CN109187266B - 瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法，包括恒温***、吸附解吸罐体装置、抽真空***、压力测定***、气体供应***；吸附解吸罐体装置包括参考罐、煤样吸附罐和解吸仪；抽真空***和气体供应***与参考罐连接；压力测定***包括参考罐压力传感器、煤样吸附罐压力传感器、真空计、数据采集仪以及数据显示测定仪。本发明可实现对煤样暴露过程中的瓦斯损失量及初期解吸规律进行模拟测定，为修正瓦斯含量损失量补偿模型修正提供有效试验手段，为直接发测定煤层瓦斯含量中瓦斯损失量计算提供科学的补偿修正模型。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯灾害防治领域，特别涉及一种瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法。
背景技术
煤层瓦斯含量是煤层气资源开发、矿井瓦斯灾害防治等的基础依据，是煤矿矿井瓦斯抽采是否达标的评定依据。煤矿瓦斯赋存地质条件复杂多样性以及井下直接测定煤层瓦斯含量方法的快捷有效使得该方法在瓦斯矿井得到广泛推广，其测定的准确性与煤矿安全高效生产息息相关。井下煤层瓦斯含量直接测定方法(以下简称直接法)主要是通过井下采取煤样，容量法测定瓦斯解吸量，并根据瓦斯解吸规律推算出取煤样过程中逸散的瓦斯量，其结果主要有瓦斯损失量、瓦斯解吸量及瓦斯残存量三部分组成。而导致其结果准确性主要受到损失量推算误差的影响。目前，DGC型井下煤层瓦斯含量直接测定装置将孙重旭经验公式作为瓦斯损失量的补偿模型，将煤样分为五种块度，充分考虑煤样粒度对解吸规律影响，使补偿模型的测定结果准确性大幅度提升。但，该方法对某些煤矿的特殊煤层(如煤中多封闭孔)损失量推算结果未能达到预想目标。基于此，有必要针对某些特殊煤样的瓦斯损失量补偿模型进行修正，以提高煤矿的安全高效生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法，可实现对煤样暴露过程中的瓦斯损失量及初期解吸规律进行模拟测定，为修正瓦斯含量损失量补偿模型修正提供有效试验手段，为直接发测定煤层瓦斯含量中瓦斯损失量计算提供科学的补偿修正模型，提高直接法的测量准确度，为煤矿安全开采提供技术保障。
本发明的瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***，包括恒温***、吸附解吸罐体装置、抽真空***、压力测定***、气体供应***，所述恒温***包括用于构置吸附温度的第一恒温水浴装置和用于构置瓦斯解吸温度的第二恒温水浴装置；所述吸附解吸罐体装置设置于恒温***内，吸附解吸罐体装置包括依次连接的参考罐、煤样吸附罐和解吸仪；所述抽真空***和气体供应***与参考罐连接，所述气体供应***包括气瓶柜、设置在气瓶柜内的测试气体瓶和氦气瓶，所述测试气体瓶和氦气瓶分别与参考罐连通；所述压力测定***包括用于测定参考罐内压力的参考罐压力传感器、用于测定煤样吸附罐内压力的煤样吸附罐压力传感器、用于测定抽真空***压力的真空计、数据采集仪以及数据显示测定仪，所述参考罐压力传感器、煤样吸附罐压力传感器、真空计分别与数据采集仪电连接，所述数据采集仪与数据显示测定仪电连接，所述数据采集仪采集参考罐压力传感器、煤样吸附罐压力传感器、真空计的数据，并将采集到的数据传输给数据显示测定仪，通过数据显示测定仪进行显示、收集及测定。
进一步，所述参考罐进口端设置有用于与抽真空***、测试气体瓶、氦气瓶连接的第一连接管，参考罐出口端通过第二连接管与煤样吸附罐进口端连通，煤样吸附罐出口端通过第三连接管与解吸仪连通，所述第一连接管上设置有第一高压针阀，第二连接管上设置有第二高压针阀，第三连接管上设置有第三高压针阀。
进一步，所述抽真空***包括真空泵，所述真空泵通过第四连接管与第一连接管连通，所述测试气体瓶通过第五连接管与第一连接管连通，所述氦气瓶通过第六连接管与第一连接管连通，所述第四连接管上设置有第四高压针阀，第五连接管上设置有第五高压针阀和第一减压阀，第六连接管上设置有第六高压针阀和第二减压阀。
进一步，所述参考罐压力传感器设置在参考罐上，所述煤样吸附罐压力传感器设置在煤样吸附罐上。
本发明还公开了一种瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.现场采集煤样；
b.对实验***的气密性、稳定性及压力测定***的可用性进行检测；
c.煤样称重抽真空脱气，取煤样量的质量mcoal装于煤样吸附罐中，密封后连接真空泵抽真空，且煤样脱气不少于十二个小时；
d.煤样吸附罐内自由空间体积测定，通过冲入氦气利用容量法测定煤样吸附罐内自由空间体积或煤样吸附罐内内空间体积标定然后计算得到自由空间体积Vf，然后抽真空一个小时；
e.煤样吸附实验，向脱过气的煤样吸附罐中冲入一定量的甲烷气体，并在恒温***(温度等同于矿井煤层温度Tad)条件下达到吸附平衡，最后达到平衡的压力值Peq；
f.煤样解吸实验，将煤样达到吸附平衡后的煤样吸附罐连接解吸仪，关闭第二高压针阀，打开第三高压针阀收集暴露时间为tep的瓦斯逸散量Q，并测定每个时间点的瓦斯的解吸量qi；
g.瓦斯损失量测算，通过步骤c、d测定吸附平衡压力Peq、自由空间体积Vf及吸附温度Tad计算出达到吸附平衡压力时的自由气体量Qf，利用步骤e暴露过程瓦斯逸散量Q减去自由气体量Qf得到瓦斯损失量Ql；
h.瓦斯损失含量补偿模型修正，通过步骤f测定瓦斯解吸量qi得到瓦斯解吸规律，综合步骤g的瓦斯损失量Ql校正瓦斯损失量测算模型，并对模型关键参数进行统计修正，其计算公式为：
φk＝γsφm
式中，φj为拟合计算得到的第j个模型参数，φm为拟合计算得到的第j个模型参数平均值，φf为拟合计算得到的第j个模型标准差，φk为拟合计算得到的第j个模型标准值，n为拟合计算的个数，δ为变异系数，γs为统计修正系数，注：式中正负号按不利组合考虑。
进一步，步骤g中，自由气体量Qf由范德瓦耳斯气体(简称范氏气体)状态方程计算，其计算公式为：
(Peq1+a/Vf 2)(Vf－b)＝nRT
Qf＝22400×n；
式中，a、b为分别考虑了范氏气体分子之间有引力作用和分子占有一定体积而引进的范氏修正量；Peq1为相对气体平衡压力，单位为Pa；R为气体常数，8.314J/k/mol；T为开尔文吸附温度，T＝273.15+Tad，单位为K；n为气体物质的量，单位为mol；Qf为煤样吸附罐中达到吸附平衡的游离气体量，单位为mL；
根据自由气体量Qf和标态(0℃，101kPa)下暴露过程瓦斯放散收集量Q’，计算得出标态下，瓦斯损失量Ql＝Q’-Qf。
进一步，标态(0℃，101kPa)下暴露过程瓦斯放散收集量Q’的计算公式为：
Q’＝101×(273.15+Tde)/(P0×273.15)×Q
式中，Tde是解吸试验温度，单位为K；P0是大气压力，单位为kPa；Q为暴露时间为tep的瓦斯逸散量。
本发明的有益效果：本发明的瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法，可实现对煤样暴露过程中的瓦斯损失量及初期解吸规律进行模拟测定，为修正瓦斯含量损失量补偿模型修正提供有效试验手段，为直接发测定煤层瓦斯含量中瓦斯损失量计算提供科学的补偿修正模型，提高直接法的测量准确度，为煤矿安全开采提供技术保障。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明煤样吸附实验示意图；
图3为本发明煤样解吸实验示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明煤样吸附实验示意图，图3为本发明煤样解吸实验示意图，如图所示：本实施例的瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***，包括恒温***1、吸附解吸罐体装置、抽真空***、压力测定***、气体供应***，所述恒温***1包括用于构置吸附温度的第一恒温水浴装置和用于构置瓦斯解吸温度的第二恒温水浴装置；所述吸附解吸罐体装置设置于恒温***1内，吸附解吸罐体装置包括依次连接的参考罐4、煤样吸附罐3和解吸仪2；所述抽真空***和气体供应***与参考罐4连接，所述气体供应***包括气瓶柜12、设置在气瓶柜12内的测试气体瓶13和氦气瓶14，所述测试气体瓶13和氦气瓶14分别与参考罐4连通；所述压力测定***包括用于测定参考罐4内压力的参考罐压力传感器7、用于测定煤样吸附罐3内压力的煤样吸附罐压力传感器6、用于测定抽真空***压力的真空计10、数据采集仪8以及数据显示测定仪9，所述参考罐压力传感器7、煤样吸附罐压力传感器6、真空计10分别与数据采集仪8电连接，所述数据采集仪8与数据显示测定仪9电连接，所述数据采集仪8采集参考罐压力传感器7、煤样吸附罐压力传感器6、真空计10的数据，并将采集到的数据传输给数据显示测定仪9，通过数据显示测定仪9进行显示、收集及测定。本实施例中，第一恒温水浴装置用于构置瓦斯吸附温度，即煤层温度；第二恒温水浴装置用于构置瓦斯解吸温度，即井下煤样瓦斯解吸环境温度；解吸仪2用于测量暴露时间中甲烷气体放散收集量，煤样吸附罐3用于盛装煤样完成吸附解吸实验，参考罐4用于储存测试气体及作为容量法中参考罐测定吸附量、解吸量；抽真空***用于煤样抽真空脱气；气瓶柜12用于保证测试气体瓶13和氦气瓶14的安全储存，测试气体瓶13用于提供测试气体供应，氦气瓶14用于提供校正气体的供应。
本实施例中，所述参考罐4进口端设置有用于与抽真空***、测试气体瓶13、氦气瓶14连接的第一连接管，参考罐4出口端通过第二连接管与煤样吸附罐3进口端连通，煤样吸附罐3出口端通过第三连接管与解吸仪2连通，所述第一连接管上设置有第一高压针阀5-3，第二连接管上设置有第二高压针阀5-2，第三连接管上设置有第三高压针阀5-1，通过设置第一高压针阀5-3、第二高压针阀5-2以及第三高压针阀5-1，以实现流量控制；本实施例的第一、第二、第三连接管可采用软管，方便罐体的移动、装运。
本实施例中，所述抽真空***包括真空泵11，所述真空泵11通过第四连接管与第一连接管连通，用于煤样抽真空脱气；所述测试气体瓶13通过第五连接管与第一连接管连通，所述氦气瓶14通过第六连接管与第一连接管连通，所述第四连接管上设置有第四高压针阀5-4，第五连接管上设置有第五高压针阀5-5和第一减压阀15-2，第六连接管上设置有第六高压针阀5-6和第二减压阀15-1，通过第四至第五连接管将参考罐4与抽真空***和气体供应***相连通，使用时可通过控制相应的高压针阀开关实现测试气体、自由空间校正气体导流及抽真空等功能；通过设置减压阀，实现出口气体压力调节。
本实施例中，所述参考罐压力传感器7设置在参考罐4上，实现对参考罐4的压力测定；所述煤样吸附罐压力传感器6设置在煤样吸附罐3压力传感器上，实现对煤样吸附罐3的压力测定。
本发明还公开了一种瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***及方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.现场采集煤样；针对具体煤层，根据生产矿井井下瓦斯含量测定的实际操作状况，使用该矿测定工作中常用钻取煤样的方法，保证煤样的可靠性；
b.对实验***的气密性、稳定性及压力测定***的可用性进行检测；通过各高压针阀控制及冲入气体检测实验***的各个管路部分气密性，检测恒温***稳定性及压力测试***的可用性；
c.煤样称重抽真空脱气，取煤样量的质量mcoal装于煤样吸附罐中，密封后连接真空泵抽真空，且煤样脱气不少于十二个小时；
d.煤样吸附罐内自由空间体积测定；通过冲入氦气利用容量法测定煤样吸附罐内自由空间体积或煤样吸附罐内内空间体积标定然后计算得到自由空间体积Vf，然后抽真空一个小时；
e.煤样吸附实验，向脱过气的煤样吸附罐中冲入一定量的甲烷气体，并在恒温***(温度等同于矿井煤层温度Tad)条件下达到吸附平衡，最后达到平衡的压力值Peq；
f.煤样解吸实验，将煤样达到吸附平衡后的煤样吸附罐连接解吸仪，关闭第二高压针阀，打开第三高压针阀收集暴露时间为tep的瓦斯逸散量Q，并测定每个时间点的瓦斯的解吸量qi；
g.瓦斯损失量测算，通过步骤c、d测定吸附平衡压力Peq、自由空间体积Vf及吸附温度Tad计算出达到吸附平衡压力时的自由气体量Qf，利用步骤e暴露过程瓦斯逸散量Q减去自由气体量Qf得到瓦斯损失量Ql；
h.瓦斯损失含量补偿模型修正，通过步骤f测定瓦斯解吸量qi得到瓦斯解吸规律，综合步骤g的瓦斯损失量Ql校正瓦斯损失量测算模型，并对模型关键参数进行统计修正，其计算公为：
φk＝γsφm
式中，φj为拟合计算得到的第j个模型参数，φm为拟合计算得到的第j个模型参数平均值，φf为拟合计算得到的第j个模型标准差，φk为拟合计算得到的第j个模型标准值，n为拟合计算的个数，δ为变异系数，γs为统计修正系数，注：式中正负号按不利组合考虑。
本实施例中，步骤g中，自由气体量Qf由范德瓦耳斯气体(简称范氏气体)状态方程计算，其计算公式为：
(Peq1+a/Vf 2)(Vf－b)＝nRT
Qf＝22400×n；
式中，a、b为分别考虑了范氏气体分子之间有引力作用和分子占有一定体积而引进的范氏修正量(如表4所示)；Peq1为相对气体平衡压力，单位为Pa；R为气体常数，8.314J/k/mol；T为开尔文吸附温度，T＝273.15+Tad，单位为K；n为气体物质的量，单位为mol；Qf为煤样吸附罐中达到吸附平衡的游离气体量，单位为mL；
根据自由气体量Qf和标态(0℃，101kPa)下暴露过程瓦斯放散收集量Q’，计算得出标态下，瓦斯损失量Ql＝Q’-Qf。
标态(0℃，101kPa)下暴露过程瓦斯放散收集量Q’的计算公式为：
Q’＝101×(273.15+Tde)/(P0×273.15)×Q
式中，Tde是解吸试验温度，单位为K；P0是大气压力，单位为kPa；Q为暴露时间为tep的瓦斯逸散量。
本实施例的罐内煤样质量mc、自由空间体积Vf、吸附试验温度Tad、吸附平衡压力Peq、解吸试验温度Tde、暴露时间tep、暴露过程中的瓦斯放散收集量Q、瓦斯解吸量数据qi、大气压力P0、室内温度Tro、瓦斯放散收集量Q’以及损失瓦斯含量Ql的计算数据见表1和表2所示；
表1实验数据记录
| m<sub>c</sub>(g) | V<sub>f</sub>(mL) | T<sub>ad</sub>(℃) | P<sub>eq1</sub>(kPa) | T<sub>de</sub>(℃) | t<sub>ep</sub>(min) |
| 20 | 55.56 | 30 | 310 | 14.8 | 1 |
| Q(mL) | P<sub>0</sub>(kPa) | T<sub>ro</sub>(℃) | Q’(mL) | Q<sub>f</sub>(mL) | Q<sub>l</sub>(mL/g) |
| 153.03 | 98.85 | 14.8 | 142.07 | 110.07 | 1.6 |
表2瓦斯解吸量实验数据
| t<sub>i</sub> | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| q<sub>i</sub> | 6 | 10 | 12.8 | 15.2 | 17.6 | 17.6 | 20.6 | 22.8 | 24.2 | 25.8 |
| t<sub>i</sub> | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| q<sub>i</sub> | 27.6 | 28.8 | 30 | 31.4 | 32.4 | 34 | 34.8 | 35.4 | 36.8 | 37.4 |
| t<sub>i</sub> | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
| q<sub>i</sub> | 38.2 | 39.2 | 40 | 41.4 | 42 | 43 | 43.8 | 44.8 | 45.4 | 46 |
表2中，ti表示第i个时间点，时间间隔是1min；qi是表示第i解吸量，单位为mL；
通过对Q＝ati公式拟合得到i＝0.260，同理得到同一组其他5个i值为0.256、0.253、0.258、0.269、0.265
通过计算得到补偿模型关键参数i的标准值为0.255，其计算各个数据如表3所示：
表3关键参数i标准值计算过程中各值
| n | i<sub>m</sub> | i<sub>f</sub> | δ | i<sub>s</sub> | i<sub>k</sub> |
| 6 | 0.260167 | 0.005913 | 0.022729 | 0.981235 | 0.255285 |
表4范德华方程式修正量a、b取值
| 气体 | a/(Pa·m<sup>6</sup>·mol<sup>-2</sup>) | b/(10<sup>-5</sup>m<sup>3</sup>·mol<sup>-1</sup>) |
| CH<sub>4</sub> | 0.2283 | 4.278 |
| CO<sub>2</sub> | 0.3640 | 4.267 |
| O<sub>2</sub> | 0.1378 | 3.183 |
| N<sub>2</sub> | 0.1408 | 3.913 |
| He | 0.003457 | 2.370 |
| CO | 0.151 | 3.99 |
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种采用瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***的修正方法，瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***包括恒温***、吸附解吸罐体装置、抽真空***、压力测定***、气体供应***，所述恒温***包括用于构置吸附温度的第一恒温水浴装置和用于构置瓦斯解吸温度的第二恒温水浴装置；所述吸附解吸罐体装置设置于恒温***内，吸附解吸罐体装置包括依次连接的参考罐、煤样吸附罐和解吸仪；所述抽真空***和气体供应***与参考罐连接，所述气体供应***包括气瓶柜、设置在气瓶柜内的测试气体瓶和氦气瓶，所述测试气体瓶和氦气瓶分别与参考罐连通；所述压力测定***包括用于测定参考罐内压力的参考罐压力传感器、用于测定煤样吸附罐内压力的煤样吸附罐压力传感器、用于测定抽真空***压力的真空计、数据采集仪以及数据显示测定仪，所述参考罐压力传感器、煤样吸附罐压力传感器、真空计分别与数据采集仪电连接，所述数据采集仪与数据显示测定仪电连接，所述数据采集仪采集参考罐压力传感器、煤样吸附罐压力传感器、真空计的数据，并将采集到的数据传输给数据显示测定仪，通过数据显示测定仪进行显示、收集及测定；
所述参考罐进口端设置有用于与抽真空***、测试气体瓶、氦气瓶连接的第一连接管，参考罐出口端通过第二连接管与煤样吸附罐进口端连通，煤样吸附罐出口端通过第三连接管与解吸仪连通，所述第一连接管上设置有第一高压针阀，第二连接管上设置有第二高压针阀，第三连接管上设置有第三高压针阀；
所述抽真空***包括真空泵，所述真空泵通过第四连接管与第一连接管连通，所述测试气体瓶通过第五连接管与第一连接管连通，所述氦气瓶通过第六连接管与第一连接管连通，所述第四连接管上设置有第四高压针阀，第五连接管上设置有第五高压针阀和第一减压阀，第六连接管上设置有第六高压针阀和第二减压阀；
所述参考罐压力传感器设置在参考罐上，所述煤样吸附罐压力传感器设置在煤样吸附罐上，其特征在于，采用瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***的修正方法包括以下步骤：
a.现场采集煤样；
b.对实验***的气密性、稳定性及压力测定***的可用性进行检测；
c.煤样称重抽真空脱气，取煤样量的质量mcoal装于煤样吸附罐中，密封后连接真空泵抽真空，且煤样脱气不少于十二个小时；
d.煤样吸附罐内自由空间体积测定，通过冲入氦气利用容量法测定煤样吸附罐内自由空间体积或煤样吸附罐内内空间体积标定然后计算得到自由空间体积Vf，然后抽真空一个小时；
e.煤样吸附实验，向脱过气的煤样吸附罐中冲入一定量的甲烷气体，并在恒温***温度等同于矿井煤层温度Tad条件下达到吸附平衡，最后达到平衡的压力值Peq；
f.煤样解吸实验，将煤样达到吸附平衡后的煤样吸附罐连接解吸仪，关闭第二高压针阀，打开第三高压针阀收集暴露时间为tep的瓦斯逸散量Q，并测定每个时间点的瓦斯的解吸量qi；
g.瓦斯损失量测算，通过步骤c、d测定吸附平衡压力Peq、自由空间体积Vf及吸附温度Tad计算出达到吸附平衡压力时的自由气体量Qf，利用步骤e暴露过程瓦斯逸散量Q减去自由气体量Qf得到瓦斯损失量Ql；
h.瓦斯损失含量补偿模型修正，通过步骤f测定瓦斯解吸量qi得到瓦斯解吸规律，综合步骤g的瓦斯损失量Ql校正瓦斯损失量测算模型，并对模型关键参数进行统计修正，其计算公式为：
φk＝γsφm
式中，φj为拟合计算得到的第j个模型参数，φm为拟合计算得到的第j个模型参数平均值，φf为拟合计算得到的第j个模型标准差，φk为拟合计算得到的第j个模型标准值，n为拟合计算的个数，δ为变异系数，γs为统计修正系数，注：式中正负号按不利组合考虑。
2.根据权利要求1所述的采用瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***的修正方法，其特征在于：步骤g中，自由气体量Qf由范德瓦耳斯气体(简称范氏气体)状态方程计算，其计算公式为：
(Peq1+a/Vf 2)(Vf－b)＝nRT
Qf＝22400×n；
式中，a、b为分别考虑了范氏气体分子之间有引力作用和分子占有一定体积而引进的范氏修正量；Peq1为相对气体平衡压力，单位为Pa；R为气体常数，8.314J/k/mol；T为开尔文吸附温度，T＝273.15+Tad，单位为K；n为气体物质的量，单位为mol；Qf为煤样吸附罐中达到吸附平衡的游离气体量，单位为mL；
根据自由气体量Qf和标态(0℃，101kPa)下暴露过程瓦斯放散收集量Q’，计算得出标态下，瓦斯损失量Ql＝Q’-Qf。
3.根据权利要求2所述的采用瓦斯含量直接测定法瓦斯损失量补偿模型实验***的修正方法，其特征在于：标态(0℃，101kPa)下暴露过程瓦斯放散收集量Q’的计算公式为：
Q’＝101×(273.15+Tde)/(P0×273.15)×Q
式中，Tde是解吸试验温度，单位为K；P0是大气压力，单位为kPa；Q为暴露时间为tep的瓦斯逸散量。
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