钻孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸规律

罗新荣, 杨 欢, 李梦坤, 丁 振

(中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

钻孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸规律

罗新荣, 杨 欢, 李梦坤, 丁 振

(中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

为探讨钻孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸规律，采用压风排渣取样测定煤屑解吸瓦斯量，方法简单快速，减少了瓦斯损失量。钻孔煤屑解吸瓦斯规律在120 min内符合对数方程。对单个煤样和多个煤样瓦斯含量测定结果进行误差分析与不确定度评定。结果表明：钻孔煤样的瓦斯含量测定相对误差仅为1.27%；统计数据为基础的煤层瓦斯含量测定的相对误差仅为1.34%，扩展相对不确定度为2.33%，符合工程实践要求。该研究为煤层瓦斯含量测定结果的可靠性提供了理论依据。

钻孔煤屑； 瓦斯含量； 水分； 解吸规律； 误差

0 引 言

原始植物含有大量的水分，在成煤过程中，也会生成大量的水分，因而，煤、瓦斯、水共存构成固-气-液三相耦合状态。

煤是一种孔隙发育的复杂多孔介质，水分子进入到煤的孔隙-裂隙通道中会填充部分吸附体积及堵塞瓦斯输运通道，从而降低煤的吸附/解吸能力。Joubert等[1]通过实验研究发现，当水分含量超过一个临界值时，煤对甲烷的吸附量不再因为水分的增加而受影响。张庆玲[2]的研究得出一般情况下煤体内部水分的临界值为2%。郭淑敏等[3]研究瓦斯解吸指标的测定，得到水分含量的临界值为2.35%。

国内外学者对煤-瓦斯的解耦合规律进行了大量的实验和理论研究，提出一系列经验公式，包括巴雷尔式、乌斯基诺夫式、文特式、王佑安式、指数式等。R.M.Barrer[4]基于天然沸石对各种气体的吸附过程进行测定,气体累计吸附量和解吸量与时间的平方根成正比。

我国现行的国家标准GB/T23250—2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》[14]推算瓦斯损失量时，选用巴雷尔式和乌斯基诺夫式，AQ/T1065—2008《钻屑瓦斯解吸指标测定方法》[15]选用的也是巴雷尔式，但当被测煤层破坏强烈时，计算得到的漏失瓦斯量与实际值误差较大[16-17]。在众多研究基础上，笔者探讨了钻孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸规律。

1 实验材料与方法

1.1 煤样采集

经实验研究[18-19]，风力排渣采样法进行解吸直接测定煤层瓦斯含量的方法简便易行。文中实验采样方法采用井下钻孔风力排渣法，直接在钻孔出口处接取煤样，将钻孔排出的煤屑迅速装满事先准备好的煤样罐，洁净煤样罐口后迅速密封煤样罐。采样前后煤样罐两次称重之差即为采集煤样的重量。同时，记录采样时间、地点、采集煤样的开始及结束时间，并对样品编号。

1.2 井下和地面自然解吸瓦斯量测定

井下和地面自然解吸瓦斯量测定都采用排水集气称重法，瓦斯解吸量测定装置与煤样罐连接见图1。使用的电子天平规格为：感量0.1g，量程不小于6 000g，精度优于0.5g；水量罐规格：有效体积不小于1 000cm3。该方法所测解吸瓦斯含量具有数字显示精度高、直观方便的优点。

图1 称重法测量煤样解吸瓦斯量测定装置

Fig. 1Measurementdeviceofcoalsampledesorptiongasflowbyweighingmethod

1.3 粉碎煤样解吸瓦斯量测定

采用排水集气法测定解吸瓦斯量。粉碎煤样解吸量测定实验装置见图2。

当煤样罐的出气量小于 1 g/min 时，打开煤样罐盖，取出煤样 200 g 称重(精确到 0.1 g )，装入粉碎机的容器内。将容器放在粉碎机上，盖上粉碎机的盖子，并拧紧压盖。将粉碎机容器上的出气孔用尼龙胶管与水量筒的进气孔连接好。记录电子天平初始读数并置0。启动粉碎机(3～5 min)和秒表，每隔5 min记录电子天平读数及测定时间，连续观测直至解吸速度为0 (g/min)。将观测结果填写到记录表中，得到煤样粉碎后解吸瓦斯量Q3，单位煤重的粉碎后解吸瓦斯量X3=Q3/200。同时记录大气压力、水温及室温。

天然的吸附材料来源广泛，但会有吸附率低、吸附中药材里有效成分的缺点，可以针对这两点为参照对材料进行结构修饰后，增大其吸附量。使其不仅能应用于水体中重金属的脱除，还能对中药水提液的重金属离子达到理想的吸附效果。

图2 煤样粉碎解吸量测定实验系统

Fig. 2 Measurement experiment system of coal samples crushed desorption

1.4 瓦斯解吸指标的测定

关于煤的孔隙分类，可采用煤-瓦斯-水体系的孔隙分级方法[20]，将煤中孔隙分为吸附容积、渗透容积，见表1。Washburn公式为

r=-2γcosθ/p,

(1)

式中：r——孔半径，nm；γ——表面张力，N/m；θ——接触角，(°)；p——压力，Pa。

表1 煤-瓦斯-水体系的孔隙分级与特征

Table 1 Pore classification and characteristics of coal-gas-water

孔隙分级孔隙分类r/nm瓦斯储运特征一级吸附容积微孔 ≤10 吸附与扩散 小孔 >10～100 毛细凝结与扩散 二级渗透容积中孔 >100～1000分子滑流层流渗透大孔 >103～105 剧烈层流渗透 可见裂隙>105 层流与紊流渗透

根据式(1)计算得到水能进入煤样的最小孔隙尺度，见表2。

煤样在0.10 MPa常压自然吸水的条件下，水只能进入大孔1 436 nm以上的空隙内，对吸附容积没有影响。在8.00 MPa的注水压力下，水能进入煤样的最小孔隙直径大小也仅为17.82 nm，处于小孔容积的范围，会对瓦斯毛细凝结与扩散产生影响。

表2 水能进入到煤样的最小孔径

Table 2 Minimum pore size of water entering coal sample

注水类型r/nmθ=120°θ=150°0.10MPa自然吸水1435.972487.110.74MPa注水压力192.69333.746.25MPa注水压力22.8139.518.00MPa注水压力17.8230.87

2 实验结果

(2)

式中：Q——t时刻的实际瓦斯解吸总量，cm3；Qt——t时刻的井下瓦斯测定解吸总量，cm3；Q0——井下损失瓦斯总量，cm3；q——瓦斯涌出速度，cm3/min;q0——瓦斯涌出初速度，cm3/min;t——瓦斯解吸时间，t=t0+t1，min；t0——解吸损失时间，min；t1——解吸测定时间，min。

丁集煤矿1432(1)运顺迎头-900 m 11煤层2#钻孔煤样解吸瓦斯典型实测数据见表3，其中实验用煤质量1 548 g，所有数据为单位质量煤样瓦斯解吸量。通过Excel进行数据处理，见图3。

表3 煤样解吸瓦斯数据

Table 3 Desorption gas data

cm3/g

注：井下解吸量不含损失瓦斯量。

图3 丁集矿-900 m 11煤层2#钻孔煤样解吸瓦斯曲线

Fig. 3 Regression curves of desorption gas of 2#drilling in Dingji mine -900 m 11 coal seam

3 讨论与分析

3.1 解吸经验公式的对比

根据表3的典型数据，分别进行测量时间为10、30、60 min的各经验公式回归分析，得到解吸初速度值和相关系数，见表4；单位质量煤样损失瓦斯量(X0)，见表5。其中，相关系数R2为描述拟合效果优劣的指标，R2越接近1，表明拟合效果越好。

通过对表4、5中井下不同时间段煤样解吸数据的回归系数进行统计，分析各经验公式在描述各煤样在空气介质中煤的瓦斯解吸过程的相关系数大小。由表4、5可以看出，对数式在描述煤瓦斯解吸过程中其相关系数远远大于巴雷尔式、文特式、乌斯基诺夫式、王估安式及指数式的相关系数值，对数式各阶段描述现场解吸数据拟合程度都很高，且随时间变化不大，可见对数式描述煤样解吸规律更准确可靠。

表4 丁集1432(1)运顺迎头11煤层解吸数据经验公式回归分析

Table 4 Regression analysis results of Dingji 1432 (1) 11 transport along head-on coal sample under different periods desorption data

公式名称回归公式形式前10min前30min前60min回归系数相关系数回归系数相关系数回归系数相关系数对数式Qt=q0ln(t+1)q0=0.17070.9994q0=0.17610.9996q0=0.18170.9992巴雷尔式Qt=ktk=0.09230.9966k=0.07670.9949k=0.06900.9923文特式Qt=V11-Ktt1-ktV1=0.1234kt=0.91110.8922V1=0.1054kt=0.84970.9682V1=0.1067kt=0.85310.9703乌斯基诺夫式Qt=V0((1+t)1-n-11-n)V0=0.1628n=0.99010.8885V0=0.1281n=0.89890.9670V0=0.0272n=0.50260.9391王佑安式Qt=ABt1+BtA=0.6752B=0.07060.8575A=0.7321B=0.03830.9483A=0.7717B=0.02910.9444指数式Qt=V0b(1+e-bt)V0=0.0327b=0.07620.8404V0=0.0209b=0.04250.9190V0=0.0168b=0.03150.9186

表5 多煤样的对数式回归分析

3.2 误差与不确定度

根据误差与测量不确定度理论[21]，计算得出丁集煤矿-900 m 11煤层2#钻孔煤样可解吸瓦斯测定的扩展不确定度估计值0.039 cm3/g，相对扩展不确定度0.97%。结合顾桥矿、丁集矿大量煤层瓦斯含量实测数据，对比分析误差列于表6和表7。表7中Qz为井下自然解吸瓦斯量；V为各阶段气体体积；v为各阶段质量体积；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示损失瓦斯量阶段、井下解吸瓦斯量阶段、粉碎前及粉碎后地面瓦斯解析量阶段。

表6 1432(1)煤层瓦斯含量测量数据

表7 单个煤样和多个煤样误差和不确定度的比较

Table 7 Comparison of error and uncertainty of single coal sample and multiple coal samples

误差来源单个煤样多个煤样误差不确定度误差不确定度Qz/cm31.8431.0388.1294.690t0/min0.5000.2890.5000.289Q0/cm35.4873.18319.59011.325 V/cm3Ⅰ 5.86311.32519.27911.378Ⅱ 3.7049.13810.8105.536Ⅲ 4.3423.53711.8126.555Ⅳ 8.9705.63010.1665.279v/cm3·g-1Ⅰ 0.00410.00810.00810.0079Ⅱ 0.00260.00750.00450.0033Ⅲ 0.00300.00190.00490.0057Ⅳ 0.04500.05800.05170.0460合成误差0.04500.05900.05280.0917相对误差/%1.273.821.342.33

由表7可见，钻孔煤样的瓦斯含量测定相对误差仅为1.27%；统计数据为基础的煤层瓦斯含量测定的相对误差仅为1.34%，扩展相对不确定度为2.33%，符合工程实践要求。

4 结束语

在原始煤储层条件下，煤-瓦斯-水三相共存构成固-气-液三相耦合状态。为探讨钻孔煤屑-瓦斯-水耦合的解吸规律，采用压风排渣取样测定煤屑解吸瓦斯量。该方法简单快速，减少了瓦斯损失量。钻孔煤屑解吸瓦斯规律在120 min内符合对数方程。对单个煤样和多个煤样瓦斯含量测定结果进行误差分析与不确定度评定，结果显示钻孔煤样的瓦斯含量测定相对误差仅为1.27%；统计数据为基础的煤层瓦斯含量测定的相对误差仅为1.34%，扩展相对不确定度为2.33%，符合工程实践要求。该研究为煤层瓦斯含量测定结果可靠性提供了理论依据。

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(编辑 晁晓筠 校对 荀海鑫)

Desorption law behind drilling coal-gas-moisture coupling

LuoXinrong,YangHuan,LiMengkun,DingZhen

(School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper introduces desorption law behind drilling coal-gas-moisture coupling. The determination of drillings desorption gas volume, using pressure air slagging method is a simple and rapid method reducing the amount of gas loss. The coupling trend of the coal-gas-moisture complies with the logarithmic equation within 120 minutes. The study involves error analysis and uncertainty evaluation of single coal sample and plurality. The results demonstrate that the relative error of gas content of coal sample is only 1.27%; the relative error of gas content of coal sample based on statistical data is only 1.34%;and the relative expanded uncertainty of the measuring error of the total gas desorption amount is 2.33%, adequate for the requirements of engineering practice. The research could provide a theoretical basis for the reliability of coal gas content determination.

drillings; gas content; moisture; desorption law; errors

2017-04-10

国家自然科学基金项目(U1361102)

罗新荣(1957-)，男，江西省樟树人，教授，博士生导师，研究方向：矿井瓦斯防治理论与技术，E-mail:aq204@cumt.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.004

TD712

2095-7262(2017)05-0462-06

A