新大地煤矿瓦斯含量定点取样对比试验研究

马正恒

(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)

★ 煤矿安全 ★

新大地煤矿瓦斯含量定点取样对比试验研究

马正恒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)

为提高瓦斯含量测试准确性和可靠性，新大地煤矿引进深孔定点取样装置，在15403工作面回风巷向原始煤体中施工4个取样钻孔进行定点取样对比试验。试验表明，深孔定点取样的瓦斯含量测定结果的准确性和可靠性更高，取样时间符合规定要求，并且整个井下取样过程耗时更短，较之矿井日常采用的孔口接粉及岩芯管取样具有明显优势。

瓦斯含量 深孔定点取样 岩芯管取样 取样时间 损失量修正模型

随着矿井开采深度的增加，采掘过程中瓦斯动力现象持续增加，瓦斯灾害已成为制约矿井高产高效的主要因素。为了在瓦斯防治中避免盲目性治理，需要准确把握煤层中瓦斯赋存的基本情况。煤层瓦斯含量是煤层瓦斯基本参数之一，是矿井煤层气资源评价、瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采设计、突出危险性区域预测、区域防突措施效果检验及瓦斯地质图编制的基础数据，是矿井日常瓦斯预测及防治最主要、最常用参数。快速准确地测定煤层瓦斯含量对重大瓦斯灾害预测及防治、保障煤矿安全生产具有极其重要的意义。

新大地煤矿主采15#煤层，近年来瓦斯问题成为制约其生产的关键因素，瓦斯含量为矿井日常预测预报及校检的主要指标。国家标准《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T23250-2009)要求定点采集煤样，并且取样过程不超过5 min。新大地煤矿日常采用孔口接粉及岩芯管取芯的方式取样测试瓦斯含量。孔口接粉取样无法对取样位置做出准确标定，并且受孔壁残粉影响大；岩芯管取样可以做到定点取样，但取样时间长。

2015年6月，重庆煤科院、阳煤晋东公司、新大地煤矿技术人员在15403回风巷道分别采用深孔定点取样装置与矿用岩芯管进行对比取样试验，取得了良好的效果。

1 试验区域概况

15403回风巷位于矿井东北部四采区，东南部为东翼胶带巷，东北部为15402进风巷(未掘)，西南部为15403内错尾巷。回风巷道设计长度为1271 m，净宽为5 m，净高为3 m，净断面积为15 m2，煤层平均厚度5.31 m。15403回风巷于2013年7月沿15#煤层底板掘进施工，至680 m处时，由于巷道的软分层位于煤层顶板下方2 m处，如继续沿15#煤层底板掘进，不利于瓦斯抽放，顶板管理难度增大，因此，改为沿15#煤层顶板掘进，在顶板上方留设1.2 m托顶煤。截至试验开始前，15403回风巷已基本施工完毕。

2 测试方法及装备

2.1 煤层瓦斯含量组成

煤层瓦斯含量由4部分组成，即：

W=W1+W2+W3+Wc

式中：W——煤层瓦斯含量；

W1——指定取样点处煤样从脱离煤体到放入煤样罐期间所释放的瓦斯量，是取样过程中损失的瓦斯量，根据煤样在井下解吸情况，通过煤样瓦斯解吸规律来推断其值；

W2——煤样进入煤样罐后至粉碎前所释放的瓦斯总量，包含井下现场解吸量及煤样粉碎前实验室解吸瓦斯量两部分；

W3——煤样在粉碎机中粉碎到95%的煤样粒度小于0.25 mm的过程中所释放的瓦斯量；

Wc——常压不可解吸瓦斯量，即残存量(常压状态下，粉碎解吸后仍残存在煤样中不可解吸的瓦斯量，是与煤层特性有关的固定值)。

2.2 深孔定点取样装置

深孔定点取样装置由双壁钻杆、双通道水尾、喷射取样钻头组成。双壁钻杆内设计了2个通道，即内管与环形空间；喷射取样钻头融合了环形喷射技术和正循环钻进技术，在气体流道优化的基础上将喷射器内置于钻头内部。正常钻进时双壁钻杆内管与环形空间同时进风排渣；取样时采用反循环钻进原理，即压风由双壁钻杆环形空间进入，把旋风喷射取样钻头切削的煤样沿双壁钻杆内管正压吹出，实现快速取样。取样装置如图1所示。

图1 深孔定点取样装置

3 瓦斯含量测试关键影响因素分析

瓦斯含量测试过程中导致测试数值与实际值出现较大偏差一般为W1值。W1值的影响因素主要有两个方面：一是暴露时间(即煤样从脱离煤体开始到放入煤样罐的时间)与煤样粒径的关系；二是解吸特征与煤样粒径的关系。取样时间越短，根据煤层瓦斯解吸曲线所推断出的W1值越准确；在同等粒径下，不同解吸特性的煤样的解吸规律不尽相同。

因此，尽可能缩短取样时间，建立适合特定煤层的损失量(W1值)修正模型，可提高瓦斯含量测定准确度。

4 两种取样方式测试过程及相关参数对比分析

4.1 两种取样方式过程及相关参数

在15403回风巷道左侧原始煤体中施工4个取样钻孔，2#钻孔未达取样深度遇矸，1#、3#、4#钻孔取样成功，其中在1#钻孔30 m处、4#钻孔30 m、45 m处采用深孔定点取样装置取样，3#钻孔30 m、45 m处采用岩芯管取样。1#钻孔深45 m，距回风巷掘进头133 m；3#钻孔深45 m，距回风巷掘进头80 m；4#钻孔深45 m，距回风巷掘进头87 m。测试钻孔布置示意图如图2所示，钻孔技术参数见表1，测试结果见表2。

图2 测试钻孔布置示意图

表1 钻孔技术参数表

表2 测试结果对比表

4.2 测试结果分析

4.2.1 W1值测试过程

根据煤样井下瓦斯解吸量及解吸时间，依据解吸规律进行W1值计算。此过程在DGC内置软件内直接完成测试输出。

深孔定点取样装置取样与岩芯管取样在W1测试方面有较大偏差。深孔定点取样装置所取的100011、5000、5001号煤样取样时间分别为3 min、2 min、1 min，满足《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T23250-2009)中关于“煤样从暴露到被装入煤样罐密封的时间不应超过5 min”的要求，根据损失量修正模型推算的值更加可靠。

岩芯管所取5004、5005号煤样取样时间分别为23 min、39 min。取样时间过长，导致样品失真，根据解吸规律推断的W1值存在明显误差。

4.2.2 W2值测试过程

(1)深孔定点取样装置具体施工流程为：钻进至取样位置，卸下打钻尾辫换上取样尾辫，接压风，待孔口返风后钻进取样；取样结束后卸下取样尾辫换上打钻尾辫，接压风正常钻进。

取样结束后，将取样罐通过胶管与DGC井下解吸装置连接，打开煤样罐阀门，井下进行煤样瓦斯解吸量及解吸时间记录，记录时间为30 min，每分钟读取液面刻度一次，直至30 min结束。井下解吸结束后解吸仪读数终值与初始刻度读数之差即为井下瓦斯解吸量。

解吸完毕后关闭煤样罐阀门，带入实验室进行地面解吸。

井下解吸释放的瓦斯量与地面常压解吸释放的瓦斯量相加即为W2。

(2)岩芯管取样具体施工流程为：首先钻孔施工到取样点，退杆后加上取芯管，再次推进到取样位置取样，退杆将煤样取至煤样罐中。取样结束后操作与深孔定点取样相同。

深孔定点取样装置实际取样过程中均在3 min以内，岩芯管取样单个取样时间从30～40 min不等，远超规定要求时间，导致煤样瓦斯长时间释放，井下瓦斯解吸量偏小。

对比3#钻孔和4#钻孔取样过程，同等条件下30 m、45 m处取样，深孔定点取样装置整个井下取样过程耗时150 min，岩芯管取样耗时274 min。

从对深孔定点取样装置取得的3组煤样测定结果分析，100011、5000号煤样取样点在正常煤层中，所测得的结果比较符合矿井实际情况；而5001号煤样在取样时间为1 min的情况下，井下解吸量为2380 ml，而其他测试样品最大解吸量为1690 ml，煤样从脱离煤体到进入煤样罐的过程中所释放的瓦斯量(即损失量)比较大，从而推断5001号取样点可能出现在15#煤层的软分层中，导致损失量无法准确标定，在未建立相应的损失量补偿模型和推算方法的情况下，导致测定结果与15#煤层真实瓦斯含量存在一定程度上的偏差。

4.2.3 W3值测试过程

称取煤样总重后，称取两次100 g的煤样进行常压下粉碎解吸，常压粉碎解吸所释放的瓦斯量即为W3。

深孔定点取样与岩芯管取样在此一过程基本无差别。

4.2.4 Wc测试过程

Wc值为残存瓦斯量，通过矿井煤层特征参数计算所得，两种取样方式无明显差别。

5 结论与存在的问题

(1)从本次试验取样过程及测试结果来看，深孔定点取样装置测得的结果比较符合矿井真实情况，所得数据在误差范围内客观有效。新大地煤矿日常采用的孔口接粉及岩芯管取样存在明显不足。

(2)深孔定点取样装置取样时间均小于5 min，符合规定要求，并且能做到不用退杆在同一钻孔不同位置多次取样，整个井下取样过程耗时相对较少。

(3) 针对15#煤层存在软分层的现象，应有针对性的建立损失量补偿模型和推算方法，最大限度地提高瓦斯含量测定的准确度。

(4)深孔定点取样装置在取样深度加大及穿层孔、钻孔施工过程中遇构造等条件下取样钻杆适应性有待考察。

(5)新大地煤矿下一步应研究瓦斯含量直接测定技术的操作规范，编制矿区瓦斯含量直接测定作业指导书和操作标准。对取样测试人员进行培训，以便使其熟悉瓦斯含量测定原理，熟练掌握井下取样、地面测试流程及注意事项，提高取样效率及准确性。

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(责任编辑 张艳华)

Gascontentfixed-pointsamplingexperimentresearchatXindadiMine

Ma Zhengheng1，2

(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Shapingba, Chongqing 400037, China;2. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China)

To improve the test accuracy and reliability of gas content, Xindadi Mine introduced deep hole fixed-point sampling device and drilled 4 sampling boreholes to the raw coal to undertake fixed-point sampling comparison test. The results showed that comparing with orifice powder and rock core tube sampling, deep hole fixed-point sampling had higher accuracy and reliability, its sampling time met the requirements of the regulations, and the entire underground sampling process took shorter time, which means it had obvious advantages.

gas content, deep hole fixed-point sampling, rock core tube sampling, sampling time, loss correction model

国家油气重大专项资助项目(2016ZX05043005-001)，国家自然科学基金资助项目(51304237)

马正恒. 新大地煤矿瓦斯含量定点取样对比试验研究[J].中国煤炭，2017,43(8)：144-147. Ma Zhengheng . Gas content fixed-point sampling experiment research at Xindadi Mine[J]. China Coal, 2017，43(8):144-147.

TD712

A

马正恒(1984-)，男，陕西咸阳人，助理研究员，硕士，主要从事瓦斯灾害防治、瓦斯地质方面的研究工作。