CN105092410B - 一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置，属于煤矿瓦斯含量测定技术领域。该方法通过选择自然散落的不同粒径的煤样，根据粒径的大小对煤样进行分类，然后将不同粒径的煤样分别放入不同尺寸的密封单元进行密封，密封单元与瓦斯气体检测装置连接，最后将密封单元放入恒温水浴中，保持恒定解吸温度并使密封单元与气体测量装置两者压力达到平衡状态，测定瓦斯解吸量。本发明提供的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置能够较准确地测定并计算出采空区遗煤的瓦斯解吸量，研究不同粒径煤样的瓦斯解吸规律，且该测定装置较为简单、实用，具有广泛的应用价值。

Description

一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯含量测定技术领域，涉及一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置。

背景技术

煤矿区瓦斯作为一种高能洁净的能源，其探勘、开发和利用技术越来越受到世界多国的重视。我国煤炭开采历史悠久，遗留有大量的密闭采空区(或废弃矿井)，采空区瓦斯地面抽采技术能够充分利用煤层开采的卸压增透效应，避开岩层的剧烈活动期，实现地面井抽采寿命的最大化，在我国发展前景良好。煤矿采空区瓦斯来源包括邻近卸压煤层瓦斯、采场煤柱残余瓦斯及采空区内部落煤残余瓦斯等几大类，其中落煤残余瓦斯解吸量是采空区可抽采瓦斯资源的重要组成部分，其估算的准确性直接影响着采空区瓦斯资源量评估结果的可靠性。国内目前关于煤矿封闭采空区落煤残余瓦斯解吸规律、落煤残余瓦斯含量变化的研究成果较少，不足以支撑采空区瓦斯资源量相关评估参数的准确选取。

因此需要进行针对采空区不同粒径遗煤瓦斯解吸实验的研究，以了解大块度原生遗煤的解吸规律。而现有的瓦斯解吸实验方法针对采空区大粒径原生煤样解吸的实际情况存在着以下一些不足：

(1)现有实验多是将原生煤样加工为粒径小于10mm的煤粉，而针对原生大粒径块煤进行的瓦斯解吸实验较少，而老采空区遗煤多为粒径大小不一的块煤，因此需要了解不同块度煤样的解吸规律；

(2)在解吸时间方面，现阶段的实验解吸时间集中在30～200min之间，在煤样进行饱和吸附的情况下测定瓦斯解吸最初阶段的解吸量变化情况，而在采空区资源评估等实际生产活动中，则需要了解采空区遗煤长时间解吸后瓦斯含量的变化规律，因此有必要针对不同粒径煤样进行长时间解吸实验研究；

综上所述，需要在现有的研究基础上，针对老采空区遗煤瓦斯解吸的特定情况进行相应的实验研究，以得出特定老采空区不同粒径煤样的瓦斯解吸规律。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置，能够测定并计算出采空区遗煤的瓦斯解吸量，为采空区资源评估提供准确的依据。

本发明的目的之一是提供一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，本发明的目的之二是提供一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定装置。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)采空区选择自然散落的不同粒径的煤样，根据粒径的大小对煤样进行分类；

步骤2)将不同粒径的煤样分别放入不同尺寸的密封单元，并对密封单元进行密封；

步骤3)密封单元与瓦斯气体检测装置连接，并检查装置气密性；

步骤4)将密封单元放入恒温水浴中，保持恒定解吸温度并使密封单元与气体测量装置两者压力达到平衡状态，开始测定瓦斯解吸量。

进一步，所述煤样保持从工作面取下的原生状态密封运输至实验室，不经过干燥脱气及饱和吸附过程，以煤样原始瓦斯含量进行解吸。。

进一步，所述步骤2)对密封单元进行密封采用真空密封的方法，密封单元为密封袋，通过真空泵将密封袋抽吸至压缩状态，并且使密封袋与瓦斯气体检测装置的压力达到动态平衡状态。

进一步，煤样瓦斯解吸速度随时间的变化规律如下：

其中，V_t为解吸时间为t时煤样的瓦斯解吸速度；t为煤样的瓦斯解吸时间，t≥1，单位d；α、β为瓦斯解吸速度随时间的衰减系数。

进一步，在不同温度下不同粒径遗煤瓦斯解吸速度为：

V_T＝V₂₀×η

其中，V_T为解吸温度为T时t时刻的瓦斯解吸速度；V₂₀为解吸温度为20℃时t时刻的瓦斯解吸速度；T为煤样的解吸温度；η为温度对瓦斯解吸速度的修正系数，a、b为回归系数，T为瓦斯解吸温度。

进一步，不同粒径遗煤在不同温度下累积解吸量的计算经验公式为：

其中，α为瓦斯解吸速度随时间的衰减系数，α＝60.9421×0.7433^r+4.3575；t为煤样的瓦斯解吸时间(d)t≥1；r为煤样粒径；η为温度对瓦斯解吸速度的修正系数，a、b为回归系数，T为瓦斯解吸温度。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定装置，该装置包括煤样密封单元、瓦斯气体测量单元、恒温单元；所述煤样密封单元与瓦斯气体测量单元连接，瓦斯气体测量单元用于测量煤样的瓦斯解吸量；所述恒温单元用于对煤样密封单元进行保温，测得在不同温度下煤样的瓦斯解吸量。

进一步，所述煤样密封单元为可压缩的真空密封袋，密封袋与瓦斯气体检测装置的压力达到动态平衡状态。

进一步，所述恒温单元为恒温水浴，将煤样密封单元置于恒温水浴中，通过控制恒温水浴的温度，获得不同温度下煤样的长时间解吸瓦斯的数据。

进一步，所述测定装置还包括真空泵、真空计、阀门；所述真空泵用于将密封单元抽吸至压缩状态，所述真空计用于测量密封单元与瓦斯气体检测装置的真空度或气压；所述阀门用于控制整个装置的气流。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法及装置能够准确测定并计算出采空区不同粒径遗煤的瓦斯解吸量，选择自然散落的不同粒径的煤样，尽量保持煤样的原始状态进行测量，减小测量的相对误差，采用密封袋进行密封，可有效降低内部死空间，贴紧煤样，保证测量的准确性，且安装方便，成本低廉，通过恒温单元可以测定温度对于遗煤瓦斯解吸的影响。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为煤样密封单元的工作原理图；

图2为本发明所述装置的结构图；

图3为本发明所述方法的流程图；

其中，图2和图3中的1为煤样密封单元，2为恒温单元瓦斯气体测量单元，3为阀门Ⅰ；4为真空泵，5为真空计，6为液体量管，7为阀门Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1)采空区选择自然散落的不同粒径的煤样，根据粒径的大小对煤样进行分类；

煤样保持从工作面取下的原生状态密封运输至实验室，不经过干燥脱气及饱和吸附过程，以煤样原始瓦斯含量进行解吸。

步骤2)将不同粒径的煤样分别放入不同尺寸的密封单元，并对密封单元进行密封；

影响采空区遗煤粒径的主要因素有：

①煤的物理性质：当煤层煤质坚硬系数越大，则煤体掉落时不易破碎，大块煤体较多，因此遗煤平均粒度越大。

②采煤方法：当采用综采放顶煤进行采煤时，与分层开采相比较采用放顶煤开采时煤层的重复破碎次数较低，因此大粒径块煤较多，相应的采空区遗煤平均粒度会增大。

③矿山压力：一次采高越大，遗留煤柱所承受矿压就越严重，大块煤体在矿压作用下粉碎，因此遗煤的平均粒度也就相对较小。

④地质构造：当工作面遇到地质构造带时，会导致煤体破碎从而减小遗煤粒度。

采集煤样为工作面新鲜煤样，选择自然散落的不同粒径的煤样，根据取样煤矿的实际情况以及现场的观测，选取的煤样粒径在现场遗煤中应占比例较大。

在现场测定瓦斯残余含量后在井下用双层密封袋进行密封后运送至实验室，防止煤样的氧化以及外在水分的损失，尽量保持煤样的原始状态。

将煤样运送至实验室后，过滤掉粒径较小的煤粉按实验要求对粒径称重后分别将其装入密封实验袋中。煤样在进行瓦斯解吸过程中会受到各种外界因素的影响，而小质量的煤样在采集、制备及实验过程中，往往会增大瓦斯解吸实验与煤层瓦斯含量测定的相对误差，为了尽量减小实验的相对误差，本实验采用大质量(1KG)煤样进行实验研究，根据取样工作面块煤粒径分布实际情况，选取煤样范围大致分布为10mm～150mm，每组实验煤样粒径差别为10mm。

对密封单元进行密封采用真空密封的方法，密封单元为密封袋，通过真空泵将密封袋抽吸至压缩状态，并且使密封袋与瓦斯气体检测装置的压力达到动态平衡状态。

步骤3)密封单元与瓦斯气体检测装置连接，并检查密封单元与瓦斯气体检测装置的气密性；

步骤4)将密封单元放入恒温水浴中，保持恒定解吸温度并使密封单元与气体测量装置两者压力达到平衡状态，开始测定瓦斯解吸量。

实验温度设定为20℃，实验时间定为150天，每个样品的解吸实验数据每天记录一次，通过液体量管每天液面高度的变化测量出瓦斯煤样的瓦斯解吸量。液体量管容积为250ml±0.2ml。当量管内液体排空时封闭橡胶管，再次加水后重新连接。

同时记录液体量管水柱高度以及实验室大气压力，以作为实验数据处理的依据。在记录实验数据后，需将实测的瓦斯解吸量换算成标准状态下的体积进行分析比较。根据GB/T23250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法可得常压下瓦斯解吸量标准状态转换公式3处理实验数据。

其中：Q_t----标准状态下瓦斯解吸总量，cm³；Q_t'----实验环境下实测瓦斯解吸总量，cm³；t_w----量管内水温，℃；P_atm----大气压力，Pa；h_w----读取数据时量管内水柱高度，mm；P_s----t_w下饱和水蒸汽压力，Pa。

采空区不同粒径遗煤瓦斯解吸经验公式

通过计算发现实验煤样瓦斯解吸速度随时间的变化规律能够很好的符合幂函数关系式：

其中：V_t----解吸时间为t时煤样的瓦斯解吸速度，ml/g.d；t----煤样的瓦斯解吸时间(t≥1)，d；α、β----瓦斯解吸速度随时间的衰减系数。

而不同温度对煤样瓦斯解吸速度V的影响的修正系数表达式如下：

其中：η----温度对颗粒煤瓦斯解吸速度的修正系数；a、b----回归系数；T-----瓦斯解吸温度，℃。

因此，不同温度下采空区不同粒径遗煤瓦斯解吸速度计算公式为：

V_T＝V₂₀×η

其中：V_T——解吸温度为T时t时刻的瓦斯解吸速度，ml/g.d；V₂₀——解吸温度为20℃时t时刻的瓦斯解吸速度，ml/g.d；T——煤样的解吸温度，℃；η——温度对瓦斯解吸速度的修正系数。

通过对速度公式的积分可得到采空区不同粒径遗煤在不同温度下累积解吸量的计算经验公式：

其中：α＝60.9421×0.7433^r+4.3575；t——煤样的瓦斯解吸时间(t>0)，d；r——煤样粒径，cm；η——温度对瓦斯解吸速度的修正系数。

采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定装置，如图2所示，包括煤样密封单元、瓦斯气体测量单元、恒温单元；所述煤样密封单元与瓦斯气体测量单元连接，瓦斯气体测量单元用于测量煤样的瓦斯解吸量；所述恒温单元用于对煤样密封单元进行保温，测得在不同温度下煤样的瓦斯解吸量。

煤样密封单元为可压缩的真空密封袋，并且密封袋与瓦斯气体检测装置的压力达到平衡状态。现有的解吸实验主要采用金属煤样密封罐进行解吸实验，针对采空区大粒径遗煤存在以下的一些不足：

1)以往解吸实验多为饱和吸附后进行实验，煤样瓦斯压力大，解吸速率快，而本论文实验原生煤样没有饱和吸附，瓦斯解吸量较小，采用金属密封解吸罐不易检测到解吸出瓦斯。2)以往实验多使用小粒径粉煤粉，容易去除实验器具中的死空间，而本实验多采用大粒径块煤，使用煤样罐死空间较多不易计算。3)煤样罐通常罐口直径较小，对于大粒径块煤，无法放入，而重新加工成本过高。

采用可压缩的真空密封袋作为煤样的密封单元，使用真空袋密封单元有以下好处：

1)由于密封袋的柔韧性，可有效降低内部死空间，贴紧煤样，保证实验准确性。2)由于大气压力存在，当密封袋内煤样扩散出瓦斯气体时，会及时流向气体测量装置，少量气体也可准确测得。3)密封煤样袋安装方便，成本低廉，并可直接放入恒温水浴中进行不同温度下解吸测量。

煤样密封单元的工作原理图如图1所示，将煤样放入密封袋后连接至瓦斯解吸测定装置，装置1为煤样密封袋，装置6为液体量管，通过真空泵将装置1实验袋抽吸至压缩状态，与装置6瓦斯测量装置保持装置内部气压动态平衡，因此若有瓦斯气体从煤样中溢出会导致装置1内气压P₁升高，破坏原有的动态平衡状态，解吸出的瓦斯气体会流向装置6，即使少量的瓦斯气体也可以准确的测得，因而可以较长时间稳定的对瓦斯的解吸量经行测定。而由于密封煤样实验袋的防水特性，因此需要测定不同温度或不同负压情况下解吸时也可方便的进行恒温水浴以及加装负压测定装置。

恒温单元为恒温水浴2，将密封后的煤样装入防水袋，将防水袋全部浸入恒温水浴中，通过控制恒温水浴的温度，获得不同温度下煤样的长时间解吸瓦斯试验数据，进行温度对于块煤解吸影响效应的研究。

测定装置还包括真空泵4、真空计5、阀门3、阀门Ⅰ3、阀门Ⅱ7；所述真空泵用于将密封单元抽吸至压缩状态，所述真空计用于测量密封单元与瓦斯气体检测装置的真空度或气压；所述阀门用于控制整个装置的气流。

该装置具有以下功能：

①煤样的密封保存及气体测量功能

由于实验对象为采空区不同粒径的遗煤煤样，因此装置应保证不同粒径煤样在不经过干燥脱气及饱和吸附的情况下在稳定密闭环境中持续稳定解吸，且解吸出的少量瓦斯气体可以及时的进入解吸测量装置；

②恒温功能

该功能通过调节恒温水浴的温度使煤样可以在不同温度下稳定解吸，测定温度对于遗煤瓦斯解吸的影响。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)从采空区选择自然散落的不同粒径的煤样，根据粒径的大小对煤样进行分类，其中煤样保持从工作面取下的原生状态密封运输至实验室，不经过干燥脱气及饱和吸附过程，保持煤样原始瓦斯含量；

步骤2)将不同粒径的煤样分别放入不同尺寸的密封单元，并对密封单元进行密封，对密封单元进行密封采用真空密封的方法，密封单元为密封袋，通过真空泵将密封袋抽吸至压缩状态，并且使密封袋与瓦斯气体检测装置的压力达到动态平衡状态；

步骤3)密封单元与瓦斯气体检测装置连接，并检查装置气密性；

步骤4)将密封单元放入恒温水浴中，保持恒定解吸温度并使密封单元与气体测量装置的压力达到平衡状态，开始测定瓦斯解吸量。

2.根据权利要求1所述的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，其特征在于：煤样瓦斯解吸速度随时间的变化规律如下：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，V_t为解吸时间为t时煤样的瓦斯解吸速度，ml/g.d；t为煤样的瓦斯解吸时间，t≥1，单位d；α、β为瓦斯解吸速度随时间的衰减系数。

3.根据权利要求1所述的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，其特征在于：在不同温度下不同粒径遗煤瓦斯解吸速度为：

V_T＝V₂₀×η

其中，V_T为解吸温度为T时t时刻的瓦斯解吸速度；V₂₀为解吸温度为20℃时t时刻的瓦斯解吸速度；T为煤样的解吸温度；η为温度对瓦斯解吸速度的修正系数，a、b为回归系数，T为瓦斯解吸温度。

4.根据权利要求1所述的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定方法，其特征在于：不同粒径遗煤在不同温度下累积解吸量的计算经验公式为：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>56.754</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

其中，α为瓦斯解吸速度随时间的衰减系数，α＝60.9421×0.7433^r+4.3575；t为煤样的瓦斯解吸时间，t≥1，单位d；r为煤样粒径；η为温度对瓦斯解吸速度的修正系数，a、b为回归系数，T为瓦斯解吸温度。

5.一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定装置，其特征在于：该装置包括煤样密封单元、瓦斯气体测量单元、恒温单元；所述煤样密封单元为可压缩的真空密封袋，密封袋与瓦斯气体检测装置的压力达到平衡状态，所述煤样密封单元与瓦斯气体测量单元连接，瓦斯气体测量单元用于测量煤样的瓦斯解吸量，所述瓦斯气体测量单元包括真空泵、真空计、阀门；所述真空泵用于将密封单元抽吸至压缩状态，所述真空计用于测量密封单元与瓦斯气体检测装置的真空度或气压；所述阀门用于控制整个装置的气流；所述恒温单元用于对煤样密封单元进行保温，测得在不同温度下煤样的瓦斯解吸量。

6.根据权利要求5所述的一种采空区大块度遗煤瓦斯解吸量的测定装置，其特征在于：所述恒温单元为恒温水浴，将煤样密封单元置于恒温水浴中，通过控制恒温水浴的温度，获得不同温度下煤样的长时间解吸瓦斯的数据。