一、項(xiàng)目背景
某煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量成為礦井安全高效采煤的重要基礎(chǔ)。目前采用麻花鉆桿排粉取樣，由于取樣工藝固有缺陷，煤樣采集之后的井下瓦斯解吸量很小，個(gè)別區(qū)域的煤樣甚至沒(méi)有解吸量，導(dǎo)致瓦斯損失量無(wú)從推算或推算值甚小，影響最終瓦斯含量測(cè)值。在此背景下，該礦和煤科集團(tuán)合作，在反循環(huán)壓風(fēng)定點(diǎn)快速取樣技術(shù)基礎(chǔ)上，建立一種合理的煤層瓦斯含量快速測(cè)定方法。利用瓦斯解吸規(guī)律與瓦斯含量的數(shù)值模型，編制煤層瓦斯含量計(jì)算方法，最終形成一套適合劉莊煤礦井下直接測(cè)定煤層瓦斯含量方法。
二、項(xiàng)目技術(shù)
1.反循環(huán)壓風(fēng)定點(diǎn)快速取樣技術(shù)
其機(jī)理是：通過(guò)鉆頭前端排氣孔噴出氣體的射流作用和高速氣流對(duì)周圍流體的引射作用，致使排氣孔附近形成低壓區(qū)，對(duì)外環(huán)間隙構(gòu)成抽吸，同時(shí)排氣孔隨鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)，使孔底形成環(huán)狀負(fù)壓區(qū)，有效阻止正循環(huán)形成，氣體通過(guò)導(dǎo)流和擴(kuò)散進(jìn)入鉆頭中心孔，形成反循環(huán)。同時(shí)鉆頭的內(nèi)管設(shè)計(jì)了引射孔，當(dāng)鉆孔內(nèi)外管之間的壓風(fēng)到達(dá)鉆頭底部，形成反沖，部分風(fēng)流，進(jìn)入鉆頭中心內(nèi)管，形成負(fù)壓引射流，有助于鉆頭前端的氣體形成反循環(huán)。氣體反循環(huán)流動(dòng)攜帶鉆孔底部的鉆屑從雙壁鉆桿的內(nèi)管反出，排出孔外。取樣工藝圖見(jiàn)圖1。
1.鉆頭；2.引射管體；3. 雙壁鉆桿；4水變；5鉆機(jī)；6樣品收集裝置；7.鉆孔；8.壓風(fēng)接頭
圖1反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝
2.基于瓦斯解吸規(guī)律的煤層瓦斯含量計(jì)算模型
（1）煤層瓦斯含量W的數(shù)值關(guān)系式：
瓦斯解吸特征參數(shù)V1值定義為煤樣脫離煤體后第1min的瓦斯解吸速度，cm3/(g.min)；煤中瓦斯解吸速度特征值V1與含量具有很好的線性關(guān)系，可以用來(lái)確定煤的瓦斯含量。
A、B—儀器常數(shù)。
（2）各煤層瓦斯含量與V1值關(guān)系確定
在測(cè)試該煤礦13-1、11-2、8和5號(hào)煤層反循環(huán)壓風(fēng)取樣過(guò)程瓦斯解吸規(guī)律的基礎(chǔ)上，提取各煤層不同瓦斯含量W和對(duì)應(yīng)的V1值，采用公式（1）對(duì)W和V1值進(jìn)行擬合，獲得兩者之間的線性關(guān)系，13-1、11-2、8和5號(hào)煤層的瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與瓦斯含量W的線性函數(shù)A、B值，見(jiàn)表1。
表1各煤層瓦斯含量W和V1值的線性函數(shù)關(guān)系
《GBT23250-2009煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》存在測(cè)定裝備復(fù)雜、瓦斯含量測(cè)定周期長(zhǎng)（2～7天）問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)用CHP50M煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀對(duì)煤層瓦斯含量快速測(cè)定。在已知A、B時(shí)，通過(guò)采集煤層煤樣并測(cè)定煤樣的瓦斯解吸速度V1，可以快速測(cè)定煤層瓦斯含量。
三、應(yīng)用效果
1.取樣技術(shù)評(píng)價(jià)
采用麻花鉆桿工藝和反循環(huán)壓風(fēng)工藝分別測(cè)試了不同孔深的取樣時(shí)間和定點(diǎn)取樣率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所示。
表2 取樣評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比
由表2可知，在同一煤層同一地點(diǎn)的取樣過(guò)程中，隨著取樣孔深延長(zhǎng)，取樣耗費(fèi)時(shí)間不斷增長(zhǎng)，取樣深度達(dá)到30m時(shí)，麻花鉆桿取樣時(shí)間已遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)規(guī)定的采樣時(shí)間5min，而反循環(huán)壓風(fēng)取樣時(shí)間僅約1min，取樣效率極高。對(duì)于瓦斯損失量推算環(huán)節(jié)，當(dāng)取樣時(shí)間超過(guò)5min之后，瓦斯解吸規(guī)律反推的瓦斯損失量會(huì)遠(yuǎn)小于實(shí)際量，結(jié)果誤差被擴(kuò)大。由此可見(jiàn)，對(duì)于大于30m的深孔取樣，反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝能夠滿足要求，而麻花鉆桿定點(diǎn)取樣率均不達(dá)標(biāo)。
2.瓦斯含量測(cè)定技術(shù)評(píng)價(jià)
礦井常用的井下鉆屑解吸法將煤層瓦斯含量測(cè)定分為取樣過(guò)程瓦斯損失量、井下解吸量和殘存瓦斯含量三部分，殘存瓦斯含量需要到地面實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，整個(gè)測(cè)試周期不少于2天。試驗(yàn)將麻花鉆桿取樣工藝與井下鉆屑解吸法聯(lián)合使用，反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝與CHP50M法聯(lián)合使用，采用瓦斯含量測(cè)定周期和瓦斯含量測(cè)值兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析井下鉆屑解吸法和CHP50M法測(cè)定煤層瓦斯含量的應(yīng)用效果，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所示。
表3瓦斯含量測(cè)定技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比
從瓦斯含量測(cè)定周期看，CHP50M法利用了煤層瓦斯含量與V1的線性關(guān)系，取樣后測(cè)試煤樣5min的瓦斯解吸規(guī)律就可迅速測(cè)算出V1值，進(jìn)而得到煤層瓦斯含量。與鉆屑解吸法相比，將瓦斯含量測(cè)定周期從2天縮短至5min，大大提高了測(cè)定效率。
四、主要結(jié)論
1.反循環(huán)壓風(fēng)取樣技術(shù)操作簡(jiǎn)便，定位采樣準(zhǔn)確，定點(diǎn)取樣率100%，且采樣時(shí)間短，采樣量充足，30m孔深取樣僅需1min，完全能夠?qū)崿F(xiàn)深孔的定點(diǎn)快速取樣，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性、保障工作面安全生產(chǎn)具有重要意義。
2.推導(dǎo)出瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與瓦斯含量W呈線性函數(shù)關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試該煤礦4個(gè)煤層反循環(huán)壓風(fēng)取樣過(guò)程瓦斯解吸規(guī)律的基礎(chǔ)上，提取各煤層瓦斯含量W和對(duì)應(yīng)的V1值，采用線性函數(shù)對(duì)W和V1值進(jìn)行擬合，確定了13-1、11-2、8和5號(hào)煤層的瓦斯解吸特征參數(shù)V1值與瓦斯含量W的線性函數(shù)A、B值。
3.現(xiàn)場(chǎng)考察了反循環(huán)取樣工藝配合CHP50M法測(cè)定煤層瓦斯含量技術(shù)和麻花鉆桿配合鉆屑解吸法測(cè)定煤層瓦斯含量技術(shù)，分別從定點(diǎn)快速取樣時(shí)間、定點(diǎn)取樣率、瓦斯含量測(cè)定周期、瓦斯含量測(cè)值準(zhǔn)確率等考核技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝克服了麻花鉆桿取樣缺陷，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)快速取樣，采用CHP50M法提高了煤層瓦斯含量測(cè)值，并將煤層瓦斯含量測(cè)定周期縮短至5min。
五、推廣應(yīng)用前景
該項(xiàng)目解決了定點(diǎn)快速取樣難題，突破瓦斯含量快速測(cè)定技術(shù)“瓶頸”，其應(yīng)用和推廣將有利于提高瓦斯突出預(yù)測(cè)、區(qū)域消突效果檢驗(yàn)、礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及煤層氣資源儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性，有效防止瓦斯突出事故的發(fā)生，有效提高礦井生產(chǎn)效率。
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