井下煤层瓦斯含量测试辅助系统研究与应用

黄晶晶，肖 健，单文选

（华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊065201）

0 引 言

近年来，瓦斯含量测定直接方法一般指国标GBT23250-2009中的测定方法[1]，该方法被广泛应用，但由于在实际测定过程中，不同矿井选择常压解吸法或脱气法进行测定，其中关于损失量计算，已有软件系统多采用图解法，并且采用不同的输出报表，最终结果经常需要在不同报告所需报表格式中互相转化，增加工作量与复杂度。而煤层瓦斯含量测定值的准确性与精度，直接关系到瓦斯灾害的预测和防治效果。

卢小海和陈宝[2-3]基于excel实现了煤层瓦斯含量计算，虽可以实现计算，但是用户使用不简便，并且不易推广。随着时间累积，会由于数据量增长而难以存储，不易保存。平煤集团张建国、王满[4]和张俊培[5]研发了基于web的数据计算系统和瓦斯含量数字化处理系统，虽较excel有了较大改进，但其中损失量计算选择了法，较为单一，无法满足不同矿井的不同情况，其使用浏览器访问实现了查看数据的方便性，但仍没有解决数据留存与输出的问题。

本文进行煤层瓦斯含量测定辅助系统的研究，目的是为解决目前煤层瓦斯含量测定的准确性与手工计算复杂的问题，研制简易，方便，具有标准化操作流程的软件。

1 总体设计

煤层瓦斯含量测定辅助系统基于Java设计，使用MySQL数据库存储和管理实验数据，使用IntelliJ IDEA进行开发，使实验数据处理过程程序化，减少实验过程中手工计算工作量，提高了工作效率并使计算结果更加精准[6]。创建了记录整个实验过程的数据库系统，提高了数据的一致性，设置了用户表，通过用户不同的权限可对报表进行分级操作，提高了系统安全度。系统具有平台无关性，用户使用Windows系统安装软件即可进行操作，简单易用。

2 系统主要功能实现

2.1 用户登录与管理

为保障数据安全，系统采用认证访问，必须使用用户名和密码进入系统，输入无法匹配的用户名或密码会进行提示。并对用户进行分级管理，分系统管理员、普通、室内实验人员和井下实验人员。其中管理员可在登陆系统之后在用户管理界面操作信息更改。通过List结构调用数据库里的用户姓名，可在登陆用户管理界面时为管理员展现已有的目前所有用户姓名。

2.2 采样等基本信息录入

数据录入分为基本数据、井下采样基本数据和实验室温度，压力及采样人员记录等部分。基本数据包括煤样采样点的基本信息、采样时间、钻孔参数和取样过程异常记录等；井下和实验室数据包括井下大气压力，环境温度，实验室大气压力实验室温度等数据。可在该部分进行添加煤样编号，删除试样信息，保存修改，以及选择煤样编号直接查询信息等功能。

在信息录入过程中，设置了取样方式的选择，若为水排渣，需在最后计算步骤里进行质量校正。底部4个button按钮分别实现了添加煤样，保存当前界面数据，删除目前界面的煤样编号及信息和退出系统4个功能。若当前煤样为需新录入的信息，则在界面输入好数据后，点击添加煤样编号。依照当前时间生成煤样编号，若当天已有数据，则在尾部加1，以此递推。若需修改某天某个煤样信息，则在煤样编号选择框里单击所需编号，界面自动填充该煤样信息，在文本框里修改好数据后点击保存更新信息即可。

2.3 损失量计算交互式选择

根据煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GB/T 23250-2009），损失瓦斯量的推算可选用幂函数法、法和其他经试验验证有效的方法。空气介质中损失量计算方法[7]见表1。

表1 空气介质中损失量计算方法Table 1 Calculation method of loss in air medium

据研究[8-9]，各损失量计算公式在短时间内都具有较显著的拟合效果。在实际应用过程中，需根据现场实际，灵活选用损失量计算公式。所以该系统仍采用交互式的损失量计算方式，即让用户根据实际情况选择合适的损失量计算公式。本系统实现了根号t和幂函数2种方式，选取其中最为合适的瓦斯损失量结果提交到系统数据库。

实现过程中，依据井下自然解吸瓦斯记录表中的井下解吸数据，首先可根据已列时间进行暴露时间计算，然后点击计算按钮可进行V=at-b型的数据拟合，b即为所求损失量，自动将结果填入右下文本框中后，点击保存可将当前页面所有数据存入数据库。若选择幂函数法，则根据含量测定标准中的公式，填入的解吸量信息，换算成解吸速度，进行拟合，求得q0（t=0时的瓦斯解吸速度）和系数n，带入表1中重庆院式即可求出V损[14]。

该部分的30个解吸数据实现了从excel导入的功能。用户可直接根据已有的excel里保存的解吸数据，点击导入，弹出文件选择窗口，选取.xls文件，数据即可自动填充（图1）。

图1 损失量与井下解吸量计算图Fig.1 Legend of calculation of loss and desorption

2.4 其他部分计算

数据计算部分，总共包括4步，步骤一为井下自然解吸瓦斯量记录，其中损失量可选择不同计算公式，并且同步得出井下解吸量；步骤二为实验室煤样自然解吸瓦斯量记录，可得出粉碎前后解吸量；步骤三为可解吸瓦斯含量Xa计算，在该步骤中，总结所有得出的含量数据，并转换成标准状况下的气体体积；步骤四为不可解吸瓦斯量Xb。可依据工业分析结果按步骤进行得出，如图2～图4所示。

图2 实验室解吸量计算图例Fig.2 Laboratory desorption calculation legend

图3 可解吸瓦斯含量汇总Fig.3 Summary of desorbable gas content

图4 不可解吸瓦斯含量Xb数据输入界面Fig.4 Input interface of undesorbable gas content Xb data

井下自然解吸瓦斯量需进行体积的换算：

残存量也需依据所输入数据按下式得出：

式中：Qc为煤在标准大气压下不可解吸瓦斯含量，m3/t；a为吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；b为吸附常数，MPa-1；Ad为原煤灰分，%；Mad为煤的水分，%；φ为孔隙率，m3/m3；为视密度，t/m3。

其中，各阶段瓦斯量=各阶段某种气体体积/煤样质量。

井下解吸瓦斯量，损失瓦斯量，粉碎前自然瓦斯解吸量，粉碎后自然瓦斯解吸量均按上式进行计算。所有数据均可通过煤样编号在数据库系统中串联起来，保证数据的一致性和完整性。

2.5 报表打印

可实现把样品的实验数据根据样品编号归结到一个实验报告里，并通过数据库进行增删改查等数据操作，方便数据管理。可实现通过煤样编号查询信息，其中包括煤样基本信息和含量计算结果显示，其中打印按钮实现了将当前页面保存为项目所在文件夹内的图片。可方便直接打印及留存，保存为a file.jpg。

在图片保存部分，通过点击打印按钮，触发button按钮监听，通过生成图片方法打印当前页面内容。

3 矿井含量实测

基于河南省平顶山市平煤股份六矿戊8煤层进行瓦斯含量现场实测，检验本软件研究应用效果。

3.1 煤层瓦斯含量测定过程

将井下解吸过程中记录的相关数据输入所研制的辅助系统，自动计算出瓦斯损失量V2。

常压自然瓦斯解吸量包括两部分，即井下测定的解吸量和井上实验室测定的瓦斯量。经温度、压力校正到标准状态后可求出井下解吸量X1、实验测定解吸量X3与粉碎后解吸量X4。

最后进行残存瓦斯量即常压不可解吸量Xb的测定。

根据华北科技学院实验室工业分析结果、孔隙率测定结果及吸附常数测试结果将相关数值代入系统，即可求出残存瓦斯量（表2）。

表2 戊8煤基础参数数据结果Table 2 Basic parameter data results of No.戊8 coal seam

3.2 测定结果

煤层瓦斯含量由X1、X2、X3、X4、X5累加得出，利用风排钻屑取样，取样后按上述步骤进行瓦斯含量测定，共取6个测点进行瓦斯含量测定，测试结果见表3。

表3 各测点瓦斯含量构成Table 3 Composition of gas content at each measuring point

表4 瓦斯含量测定结果Table 4 Determination results of gas content

根据区域瓦斯含量实测值，得出该区域内原始瓦斯含量的最大值为5.30 m3/t。

4 结 语

本文从系统实现所需理论、系统实现关键步骤和现场实测等方面，详细描述了井下煤层瓦斯含量测定辅助系统的设计思路、设计过程和实践应用。

虽然煤层瓦斯含量数据处理的设计计算不涉及复杂的数学理论，但该系统解决了平时含量计算的重复性、频繁性及给人工计算带来了诸多不便等问题。通过制作出科学化，标准化的计算软件，实现了依照含量测定标准进行含量计算各步骤，增加损失量选择模块，并且通过现场实践，将该系统应用在平顶山天安煤业六矿戊8煤层，得出区域内实测最大原始瓦斯含量为5.30 m3/t，在实际瓦斯含量测定中也得到了很好的应用。