煤层瓦斯含量快速直接测定技术与装置研发

马尚权，刘博雄，谢 宏

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤层瓦斯基础参数(煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量等)在瓦斯灾害防治过程中具有重要意义和作用，准确测定工作历来受到业界的高度重视。目前关于煤层瓦斯含量的测定仍存在瓶颈问题，其难点在于：无论是否保压，取芯工艺要求都很高；无论手动还是自动，瓦斯解吸都需要依赖数值计算；无论在井下还是在地面完成，整个过程都很耗时；……。以往的研究成果，许多已经转化为生产力，如：WP-1、DCZ、DGC等，在生产实践中发挥积极作用；也有一些研究成果，由于种种原因，尚处在转化中，甚至停滞不前。通过对“十一·五”成果“煤层瓦斯含量快速测定技术”的深化研究，结合生产实际需要，促成从“原理机”到“原型机”的进步。

1 技术原理及研究现状

1.1 技术原理

煤矿瓦斯事故是煤矿重大灾害之一，如何快速、准确测定煤层瓦斯含量是一种亟需解决的问题。目前出现了诸多测定煤层原始瓦斯含量的方法，按照测定方法的适用环境可将其分为地质勘探钻孔测定方法和矿井下测定方法[1]；根据测定方法的原理又可分为直接方法和间接方法。直接法是直接采取煤样通过研究其解吸规律的方法直接测定、计算煤层瓦斯含量，与间接法相比存在诸多优点。但是直接法煤层瓦斯含量测定受到取芯工艺、损失量推算模型等因素的影响，存在测定准确性差、成功率低等缺陷[2]。常用的间接法是根据现场实测煤层原始瓦斯压力和实验室测定的煤吸附常数值及工业分析结果，运用朗格缪尔方程计算瓦斯含量。

在直接法测定煤层瓦斯含量时，无论使用地勘钻孔瓦斯解吸法、井下钻孔瓦斯解吸法还是煤芯采取器法对煤层瓦斯含量进行测定时，测试过程可以概括为5部分：取芯解吸、测定解吸瓦斯量、求解瓦斯损失量、计算残存瓦斯量、计算煤层原始瓦斯含量[3-4]。目前国内外学者针对煤样损失瓦斯量计算方法进行了诸多研究，例如煤样在空气介质中瓦斯损失量计算公式具有代表性的巴雷尔式、文特式、乌斯基诺式、博特式、王佑安式、孙重旭式以及指数式；泥桨介质中煤样损失瓦斯量计算公式有于良辰法、USBM法、Smith-Wiliam法以及曲线拟合法[5-6]。在煤样采集过程中，样品的粒径大小对瓦斯解吸时间具有一定的影响，针对此问题诸多学者对不同的煤样(完整煤心、块煤、粉煤)，进行了相关研究，结果表明煤样的粒度越小，相同时间段内的瓦斯解吸总量越大[7]。

间接法是国内外最常用的煤层瓦斯含量测定方法，其主要内容是测定煤层原始瓦斯压力及煤的吸附常数值，并利用朗格缪尔方程和气体状态方程对吸附瓦斯量及游离瓦斯量进行计算并求和，求和结果便是煤层瓦斯含量。目前运用间接法测定煤层瓦斯含量的过程中受水分、温度、湿度的影响较多，导致其测定工艺复杂、测定周期长、成功率低、成本较高等缺点，无法适应我国复杂地质条件下的煤层瓦斯含量测定。

综上所述，目前关于煤层瓦斯含量直接法测定的关键性问题便是如何缩短煤样在进行井下瓦斯解吸前的暴露时间，即减少瓦斯的损失量；其次便是关于应用哪一种损失瓦斯量计算公式，所计算得出的瓦斯损失量更为精确。

1.2 装置研究现状

随着科技的进步，不少研究人员研制出煤层瓦斯含量测定装置。20世纪50年代中期至末期，抚顺分院分别研制了1883型密闭式岩芯采取器以及抚研58型集气式煤层瓦斯含量测定装置；2001年至2005年期间，重庆研究院研发了ZCY-I型钻孔引射取样和取芯管取样工艺及装置；2009抚顺分院研发了WP-Ⅰ型瓦斯含量快速测定仪；2013年期间，我国部分煤矿运用井下便携式煤层瓦斯含量快速测定仪——CHP50M型煤层瓦斯含量快速测定仪；2014年，瓦斯解吸速度测定仪得到应用；2018年，DGC瓦斯含量直接测定装置得到应用。随着社会的进步，以及煤矿企业对煤层瓦斯含量的测量的准确性及便捷性提出的更进一步的要求，暴露出目前常用设备的一些问题：一方面是其构造复杂，一些零部件易于损坏，在广泛推广应用上受到一定限制；另一方面是测定时间周期长、成本高、过程复杂、效率低。因此“十一·五”期间，华北科技学院联合山西国阳新能股份有限公司，对煤层瓦斯含量快速直接测定技术与装置进行研发，得到快速准确的测量装置，为瓦斯含量测定、瓦斯综合治理及灾害预测提供准确的参考。

2 煤层瓦斯含量快速直接测定装置

煤层瓦斯含量快速直接测定装置由两部分组成：瓦斯解吸系统和解吸气体测定系统。首先将煤样采集装置与粉碎装置集成为一个整体的瓦斯解吸系统，该系统既可实现对煤样的密闭，又可以在密封条件下对煤样进行粉碎搅拌；对于解吸气体测定系统，将瓦斯解吸特征信息采集系统、数据处理运算系统、数据存储系统、显示系统、通信系统、供电系统进行集成，与瓦斯解吸系统连接后，实现瓦斯解吸规律信息的自动采集，并实现对数据进行自动分析计算，计算出瓦斯损失量和残存量，对计算结果进行储存和实时显示，并可将所有数据信息传输进计算机。

2.1 瓦斯解吸系统

根据需要分别设计了两套瓦斯解吸系统，一种是在井下自由解吸，在地面粉碎解吸的电动粉碎解吸系统，另一种是自由解吸和粉碎解吸都在井下进行的手动粉碎解吸系统。

电动粉碎解吸装置主要由三部分组成：粉碎室，粉碎刀片和高速电机。粉碎室实现密闭和粉碎的功能，同时在粉碎室顶盖上设计了一个直径为6 mm的孔，通过球阀与软管连接，使煤样解吸出的瓦斯气体可以流出，软管另一端与解吸气体测定装置连接，图1为电动粉碎解吸装置实物图。

手动粉碎解吸系统的粉碎过程是使用可调压碾轮碾压粉碎原理来使煤这种低硬度脆性物料达到小于100 μm的粒径级别。它主要有调压手柄、碾轮、密闭粉碎仓体、变向传动轴等组成。煤样放进密闭粉碎室压紧密封盖，手动转动动力手柄对煤样进行粉碎，根据粉碎情况逐步旋低调压手柄对碾轮加压，实现煤样的进一步粉碎，气体溢出口与解吸气体测定装置连接，图2、图3分别为手动粉碎装置结构示意图、动粉碎解吸装置实物照片。表1为两种瓦斯解吸系统的相关参数。

图1 电动粉碎解吸装置实物照片

图2 手动粉碎装置结构示意图

图3 手动粉碎解吸装置实物照片

表1 瓦斯解吸装置相关参数

2.2 解吸气体测定系统

解吸气体测定系统是利用传感器技术结合信息化技术和计算机技术，对瓦斯解吸规律信息数据实现自动采集，并采用多次拟合回归分析对数据进行自动分析计算，计算出瓦斯损失量、解吸量和残存量，对计算结果进行储存和实时显示，并可将所有数据信息传输进计算机。本系统采用热式无阻力微量气体测定原理，使煤样的解吸过程更接近自然解吸状态。

瓦斯解吸气体测定系统将瓦斯解吸特征信息采集系统、数据处理运算系统、数据存储系统、显示系统、通信系统、供电系统进行集成，实现瓦斯含量的快速准确测定。图4为瓦斯含量测定系统体系结构图。

图4 瓦斯含量测定系统体系结构图

如图4所示，本装置硬件结构由信息采集系统、数据处理电路、数据存储电路、显示电路、计时电路、供电电路、控制电路、通信电路、计算机、按键组成。系统采用单片机作为下位机，实现数据的简单处理和显示；同时采用计算机作为系统的上位机，弥补单片机操作能力的不足，数据通过转发器传输到计算机中，同时计算机根据不同需求进行数据处理。

信息采集系统是瓦斯含量测定的关键所在。数据采集系统如图5所示，数据采集系统以单片机为智能化系统的中心。在进行信息采集时，计时电路根据操作者的设置可以实现对信息采集时间间隔的控制，流量信息数据通过流量传感器及采集器接口输入到单片机中，并将数据存储在单片机中。

图5 数据采集系统图

数据处理电路实现对瓦斯解吸规律数据的拟合计算以及所有测定计算数据的综合处理；显示电路选用共阳极七段数码管、放大器、与液晶屏连接。装置从数据采集到显示的处理过程如图6所示；计时电路主要功能是对测定过程进行计时；供电电路主要由稳压器和交流-直流变换器组成，采用蓄电池供电电池电压稳定为5 V，再经隔离变换成5 V和12 V电压，分别供给控制电路和传感器电路；控制电路是整个系统的核心由ATMEGA128单片机芯片、串行输入输出电路、程序写入电路、晶体振荡电路、上电复位电路组成。

图6 显示处理过程图

本装置的软件结构图如图7所示。该装置的软件系统能够实现串口通讯、数据及曲线的实时显示以及数据的储存等功能。

图7 软件系统结构图

2.3 损失量推算公式选取

由于实际钻孔取煤屑时暴露时间一般为3 min，因此，数据拟合计算时也按照暴露时间3 min来计算。处理方法是：把各组实验数据前3 min的累计解吸瓦斯量看做暴露时间内实际损失的瓦斯量；取3 min以后的所有数据作为拟合数据，对这些数据进行拟合，求出公式中的各个系数，然后按照拟合出的公式推算前3 min的损失瓦斯量，此为推算的损失量；然后比较分析推算值和实际值的误差。瓦斯速率解析曲线如图8。解吸数据回归结果及推算损失量误差见表2中数据。

表2 解吸数据回归结果及推算损失量误差

图8 解吸速率曲线

从各表中数据看，温度对拟合精度有一定影响，普遍规律是温度越高，拟合相关系数越高，但对于推算误差来说，受温度影响不大，但幂函数表现出随温度降低推算误差有所增大，这是因为冷冻煤样在常温解吸时，煤样在和外界环境不断进行着热量交换，由于温度对解吸速率有明显影响，因此，低温下解吸规律有所不同。

由以上分析可知，单凭拟合相关系数值R来判断哪个函数适合瓦斯解吸规律的拟合显得有些片面，必须引入相对误差的判断指标，因为计算值与实际值的误差小才是我们测定瓦斯含量的本质要求。因此确定采用幂函数法来推算损失瓦斯量。

3 现场测试及分析

为对煤层瓦斯含量快速直接测定装置的测定效果进行验证，在山西国阳新能股份有限公司二矿进行场测验，二矿坐落于太行山西麓，阳泉市西南6公里处，井田走向长约7.8 km，倾向长约7.7 km，面积为60.0603 km2。

选取以下6点：21302准备面进风巷8#煤32 m深处、21302工作面进风巷8#煤100 m深处、71319进风配巷3#煤30 m深处、71319进风配巷3#煤100 m深处、81003内错尾巷煤壁15#煤、81003内错尾巷掘进头15#煤进行测试。该实验过程中将用DGC、DCZ和本装置同时进行煤层瓦斯含量测定，并将个设备粉碎时间及测定总时间进行汇总结果见表3、表4中数据。

表3 粉碎参数比较

表4 测定总时间

由表3、表4中数据可得到本装置在对煤样进行粉碎达到要求的粒径级别所用时间最短，并且完成整个煤层瓦斯含量测定实验用时最少。

对三种设备的实验结果进行汇总见表5中数据，

表5 各煤层瓦斯含量测定结果

由表5中数据可以看出本装置煤层瓦斯含量测定结果较其他两种设备测定结果的误差范围小，测定结果更为准确。

4 结论

(1) 研制了煤层瓦斯含量快速直接测定装置。煤层瓦斯含量快速直接测定装置中的瓦斯解吸系统可以实行封闭状态下对瓦斯进行解吸；瓦斯气体测定装置由信息采集系统、数据处理运算系统、数据存储系统、显示系统、通信系统、供电系统进行集成，实现瓦斯含量的快速准确测定并将结果储存并传输到计算机中。

(3) 该装置实现煤样密封、粉碎以及煤样的自然解吸和粉碎解吸均在同一装置中进行。

(4) 粉碎系统粉碎细度高，粉碎时间短，粉碎1 min即可使200目以上粒径颗粒达到92%以上。

(5) 将现场测试结果进行对比，结果表明该装置测量煤层瓦斯含量测定时间短，测定结果误差最小。

(6) “原理机”到“原型机”的进步，目前尚需继续研究的重点有：一是继承该成果，更新软硬件；二是小型化、微型化，使之适用于定向钻机的随钻测定。