直接法测定煤层瓦斯含量及误差影响分析

【摘 要】 首先介绍了直接法测定煤层瓦斯含量的原理和操作步骤，总结出用直接法测定瓦斯含量的一些影响因素，针对这些影响因素提出相应的对策措施，旨在将测定过程中产生的误差减少到最低程度，提高实验测定结果精度，为矿井瓦斯涌出量的预测、煤层气的开发利用及瓦斯突出与预防研究等提供可靠的理论数据支持。

【关键词】 直接法 瓦斯含量 误差分析

目前，矿井瓦斯仍是影响煤矿总体安全水平的主要因素之一，国内外煤层瓦斯含量测定常用的有间接法和直接法。间接法是等温吸附线计算法，根据井下煤层原始瓦斯压力和实验室测定的煤吸附常数及工业分析结果，运用朗格缪尔方程计算瓦斯含量[1]。该方法存在煤层原始瓦斯压力测定工艺复杂、成本较高等缺点。直接法具有方便快捷、简单合理等特点，测定的数值比较客观真实，因而在条件具备的情况下是首选的瓦斯含量测定方法[2]。但是直接法在保证气密性方面等方面也存在一定问缺点，这就要求我们尽可能找出整体操作过程中的影响因素并提出切实可行的解决措施，提高直接法测定煤层瓦斯含量的精准性。

1 直接法测定煤层瓦斯含量的原理

当煤样剥离原始煤体后，煤样暴露于大气之中，其周围环境的压力变成测定地点的大气压力，压力降低，煤样中游离瓦斯和吸附瓦斯的动平衡状态遭到了破坏，原来吸附于煤样中的瓦斯开始解吸，直至煤样中的瓦斯压力等于测定地点的大气压力而达到新的动态平衡[3]。直接法测定煤层瓦斯含量就是利用瓦斯解吸仪测定煤样解吸瓦斯量，根据其解吸规律和煤样暴露时间推算损失瓦斯量，实验室获取瓦斯残存量，得到瓦斯解吸量、瓦斯损失量和残存瓦斯解吸量之和即为煤层瓦斯含量。

2 直接法测定煤层瓦斯含量的步骤

直接法测定煤层瓦斯含量总体上分为井下煤样直接解析和实验室煤样瓦斯残存含量测定两部分，具体测试过程如图1所示。

图1 直接法测煤层瓦斯含量过程图

2.1 采取煤样，井下直接解析

选择合适的采样地点钻孔采集煤样后，立即装入煤样罐并拧紧密封，将密封后的煤样罐与瓦斯解析速度测定仪相连接，进行井下瓦斯解析。此过程要记录好暴露时间、开始解析时间，每隔一段时间量管读数等必要数据。开始一段时间每隔2min读取量管的读数，后期可延长到10-20min，当解析速度小于1nm/min时，停止解析，并按国标GBT 23250-2009（以下简称国标）[4]中的体积转换公式将每一次量管读数的体积转换为标准条件下的体积，计算累积解析瓦斯量V1，解析后将密封罐密封，及时送至实验室进行残存瓦斯含量测定。

2.2 计算采样过程中损失瓦斯量

直接法测煤层瓦斯含量过程中，损失瓦斯量的计算主要有图解法和经验公式法，实验室常用依据国标中的图解法即法和数学解析法计算出损失量。当解析量比较大或观测点比较分散时，采用数学解析法计算。解析法如式（1）：

V0=a+b=a+bT （1）

a，b为待定常数，可用最小二乘法求解，当T=0时，V0=a，即所求的损失瓦斯量。

2.3 实验室残存瓦斯含量测定

实验开始前对煤样罐、真空脱气仪进行严格的气密性检查。煤样要进行粉碎前常温、加热脱气，粉碎后常温、加热脱气两个阶段。粉碎前加热温度95℃，每隔30min重新抽气，记录量筒读数、大气压力、室温、压力表温度等相关数据，直到30min内泻出瓦斯量小于10cm3。粉碎是在球磨罐内进行，粉碎3-4h，使得煤样粒度达到 0.25mm以下，然后用球磨罐重复粉碎前的脱气操作。将两个阶段脱气的总体积按国标中的体积转换式变换成标准状况下的体积V0，将两个脱气阶段获得的气体分别进行色谱分析，换算得到标准状况下混合气体中瓦斯组分体积浓度V3、V4。

2.4 计算煤层瓦斯含量

煤样的总瓦斯含量包括四部分，即采样过程中损失瓦斯量、现场解析瓦斯量、粉碎前脱气抽出瓦斯量及粉碎后脱气抽出瓦斯量。将脱气后的煤样称量重量，经过工业分析仪测定，得出煤样水分Mad、灰分Aad、以及煤样可燃质重量Gr，最后将各个阶段已得到的标准状况下瓦斯体积Vi（i=1，2，3，4）相加除以煤样可燃质重量Gr，即得到煤层瓦斯含量X，即每克可燃质中含有的瓦斯量。

3 影响因素分析及对策建议

3.1 煤样采取地点的选择

煤层含瓦斯量的大小，与煤形成后瓦斯的逸散和运移条件，以及煤的吸附性和孔隙率等因素，所有这些都与煤的变质程度、煤层上覆有效地层厚度、煤层倾角等煤层赋存条件有关。一般来说煤的变质程度越高，煤层厚度越大，煤层倾角越小，煤的瓦斯含量就越高。

因此，我们在选择煤样的采样地点时，首先应充分考虑到采取地点应能从总体上反映该煤层的煤田地质史、煤的变质程度，不能选在煤层倾角生较大变化的地点。其次，采样地点的水文地质条件简单、煤层含水量小，应避开大的褶曲断层等地质构造。

3.2 井下煤样罐、解析仪气密性影响

在井下采取煤样后进行井下解析时，如果煤样罐漏气，则煤样罐内的瓦斯在向量管内排放的同时也向周围的空气中排放，必然导致瓦斯含量测定值偏低；如果解吸仪漏气，则周围空气的进入也会使量管的液面下降，必然会导致瓦斯含量测定值偏高。

2010年11月，保安分区3#煤东区轨道巷采取煤样进行试样，共采集两份6个煤样罐，一份在煤样罐气密性不达标情况下进行。测定结果如图2。[5]由图可以看出，煤样罐漏气时测得的瓦斯含量比实际值偏小。因此，井下解析之前首先要检查煤样罐和解吸仪的气密性。煤样罐检查方法为向罐内冲入1.5kPa空气放入水查看是否有漏气现象，有漏气现象一律更换。同时查看煤样罐的密封垫圈和针头插孔胶垫，有无出现裂痕、磨损和老化现象并及时更换。（如图2）

3.3 煤样的暴露时间影响

煤样的暴露时间是指自煤样在钻孔中脱离煤体至开始进行解吸测定的这段时间。由于在解吸测定前的这段时间为煤样暴露时间，即使在拧紧煤样罐的过程中，煤样中的瓦斯也应该正常解吸，所以我们应该尽量缩短煤样的暴露时间。标准规定采样时间不能超过5min，但目前实际操作中很难做到，大多会超过40min。通过实践证明，只要将采样时间控制在40min以内，就能测得较准确的瓦斯含量值。而如果超过这个时间，就会因为煤样瓦斯解吸规律改变，而使测定结果出现较大误差。

因此，井下解析的时候要选择合理的取芯技术，用有经验的工人采取煤样，尽量缩短煤样暴露时间，减少煤层瓦斯损失量。

3.4 损失瓦斯量的推算影响

在用直接法测定煤层原始瓦斯含量过程中，井下瓦斯解析量、实验室瓦斯残存量都是通过测定参数直接得到的，而损失瓦斯量是推算的，因而在推算方法应用、推算过程中难免产生误差。为此，我们应该针对不同煤层含瓦斯量的情况合理的选择推算方法，尽量减小损失瓦斯量推算的误差。

当煤层瓦斯含量较大、解析速度较快时很容易造成人为的观测误差，作出的图像在解析初始阶段内观测到的点较分散，不易拟合到某条直线上，此时用图解法推算损失量必定会造成一定误差，这时我们常常应采用等压解析瓦斯公式计算瓦斯损失量，常用的有巴雷尔公式、文特式、指数式等。但当瓦斯含量较小、解析速度较慢时，我们最好采用图解法推算损失量，该方法通过图像表示清晰直观，可以有效地剔除明显不合适的测点，使推算的损失量更接近实际情况。

3.5 实验室测定中的影响分析

送至实验室的煤样罐、和球磨罐密封胶皮垫圈均易氧化磨损，同时残存瓦斯装置容易产生漏气现象，使最终测定的残存瓦斯含量比实际值小很多。

因此，煤样罐送至实验室后，首先将密封罐沉入水中，仔细观察5min，检查有无气泡后方能进行下步实验。真空脱气装置在日常实验使用前要严格测试气密性，水银计液面在抽到真空状态下保持5～10min液面不动，则证明真空脱气左边系统不漏气。右面各量管排尽气体，在水准瓶放低情况下无气体渗漏，液面下降，则证明真空脱气右边系统不漏气。真空脱气仪必须满足上述要求才能进行真空状态下抽气操作。

4 结论与展望

（1）通过上述过程分析，引起直接法测定瓦斯含量的误差因素可归纳为现场解析影响和实验室残存测定影响两部分。现场解析主要的影响因素有采样地点的选择、煤样罐密封性、解析仪密封性、暴露时间的影响等。实验室残存测定影响因素主要有真空脱气装置气密性、球磨罐气密性影响等。

（2）测定过程最基本是保证仪器气密性。井下解析时，煤样采取前及进行解析前一定要对煤样罐和解析仪进行气密性检查，气密性不达标则会造成测定结果偏高或偏低。实验室球磨罐和真空脱气仪气密性不达标，则会造成残存含量测定结果偏高。

（3）损失瓦斯量的推算，受推算方法、推算过程的影响最易产生误差，为此，我们应该针对不同煤层含瓦斯量的情况合理的选择推算方法。当煤层瓦斯含量较大、解析速度较快时，常采用等压解析瓦斯公式计算瓦斯损失量；煤层瓦斯含量较小、解析速度较慢时，建议采用图解法推算损失量。

参考文献：

[1]邹银辉，张庆华.我国煤矿井下煤层瓦斯含量直接测定法的技术进展[J].2009（8）.

[2]尚正杰.瓦斯含量直接测定方法漏损量推算的研究[J].煤矿安全，2012，43（1）.

[3]王耀峰.直接法测定瓦斯含量的误差影响因素[C].煤矿重大灾害防治技术与实践，2008.

[4]GB/T 23250-2009，煤层瓦斯含量井下直接法测定[S].国家安全生产监督管理总局，2009.

[5]梁爱堂，桑逢云.突出煤层巷道掘进瓦斯含量测定方法[J].中国煤层气，2012，9（3）.