一、項(xiàng)目背景
某煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，準(zhǔn)確測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)域的煤樣甚至沒有解吸量，導(dǎo)致瓦斯損失量無從推算或推算值甚小，影響最終瓦斯含量測值。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：通過鉆頭前端排氣孔噴出氣體的射流作用和高速氣流對周圍流體的引射作用，致使排氣孔附近形成低壓區(qū)，對外環(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
在測試該煤礦13-1、11-2、8和5號煤層反循環(huán)壓風(fēng)取樣過程瓦斯解吸規(guī)律的基礎(chǔ)上，提取各煤層不同瓦斯含量W和對應(yīng)的V1值，采用公式（1）對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定方法》存在測定裝備復(fù)雜、瓦斯含量測定周期長（2～7天）問題。實(shí)驗(yàn)用CHP50M煤層瓦斯含量快速測定儀對煤層瓦斯含量快速測定。在已知A、B時(shí)，通過采集煤層煤樣并測定煤樣的瓦斯解吸速度V1，可以快速測定煤層瓦斯含量。
三、應(yīng)用效果
1.取樣技術(shù)評價(jià)
采用麻花鉆桿工藝和反循環(huán)壓風(fēng)工藝分別測試了不同孔深的取樣時(shí)間和定點(diǎn)取樣率，測試結(jié)果見表2所示。
表2 取樣評價(jià)指標(biāo)對比
由表2可知，在同一煤層同一地點(diǎn)的取樣過程中，隨著取樣孔深延長，取樣耗費(fèi)時(shí)間不斷增長，取樣深度達(dá)到30m時(shí)，麻花鉆桿取樣時(shí)間已遠(yuǎn)超國標(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。對于瓦斯損失量推算環(huán)節(jié)，當(dāng)取樣時(shí)間超過5min之后，瓦斯解吸規(guī)律反推的瓦斯損失量會遠(yuǎn)小于實(shí)際量，結(jié)果誤差被擴(kuò)大。由此可見，對于大于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.瓦斯含量測定技術(shù)評價(jià)
礦井常用的井下鉆屑解吸法將煤層瓦斯含量測定分為取樣過程瓦斯損失量、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)室測試，整個(gè)測試周期不少于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，采用瓦斯含量測定周期和瓦斯含量測值兩項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對比分析井下鉆屑解吸法和CHP50M法測定煤層瓦斯含量的應(yīng)用效果，測試結(jié)果見表3所示。
表3瓦斯含量測定技術(shù)評價(jià)指標(biāo)對比
從瓦斯含量測定周期看，CHP50M法利用了煤層瓦斯含量與V1的線性關(guān)系，取樣后測試煤樣5min的瓦斯解吸規(guī)律就可迅速測算出V1值，進(jìn)而得到煤層瓦斯含量。與鉆屑解吸法相比，將瓦斯含量測定周期從2天縮短至5min，大大提高了測定效率。
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，對于準(zhǔn)確預(yù)測突出危險(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)測試該煤礦4個(gè)煤層反循環(huán)壓風(fēng)取樣過程瓦斯解吸規(guī)律的基礎(chǔ)上，提取各煤層瓦斯含量W和對應(yīng)的V1值，采用線性函數(shù)對W和V1值進(jìn)行擬合，確定了13-1、11-2、8和5號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)場考察了反循環(huán)取樣工藝配合CHP50M法測定煤層瓦斯含量技術(shù)和麻花鉆桿配合鉆屑解吸法測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、瓦斯含量測定周期、瓦斯含量測值準(zhǔn)確率等考核技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了評價(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值，并將煤層瓦斯含量測定周期縮短至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、區(qū)域消突效果檢驗(yàn)、礦井瓦斯涌出量預(yù)測及煤層氣資源儲量估算的準(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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