直接法测定煤层瓦斯含量影响因素分析及对策

张楼生ZHANG Lou-sheng

（平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司，淮南232001）

0 引言

《防治煤与瓦斯突出细则》规定，煤层瓦斯含量是煤层区域突出危险性预测、突出煤层和突出矿井鉴定、区域防突措施效果检验等工作的重要指标，准确测定煤层瓦斯含量，为煤与瓦斯突出防治、煤矿瓦斯治理工作提供数据支持，具有非常重要的作用。

1 煤层瓦斯含量直接测定方法的工作原理

瓦斯在煤层中的赋存状态是以吸附和游离状态存在，当开始取样时，瓦斯在煤层中的原来平衡状态遭到了破坏，瓦斯开始解吸，直到达到新的平衡状态。煤层瓦斯含量直接测定方法就是通过测定煤层瓦斯的井下自然解吸瓦斯量、粉碎前自然解吸瓦斯量、粉碎后脱气瓦斯量、残存瓦斯含量，然后推算损失瓦斯量，将这些瓦斯量相加即得到瓦斯含量。

2 煤层瓦斯含量直接测定方法的主要操作方法及注意事项

2.1 井下现场解吸

①井下解吸系统包括井下解吸仪、煤样罐、矿用大气压力表、温度计、秒表、机械表、连接胶管及扳手。下井前要仔细准备并反复检查上述携带物品，保证无遗漏且完好。

②井下钻孔取样时，首先确定取样钻孔倾角、方位、钻头直径、开孔高度及钻机型号并做好相关记录。取样采用定点取样法。当钻机带动钻杆钻到预定深度时，停止钻机，记录下此时的时间为打钻结束时间，例如需要测量61m 深度煤层的瓦斯含量，当打钻到60m 时，停止钻机，记录下此时的时间便是打钻结束时间；随后开启钻机继续进尺，同时记录下此时时间作为取样开始时间，将孔底切削下来的新鲜煤样通过专用定点取样装置快速取出孔外，然后利用袋子或其它容器在钻孔出口处收集煤样。待收集满后，记录下此时的时间作为取样结束时间，取样工作结束。在预先准备好的记录表上记录下取样位置、取样位置埋深、取样人员、钻机及钻头型号、开孔时间及位置、开孔高度、开孔倾角及方位角、煤样粒度大小、煤层厚度、取样深度、打钻结束时间、取样开始时间、取样结束时间、开始解吸时间。

③井下解吸仪时（见图1），首先要检查气密性，先将井下现场解吸仪底部密封塞打开，通过解吸仪底部向解吸仪注水，到适当位置后，放入密封垫圈，拧紧密封塞。将井下解吸仪零刻度朝上放置，观察解吸仪里面水面是否下降，是否有气泡，如果不下降且没有气泡产生说明密封性良好，如果液面下降，就要检查并拧紧密封塞。

④井下解吸装置连接图如图1 所示。

图1 井下解吸装置连接示意图

⑤将所取煤样进行适当筛选，选取颗粒较完整，总质量大于500g 的煤样立即装入煤样罐，安装好密封圈，盖紧煤样罐，快速把煤样罐出气嘴连接到乳胶管的一端，记录下此时时间作为井下开始解吸时间。

⑥在将煤样罐与井下解吸仪连接之前，要先读取液面初值刻度，并记录在事先准备好的表格里面。连接煤样罐，在连接瞬间，待气体涌出后，打开秒表开始计时，然后每一分钟读取一次解吸仪液面刻度值，直至30min 结束；如果解吸量比较小，到不了30min，可以在一分钟内瓦斯解吸量少于2ml 时结束。如果解吸过程中解吸瓦斯体积达到井下解吸仪最大量程的85%时，应立即关闭煤样罐阀门，重新给井下解吸仪灌水后再开启煤样罐阀门，然后继续解吸，并将换水时间内的累加解吸量平均分配到换水时间上。解吸30min 后解吸仪读数与初始刻度读数之差即为井下瓦斯解吸量。待升井后，将记录的数据输入到软件里，软件会利用井下瓦斯解吸量与时间的关系，推算出煤样暴露时间的瓦斯损失量。

⑦解吸完毕后关闭煤样罐阀门，检查煤样罐气密性，如果漏气，煤样作废；如果不漏气就放置一旁，等待升井的时侯一同带到地面实验室。如果有多个煤样，就重复采样与井下解吸操作步骤，全部取样完成后收好工具升井。在升井或地面运输过程中严禁煤样罐相互撞击，以免罐盖或阀门松动漏气。

⑧注意事项：尽可能地减少取样时间；如实记录打钻过程中的喷孔、顶钻、排屑等情况。井下解吸系统操作过程中一定要检查煤样罐和井下解吸仪的气密性，在煤样罐升井直至地面解吸开始前，要确保阀门处于关闭状态，注意碰撞松动。

2.2 实验室操作

①首先要检查地面解吸仪的气密性，开启地面解吸仪的背光灯，方便观察液面刻度，将解吸管上的控制手柄扭转到吸水排气位置，开启真空泵进行排气吸水，直到液面到达零刻度位置时停止。观察解吸管内液面情况，注意不要将液体吸入胶管和微型真空泵中，调整解吸管操作手柄到隔绝真空泵连通状态，使解吸管处于密封状态。观察液面下降情况，如果1min 内玻璃管内液面无下降则气密性好，如果下降说明有漏气，要及时排除原因，才能进行解吸（见图2）。

图2 地面瓦斯解吸连接示意图

②在调试完成后，缓慢打开煤样罐阀门，每隔一段时间读一次液面刻度，时间间隔的长短要看瓦斯解吸速度的大小；在解吸过程中注意观察解吸累计量的变化情况，如果发现解吸速度异常，要及时处理或报废。如果单根解吸管的量程小于解吸量，要关闭煤样罐阀门，注意记录下此时的液面刻度。开启真空泵进行排气吸水，将液面吸到零刻度位置或更换到另外一根事先准备好的解吸管。打开煤样罐阀门解吸，直至一分钟内瓦斯解吸量少于2ml 时结束。测量结束后，液面下降体积（如果是用两根解吸管进行解吸还需乘以2）便是地面解吸瓦斯含量，地面解吸瓦斯含量与井下瓦斯解吸量之和为常压可解吸瓦斯含量，将以上数据作好记录。

③研磨前先检查出气嘴及胶管，防止有细煤粉堵塞。确认没有堵塞后，把称量好的煤样装入研磨组件，压紧密封好，开始研磨，在研磨煤样过程中不得打开上盖。不要长时间研磨，一天内同一个研磨组件的连续使用次数应控制在10 次以内。在研磨初始阶段研磨瓦斯解吸量较大，容易将粉碎后的煤粉带入地面解吸仪中，造成清洗困难，而且可能堵塞气管，因此必须采用过滤器进行过滤。

④注意事项：为保证解吸管的气密性，解吸管顶端上的玻璃活塞（控制手柄下端）要涂抹润滑脂。在使用中避免猛烈摔打、碰撞。不得改变地面解吸仪有关电器元件的型号及其参数；应经常擦拭地面解吸仪外部的煤尘、污垢，定期更换老化的乳胶管等，保持装置的清洁、美观。

⑤数据处理采用专门的瓦斯含量直接测定计算软件进行处理，软件操作可参考软件中的帮助文档，在计算残存瓦斯含量时需要输入实验室测定的吸附常数、工业分析等有关数据。

3 煤层瓦斯含量井下直接测定方法影响因素分析及对策

通过对直接法测定煤层瓦斯含量的全部过程进行认真分析，可以总结出影响瓦斯含量测定结果的各方面因素，针对这些影响因素采取针对性的对策，可以测定过程中各种因素引入的不确定度减少到最低程度，提高瓦斯含量测定结果的准确性。

3.1 煤样采样地点的选择

煤层瓦斯含量的大小，与煤的吸附性、孔隙率、煤的变质程度、煤层赋存状态等因素密切相关。一般来说煤的变质程度越高，煤的瓦斯含量越高。煤样采样地点应充分考虑到该煤层的煤田地质史、煤的变质程度，应避开地质构造地点，尽量选择在水文地质条件相对简单、煤层含水量小的地点。

3.2 气密性影响

在井下采取煤样进行井下解吸时，如果煤样罐发生漏气，煤样罐里面的瓦斯就会在向量管内排放的同时，也向空气中排放；如果井下解吸仪或地面解吸仪漏气，那么周围的空气进入量管内也会使得液面下降。因此在使用前先要检查煤样罐、井下解吸仪、地面解吸仪的气密性，查看是否有漏气现象。取样过后的煤样罐如果漏气，应作为废样处理。井下解吸仪、地面解吸仪如果漏气，应排除问题后重新实验。

3.3 煤样暴露时间的影响

煤样暴露时间是指从煤样脱离煤体到装入煤样罐内密封好的时间。在这段时间内，煤样中的瓦斯一直在正常解吸，因此应该尽量缩短煤样的暴露时间。《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》（GB/T23250-2009）标准规定，煤样的采样时间不超过5min，通过实践证明，只有将煤样暴露时间有效控制在5min 以内，才能测得比较准确的瓦斯含量值。因此，在井下钻孔取样的时候应该采取直接定点取样方法，选择合适的定点取样装置，尽量缩短煤样暴露时间，减少煤层瓦斯损失量。

直接法测定瓦斯含量是目前煤层区域突出危险性预测、突出煤层和突出矿井鉴定、区域防突措施效果检验等工作的重要指标，瓦斯含量测定准确与否，具有重要意义。在实践测定工作中应严格执行相关规定，排除各种影响因素，才能确保测定结果准确，为煤矿安全生产提供数据支撑。