取样过程中风流对煤样瓦斯解吸规律影响的探讨分析

吕伟伟隆清明晁建伟

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037）

取样过程中风流对煤样瓦斯解吸规律影响的探讨分析

吕伟伟1，2隆清明1，2晁建伟1，2

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037）

为考察取样过程中风流对煤样瓦斯解吸规律的影响，理论分析并实测了取样时钻机进风流参数，并对影响煤样解析规律的因素进行了理论分析。通过试验研究风流吹扫与自然暴露情况下煤样瓦斯解吸规律，验证了取样过程中风流对煤样瓦斯解吸规律的影响可以忽略，为煤层瓦斯含量损失量推算提供理论支撑。

煤样瓦斯 取样 影响因素 风流 试验 解吸规律

瓦斯含量属于煤层瓦斯基本参数，它是矿井进行瓦斯灾害防治的基础，因此准确测定煤层瓦斯含量至关重要。目前瓦斯含量测定普遍使用的方法为间接法和直接法两种，间接法需要测定煤层瓦斯压力，不利于煤层瓦斯含量快速测定，现场多采用直接法进行测定。取煤样是煤层瓦斯含量直接测定工作的基础，当前多采用风排钻孔煤屑孔口接粉取样及压风引射取样，考察取样过程中风流对煤屑瓦斯解吸规律的影响是进行瓦斯含量损失量推算的基础，对煤层瓦斯含量准确测定有一定的指导意义。

1　取样时钻机进风流参数确定

由流体力学相关理论可知，在流体介质中粒子由静止状态开始匀速运动时的速度称为粒子的沉降速度，粒子的物料性质和粒径影响着粒子沉降速度的大小。取样过程中，对于钻孔内单个煤样钻屑颗粒，当风流的速度大于煤样颗粒的沉降速度时，煤样刚好能被风流吹动；同时，根据气力输送理论，取样过程中还要保证排渣量与产渣量的平衡，保障钻孔不出现堵塞。因此，这就要保证有源源不断的气体为取样提供动力，以保证取样设备能够顺利运转。

1.1 取样过程中排渣的最小风速

对于一定粒径的煤样颗粒，使其吹出孔外的风流速度在克服煤样颗粒与孔壁或者钻杆内管之间的摩擦以及因钻孔倾斜所形成的位能前提下，应该达到最小沉降速度；煤样颗粒为粗粒子，其等速沉降时流体介质（空气）相对于粒子的雷诺数Ret＞500，在此条件下煤样颗粒的沉降速度适用于牛顿阻力定律：

式中：ut——与粒径等有关的颗粒的沉降速度，m/s；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

ρs——煤样的密度，取1450 kg/m3；

ρa——空气的密度，取1.29 kg/m3；

ds——煤样颗粒的平均粒径，取0.005 m。

将相关数据代入式（1）可得ut=12.91 m/s。

根据相关理论，考虑到与钻杆内管的摩擦及克服位能等因素，排出钻屑颗粒的最小风流速度为：

式中：ua——煤样颗粒的最小风流速度，m/s；

ζs——煤样颗粒与钻杆内管间的摩擦系数，取1；

θ——钻孔的倾角，仰孔取负值，下向孔取正值，此处取值θ=12°。

将相关数据代入式（2）可得ua=14.06 m/s。

ua只表示煤样颗粒能滑动时的临界风流速度。实际取样过程中孔内连续不断地产生大量的煤样颗粒，其间的相互阻碍作用有可能导致阻塞。为保证钻杆内管的煤样颗粒不产生阻塞，其风流速度还应满足以下条件：

式中：u——实际风流速度，取孔口处的风速值，m/s；

ub——满足不阻塞条件的最小风速，m/s；

ws——产渣量，取0.17 kg/s。

将相关数据带入式（3）得ub=13.92 m/s。

因此，保证最小排渣的风速u应取ua、ub的最大值u=max｛ua，ub｝才能满足排渣的基本要求，带入数据可得出最小排渣的风速u=14.06 m/s。

1.2 钻机风压管进风量及其静压实测

要将钻进过程中产生的钻屑排出，需提供足够的风量，排渣所需的最小风量可以计算出来，但压风在钻机内部产生的风阻和打钻过程中产生的漏风是无法准确确定的。因此必须要确定钻机风压管进风量来保证钻井正常取样排渣的需要。本次实测选择在演马庄矿27131工作面（下段）回风巷进行。

此次测定钻机进风管进风风量及其静压采用专用流量计进行。测试示意图如图1所示。

图1　风压测定示意图

因此，可确定演马庄矿正常钻进取样时的合理风量为3.82 m3/min，静压P2为0.5 MPa。

2　风流对煤样解吸规律影响的理论分析

2.1 影响煤样解吸规律的因素分析

煤是同时存在微裂隙和孔隙的双重介质，瓦斯在煤层中以吸附状态及游离状态的形式同时存在，在较大的孔隙中瓦斯运移符合达西渗透规律，在微裂隙中瓦斯以菲克扩散的形式流动。根据相关理论及研究成果，影响煤样解吸规律的主要因素如下：

（1）煤样中的水分。煤中裂隙及孔隙的存在提供了水分流动的通道，同时裂隙中水分的存在能湿润煤体，产生湿润界面能，阻隔了煤中吸附状态的瓦斯，增大了瓦斯流动的阻力，降低了煤体的渗透性，阻碍瓦斯解吸运动。

（2）煤样的粒径。根据试验研究，同样条件下煤样瓦斯解吸能力受煤样粒度影响较大，煤样解吸量随着煤样粒径的增加而减小，但影响煤样解吸的粒径存在极限粒径，大于极限影响粒度后，影响变弱。

（3）煤样的结构及特性。煤中裂隙及孔隙发育程度较高时，瓦斯解吸流动通道增加，煤样的解吸能力提高，瓦斯解吸量增大。煤的吸附常数及温度也能影响煤样瓦斯解吸能力。

（4）煤样的取样时间及平衡吸附压力。由达西渗透及菲克扩散理论可知，瓦斯解吸量受吸附平衡压力的影响，吸附平衡压力较大时煤样瓦斯解吸量越大；同时随着取样解吸时间增加，煤样瓦斯解吸量增大，直至极限解吸量。

2.2 取样过程中风流对煤样解吸规律影响

采用风排煤屑取样过程中，风流提供了煤屑运动的动力，使煤屑从钻孔底部向孔口运移，此过程中采用的是正压风流且风流速度较快（大于14.06 m/s），对煤样吸附平衡压力、煤层温度及水分的影响可忽略；取样过程中风流并不能改变所取煤样的粒度及构造特征，取样时间只是增加了煤样的解吸时间，且风排煤屑取样时间符合GB/ T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》要求（取样时间不大于5 min），并不影响瓦斯含量损失量的推算，因此可得出取样过程中风流对煤样瓦斯解吸规律的影响可忽略不计。

3　试验研究

3.1 试验方案

为考察在取样过程中风流对煤屑瓦斯解吸规律的影响，模拟井下取样过程钻杆中风流对含瓦斯煤的吹扫作用。先将煤样以不同形式包裹（铜网、锡箔纸）置于同一个PCT的煤样池中吸附平衡，只将吸附平衡的铜网煤样放置在风流中吹扫，两者同样的暴露相同时间后开始解吸并对比两者解吸规律的差别。

3.2 对比试验

将所取煤样分两份并称取相同的重量（1～3 mm粒径煤屑），分别用铜网、锡箔纸包裹后放置于同一个PCT的煤样池中吸附平衡，通过多阀门开关及流量计校准。参考取样过程中实测风流参数，设定气体流量为3.86 m3/min，吸附瓦斯平衡后取出煤样，设定吹扫时间为10 s和20 s，暴露时间为1 min和3 min，将在风流中暴露和正常暴露大气压的煤样分别置于煤样杯中开始试验测定，测定过程中统计不同时间煤样瓦斯解吸量。根据统计数据，以解吸时间为横轴、解吸量为纵轴，绘制两种方式瓦斯解吸规律对比曲线，如图2所示。

3.3 试验结果分析

由图2（a）中可以看出，经过风流吹扫20 s、暴露3 min与未经过吹扫的煤样暴露3 min后的瓦斯解吸曲线基本吻合；由图2（b）中可以看出，经过风流吹扫10 s、暴露1 min与未经过吹扫的煤样暴露1 min后的瓦斯解吸曲线基本一致，即煤层瓦斯含量测定风排煤屑取样过程中的风流对煤样瓦斯解吸规律产生的影响可以忽略不计。

图2　煤样瓦斯解吸规律对比（有风流与无风流对比）

4　结论

（1）理论分析并实测了取样时钻机进风流参数，正常钻进取样时的合理风量为3.82 m3/min，静压为0.5 MPa，风流速度应大于14.06 m/s，可为类似的取样作业提供借鉴。

（2）对影响煤样解吸规律的因素进行了分析，得出了主要的影响因素为煤样水分、煤样粒径、煤的构造及特性、煤样的解吸时间及吸附平衡压力等；理论分析得出了取样过程中风流对煤样解吸规律的影响可以忽略。

（3）通过试验研究验证了风排煤屑取样过程中风流对煤样解吸规律的影响可以忽略，为瓦斯含量损失量推算提供了理论指导。

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（责任编辑 张艳华）

Discussion and analysis of the influence of air flow on gas desorption law of coal samples in sampling preparation process

Lv Weiwei1，2，Long Qingming1，2，Chao Jianwei1，2
（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Shapingba，Chongqing 400037，China；2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Shapingba，Chongqing 400037，China）

To investigate the influence of air flow on gas desorption law of coal samples in sampling preparation process，this paper analyzed theoretically and measured air flow parameters of drilling machine during sampling and analyzed the influential factors of gas desorption law of coal samples.By studying different gas desorption laws of coal samples under air purging and natural exposure，it was verified that the influence of air flow on gas desorption law of coal samples in sampling preparation process could be ignorable，which provides theoretical support for predicting gas content in coal seams.

coal sample gas，sampling，influential factors，air flow，experiment，desorption law

TD712.3

A

吕伟伟（1988-），男，陕西商洛人，硕士，从事矿山压力及其控制和煤矿瓦斯灾害防治技术的研究工作。