DGC 型瓦斯含量快速测定技术的应用

赵明强，张鹏冲

(1.晋能集团 一通三防部，山西 太原 030000； 2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

目前，测定瓦斯含量是高瓦斯和突出矿井在瓦斯防治方面必须进行的工作之一，其测定结果不仅是区域预测的主要依据，还是指导矿井抽采设计、判定是否抽采达标的主要依据[1]. 因此，必须保证瓦斯含量测定结果的准确性和可靠性。目前，瓦斯含量测定方法主要有间接法和直接法两种，由于间接法测定工作量大、时间长，在实际煤层瓦斯含量测定中，多数采用直接法。因此，中煤科工集团重庆研究院研制了DGC 型瓦斯含量直接测定装置，以快速准确地得出煤层瓦斯含量。

1 DGC测定瓦斯含量原理及测定步骤

1.1 DGC测定瓦斯含量原理

DGC瓦斯含量快速测定装置快速测定煤层瓦斯含量的原理：通过测量和推算一定质量的煤芯在有限时间内所解吸出的所有瓦斯在标准状况下的体积，得到单位质量煤芯解吸出的瓦斯含量，即为煤层瓦斯含量。该测定装置将煤层的瓦斯含量分为煤样损失瓦斯含量Q1、煤样自然解吸量Q2、煤样粉碎解吸量Q3、煤样残余瓦斯含量Q4四部分，即Q=Q1+Q2+Q3+Q4. 其中，煤样损失瓦斯含量Q1是取煤样过程中损失的瓦斯量；煤样自然解吸量Q2是煤样罐中煤样自然解吸的瓦斯量，包括井下煤样罐中瓦斯自然解吸量和地面实验室自然解吸量两部分；煤样粉碎解吸量Q3是煤样在粉碎过程中的瓦斯解吸量；煤样残余瓦斯含量Q4是在1个大气压下，仍在煤中不能解吸出来的瓦斯量。其中，煤样残余瓦斯含量Q4采用朗格缪尔公式计算得出。

1.2 测定步骤

传统的取样方式是通过取芯钻孔将煤样从煤层钻孔中取出，并及时放入到煤样罐中密封。通过取芯管取样时，钻孔施工到预定取样位置，退出钻杆换上取芯管取样，取到样后退出钻杆。取芯过程复杂且导致煤样暴露时间过长，难以保证煤样取出后5 min内放入煤样罐中。引进深孔定点取样装置后改变了这种现状。

SDQ深孔快速取样装置采用世界先进的航天喷射和多级引射技术，实现不撤钻杆取样，可在5 min内实现煤层100 m或更大范围内任意点的快速定点取样，是目前国内能实现GB/T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》“采样时间小于5 min且定点取样”要求并满足《防治煤与瓦斯突出规定》、《瓦斯抽采达标暂行规定》相关规定的取样装备。

深孔取样是通过深孔取样装置将煤样从煤层中快速取出后迅速放入煤样罐中密封。

深孔定点取样装置的打钻过程与普通打钻过程基本相同，使用压风排渣，当打到所需取样位置时，停止钻进，关闭压风。取下打钻尾辫，换上取样尾辫，再将压风管连上取样尾辫。以低于正常钻进速度进行打钻(根据现场钻进排渣量而定，大约0.5 m/min)，这时压风从钻具的环形空间送到孔底，再把取样钻头切削下来的煤样经钻具内管送到孔口，完成定点煤样的快速采集，经筛分后迅速装入煤样罐。取样时间一般为2 min，可根据需取煤样量适当延长取样时间。

取样后，用井下解吸仪器测量煤样罐中瓦斯解吸量，并以此来计算瓦斯损失量Q21；把煤样罐带到实验室在地面解吸仪上测量从煤样罐中释放出的瓦斯量Q22，计算得到煤样罐中瓦斯解吸量Q2；将煤样罐中的部分煤样经称量系统称重后装入密封的粉碎系统加以粉碎，测量在粉碎过程及粉碎后一段时间所解吸出的瓦斯量(常压下)，并以此计算粉碎瓦斯解吸量Q3；借助水分测定系统、气体成分测定系统和数据计算系统求取可解吸瓦斯含量：瓦斯损失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3[2-3]. DGC瓦斯含量测定流程图见图1.

图1 DGC瓦斯含量测定流程图

2 现场应用

2.1 试验地点概况

试验地点选在阳泉某矿15202工作面，该工作面标高为+944～+1 020 m，地面标高为+944～+1 020 m，埋深305～355 m，工作面走向长1 035 m，倾向180 m，煤层平均厚度5.5 m，倾角7°～12°，煤质为瘦煤。煤层顶板为泥岩和砂质泥岩互层，底板为砂质泥岩。采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤方法，全部垮落法处理采空区。

15202工作面采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施，在工作面的进、回风巷施工顺层钻孔，钻孔孔径为120 mm，进风、回风巷钻孔长度为100 m，中间交叉20 m，钻孔间距为5 m，钻孔封孔深度不小于15 m.

2.2 瓦斯含量直接测定在区域防突措施中的应用

根据《防治煤与瓦斯突出规定》的要求，15202工作面长度为180 m，大于120 m，在回采方向按照每隔30～50 m，沿工作面方向布置两个孔测定残余瓦斯含量进行预抽煤层瓦斯效果检验。15202工作面区域防突措施效果检验测试钻孔布置示意图见图2.

区域效果检验采用DGC装置测定煤层瓦斯含量，将残余瓦斯含量小于8 m3/t作为临界值，对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验。经区域措施效果检验合格后，再经区域验证后方可进行回采作业；经效果检验仍为突出危险区的，必须继续进行或者补充实施区域防突措施，直至效果检验合格。经区域防突措施后，采取“钻屑瓦斯解吸指标法”K1、S值预测工作面与瓦斯突出危险性。15202工作面效果检验及区域验证的部分结果见表1.

从表1可以看出，在统计的8个单元中，瓦斯含量介于5.45～10.31 m3/t，其中超过临界值两次，分别是10.31 m3/t和8.92 m3/t，在采取补充防突措施后，瓦斯含量降到7.22 m3/t和6.54 m3/t.

经过效果检验合格后，在区域验证时瓦斯解吸指标K1值的分布范围在0.17～0.41 mL/(g·min1/2)，钻屑量S分布在2.7～4 kg/m，满足了防突的要求，表明了只要采取合理的区域措施，就能实现工作面的安全生产。

图2 15202工作面区域防突措施效果检验测试钻孔布置示意图

地点残余瓦斯含量/m3/t区域验证K1/mL/g·min1/2S/kg/m补充措施后瓦斯含量/m3/t区域验证K1/mL/g·min1/2S/kg/m单元16.870.313.2单元26.320.363.6单元35.490.222.8单元410.317.220.413.3单元55.450.243.0单元67.430.384.0单元78.926.540.362.8单元85.780.172.7

3 结 论

1) 采用 “DGC+定点取样”的方式解决了传统取样不能满足行业标准要求，取样难度大、测量误差大的问题，能满足《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T 23250-2009)要求。

2) 形成了一套基于“DGC+定点取样”测定瓦斯含量评价工作面突出危险的体系。瓦斯含量小于8 m3/t的区域，进行区域验证时钻屑解吸指标也小于临界值；瓦斯含量大于8 m3/t的区域，进行补充防突措施后，进行区域验证时钻屑解吸指标也降到了临界值以下。矿井采用“DGC+定点取样”装置，严格按照两个“四位一体”措施执行，实现了回采工作面安全回采。