超压环境煤的瓦斯解吸规律及应用

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瓦斯含量是矿井瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测和防突措施效果检验不可或缺的参数,准确测定煤层瓦斯含量对于瓦斯灾害防治以及瓦斯资源开发利用具有重要意义。现有瓦斯含量测定取样工艺存在不能定点、快速、长距离取样以及瓦斯损失量推算方法不能匹配取样环境等不足,因此,瓦斯含量测定定点取样工艺及与之匹配的瓦斯损失量推算方法亟待完善。为了准确测定煤层瓦斯含量,本文通过解吸理论、流体力学理论、数值分析、数值模拟、实验研究以及试验验证等方法开展研究。分析了压风反循环取样过程中影响煤样瓦斯解吸的主要因素、超压环境瓦斯损失量推算方法等内容,搭建了压风反循环取样过程相似模拟平台,获得了超压环境下瓦斯解吸规律。主要结论如下:1)采用压风定点取样装置(包括双壁钻杆、取样钻头、双通道气水龙头、气粉分离装置等),能够实现快速定点采取煤样。2)根据Barth附加压力损失理论,结合压风定点取样装置的参数,推算得出了反循环取样过程中取样钻杆内管的压降公式。3)在不同入口压力(0.15 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.8MPa)条件下,对10m长度钻杆内取样过程的煤粉运移情况进行了模拟。得出在相同钻进速度及钻孔出煤量条件下,并不是风压越高或者越低采样量越大,需要适当的风压才能获得最高采样量。本次模拟在0.3MPa下取样量最大,对应10s和30s时间内的采样质量分别为305g和916g;沿着钻头到出口的方向,钻头内管轴线上的压力逐渐降低到大气压,温度变化也逐渐降低;入口压力越大,颗粒煤速度越高,在钻杆内管的运动时间越短。4)搭建了反循环过程相似模拟测试实验平台,用吸附平衡压力模拟原始瓦斯压力,用变压系统中变压罐的压力模拟初始风压,用小流量调节阀释放变压罐内氮气的时间来模拟取样时间,用恒温水浴模拟恒温环境。实验室开展了煤样瓦斯解吸实验,得出:九里山煤矿二1煤在0.5MPa、0.74MPa、1.0MPa、2.0MPa四个吸附平衡压力的解吸对比,在2.0MPa吸附平衡压力下,煤样对瓦斯的吸附量最高高,瓦斯解吸量最大,解吸速度最快;在外界环境压力为0.5MPa和0.3MPa的条件下,0.5MPa的初始解吸量较小,初始解吸速度较慢。因此,超压环境对煤样瓦斯解吸有抑制作用;取样时间缩短有助于减少取样过程中的解吸量即损失量。5)基于菲克定律结合压风反循环过程的风压变化、煤层的原始瓦斯压力等,推导得到了超压环境下的颗粒煤理论瓦斯解吸方程及极限瓦斯解吸量方程,极限瓦斯涌出量与常压条件下相同。6)超压环境瓦斯解吸量与时间关系曲线与Logistic曲线的形状相似,考虑到风压变化和煤层原始瓦斯压力这两个影响因素,引入Logistic函数,得出基于压风反循环取样过程中的Q-t方程和瓦斯损失量推算公式,实验室验证损失量推算误差为1.22%~2.81%。7)通过刘庄煤矿和新田煤矿进行压风反循环现场取样实验试验结果表明:取样过程中有独立的煤样输运通道,杜绝了混样现象,能够保证煤样采集的定点性和纯洁性;取样时间远小于标准要求5min;利用压风反循环取样过程中超压环境下的Q-t方程和瓦斯损失量推算公式测定的瓦斯含量,误差为3.53%~7.61%,提高了瓦斯含量测定准确性。
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