环矫婀ぷ髅娴默F(xiàn)場條件限制了取樣系統(tǒng)管路的布置，導(dǎo)致局部阻力損失較高，且試驗(yàn)系統(tǒng)各構(gòu)件尚需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面，通過理論模型對試驗(yàn)系統(tǒng)取樣深度進(jìn)行研究時(shí)，假定鉆孔為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)且不發(fā)生鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象，而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)在松軟煤層進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時(shí)將不可避免地發(fā)生鉆孔失穩(wěn)，從而造成一定的局部阻力損失[16-17]。

3.3 煤層瓦斯含量測定效果

通過負(fù)壓取樣系統(tǒng)完成取樣工作后，采用目前煤礦通用的鉆屑解吸法對煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，即煤層瓦斯含量由負(fù)壓取樣瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和殘存瓦斯含量（實(shí)驗(yàn)室解吸量） 三部分構(gòu)成[18-19]。其中，負(fù)壓取樣過程中的瓦斯損失量依據(jù)式（1） 進(jìn)行推算，所求得的瓦斯損失量見表3。

式中：QP為推算得到的負(fù)壓取樣瓦斯損失量，mL/g；QJ為常壓解吸對應(yīng)的瓦斯損失量值，mL/g；a、b 為待定常數(shù)；t為解解吸時(shí)間，s。

為了驗(yàn)證負(fù)壓取樣煤層瓦斯含量測定效果，分別從瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量、實(shí)驗(yàn)室解析量和殘存瓦斯量四個(gè)方面同壓風(fēng)排渣取樣法進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果如圖6 所示。其中，壓風(fēng)排渣取樣法瓦斯損失量根據(jù)巴雷爾模型推算得到[20-21]。

圖6 負(fù)壓取樣與壓風(fēng)取樣煤層瓦斯含量測定效果對比Fig.6 Comparison of the effect of negative pressure sampling and pressure air sampling on the determination of gas content in coal seam

從圖6 中可以看出，除Q2鉆孔現(xiàn)場解吸量相對于壓風(fēng)取樣較小外，其他鉆孔采用負(fù)壓取樣所測的瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和實(shí)驗(yàn)室解吸量相對于壓風(fēng)取樣均較高，其中，負(fù)壓取樣所測的瓦斯損失量相較于壓風(fēng)取樣增加5.8~17.6 倍，現(xiàn)場解吸量相較于增加17.3%~45.7%，實(shí)驗(yàn)室解吸量（殘存瓦斯量） 相較于增加19.1%~24.7%。因此，采用負(fù)壓取樣所測的煤層瓦斯含量相較于壓風(fēng)取樣均明顯增加，如圖6（d） 所示，增加幅度均在45%以上，最大可以達(dá)到80.3%。這是因?yàn)?，平煤一礦煤質(zhì)在瓦斯解吸初期具有較高的瓦斯解吸速度，處于快速解吸階段。當(dāng)采用壓風(fēng)取樣時(shí)，煤屑自煤壁脫落后直至采集完全，煤中瓦斯大多處于快速解吸過程，且取樣過程中容易發(fā)生“混樣”現(xiàn)象，即所取得煤樣中容易混入較多鉆孔沿程煤屑，導(dǎo)致煤樣純度降低。另外，沿程煤屑大多已經(jīng)歷過快速解吸過程后處于緩慢解吸階段。因此，當(dāng)依據(jù)純度較低且大多處于緩慢解吸過程的煤樣顆粒進(jìn)行瓦斯含量測定時(shí)，必然會(huì)造成瓦斯含量測值偏低，測定效果較差。而與之對比的是，當(dāng)采用負(fù)壓取樣方法時(shí)，新鮮煤樣可以快速從鉆孔內(nèi)部運(yùn)移至接樣裝置內(nèi)，可以大幅降低“混樣”現(xiàn)象發(fā)生，從而使瓦斯含量測值大幅提高。

綜上所述，通過負(fù)壓定點(diǎn)取樣對煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，不僅可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)快速取樣，而且有利于提高煤樣純度，提升煤層瓦斯含量測值，保證良好的瓦斯測定效果。

4 結(jié) 論

為了解決松軟煤層定點(diǎn)取樣難、瓦斯含量測值誤差較大，設(shè)計(jì)了負(fù)壓定點(diǎn)取樣試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用可行性和測定結(jié)果可靠性驗(yàn)證。

（1） 負(fù)壓取樣系統(tǒng)現(xiàn)場平均取樣速度為1.32 kg/min，在30 s 內(nèi)所取煤樣量即可滿足煤層瓦斯含量測定所需煤樣量要求，可以實(shí)現(xiàn)快速取樣。

（2） 負(fù)壓取樣系統(tǒng)壓降和系統(tǒng)風(fēng)量是影響負(fù)壓取樣系統(tǒng)工作的主要因素。隨著鉆孔深度的增加，負(fù)壓取樣系統(tǒng)壓降和系統(tǒng)風(fēng)量均逐漸減小。

（3） 相較于壓風(fēng)取樣，采用負(fù)壓取樣得到的煤層瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和實(shí)驗(yàn)室解吸量均明顯增加，煤層瓦斯含量增加幅度在45%以上，最大可以達(dá)到80.3%。

（4） 負(fù)壓取樣方法有利于新鮮煤樣快速從鉆孔內(nèi)部運(yùn)移至接樣裝置內(nèi)，大幅降低“混樣”現(xiàn)象發(fā)生，不僅可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)快速取樣，而且有利于提高煤樣純度和提升煤層瓦斯含量測值。