瓦斯灾害防治基本参数测定实验室建设方案①

李朝辉 钟 川

(中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037)

1 实验室建设的必要性

煤矿是一个充满多种危险源、非常复杂的生产环境。尤其是瓦斯事故的突发性、随机性大，危险性和破坏性严重，是造成煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出以及瓦斯爆炸等重大瓦斯灾害的主导因素，瓦斯灾害已成为煤矿生产中的一大自然灾害，给高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井的安全生产带来了严重威胁。

瓦斯灾害治理的先决条件是确定煤层瓦斯的赋存及其参数情况。及时掌握煤层的瓦斯基本参数是认识煤层瓦斯赋存规律，科学制定矿井瓦斯防治方案和合理通风设计的基础。就瓦斯治理而言只有在弄清了煤层瓦斯赋存规律的前提下，才可能根据瓦斯灾害的严重程度，有针对性地采取防治技术措施，实现矿井安全高效生产。而瓦斯赋存规律的获得必须大量测量煤层瓦斯基本参数。煤矿企业建立瓦斯基本参数实验室后可以随着采掘工程的推进，随时测定煤层瓦斯基本参数，掌握煤层瓦斯的动态变化，进一步研究瓦斯分布规律，进而形成瓦斯预测分析结论，指导矿井安全高效生产。

近年来，国内一些高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井已按照煤矿瓦斯治理与利用相关国家政策与法规的要求纷纷建立起了瓦斯治理专项实验室，推动了企业科技进步与安全高效生产。

2 建立瓦斯实验室所需要测试的参数探讨

《防治煤与瓦斯突出规定》中明确规定，突出煤层回采前必须执行区域措施，其中包括区域预测、区域措施、区域措施效果检验及区域验证。其各种预测指标和措施效果检验指标均需实测，各项参数的测定大多需要在实验室进行。

《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ1026－2009)及《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》(安监总煤装〔2011〕163号)中对煤层瓦斯含量及瓦斯压力控制范围及参数的测试方法都做了详细的规定，这些测试的参数都需要建立专业的实验室来进行测试。

国内外对于煤矿瓦斯参数进行了多方位的研究，包括各参数的测定工艺、技术及装备等。大的方面包括煤层瓦斯含量测定技术研究、煤的突出危险性判定指标研究、瓦斯解吸特征临界值指标确定方法三个方面。煤层瓦斯含量测定技术包括:煤对瓦斯的吸附、解吸特性研究、煤的工业分析、煤层瓦斯气体成分分析。煤的突出危险性判定指标研究包括煤的瓦斯放散特征研究、煤的坚固性系数测定。

3 国内外研究概况

3.1 煤层瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量的测定方法分为直接法和间接法。间接法为现场测定煤层瓦斯压力，实验室测定煤的吸附等温线、孔隙率和工业分析指标，通过计算确定煤层瓦斯含量。这种方法是国内目前普遍采用的方法，但间接法测定需在煤矿井下实测煤层原始瓦斯压力，测定工艺较复杂。我国科研院校和生产矿井装备的吸附实验装置都是五十年代从前苏联引进的容量法吸附装置，普遍存在结构不稳定、易碎、自动化程度低、操作复杂和严重汞害等缺点。

直接法就是在井下现场取煤样，直接测定煤层的瓦斯含量，具体的方法有两种。一种是煤矿井下测定钻屑的瓦斯解吸特性，由此确定煤层的瓦斯含量。使用这种方法，煤样在进行解吸特性测定前的暴露时间较短，煤样的粒度差异不大，解吸特性参数比较一致。国内外相关理论、实验表明，煤样的解吸特征除与煤样的可解吸量(瓦斯含量)有关外，还与煤的固有结构特征，即煤的结构──扩散系数有关，所以很难找出适合于所有煤的瓦斯含量与单个解吸特征参数之间的一元回归关系，使开发的仪器使用受到局限;另外由于钻孔取钻屑过程中由于孔壁钻屑长时间暴露等影响，以及钻孔深度限制，该方法只能用于小范围的煤层瓦斯含量测定，精确度低［1］。

另外一种方法是取煤芯直接测定煤层瓦斯含量方法，这种方法就是现场取样、密封后，测定煤的瓦斯解吸特性，利用解吸特性和煤在初始暴露一定时间内的解吸瓦斯量来确定损失瓦斯量，再进行脱气测定其残存瓦斯量，然后将测定的解吸瓦斯量、损失瓦斯量和残存瓦斯量相加就得到煤的瓦斯含量，该方法原来主要用于地勘期间煤层瓦斯含量测定，受采样条件限制，煤样在进行解吸特性测定前的暴露时间较长，其误差相对也较大，如煤炭科学研究总院抚顺研究院研制的AMG型地勘瓦斯自动化解吸仪等。近三十年来，国内外在对煤层瓦斯含量直接测定方法的研究方面有了很大的进展，如澳大利亚、法国、美国、德国、英国和中国等国家根据不同的使用条件和煤层条件作了大量的研究工作，特别是澳大利亚对该技术进行移植改进采用煤矿井下打钻取煤芯直接测定煤层可解吸瓦斯含量的方法预测煤层突出危险性，由于适用条件的改变，测定精度大大提高，预测深度为50～100 m甚至数百米，可满足当前机械化高效高强度采掘的需要［2］。

“十五”期间中煤科工集团重庆研究院、淮南矿业(集团)有限责任公司、澳大利亚联邦科学工业研究院三方合作进行了《突出煤层预测预报新技术研究》，重点结合我国煤层构造复杂、松软等特征进行了深部煤体取样方法和装备、煤样瓦斯解吸特征及测定煤层瓦斯含量的方法和装备等方面研究，并成功开发了DGC型瓦斯含量直接测定技术及装置，并根据此装备的测试工艺制定《煤层井下含量直接测定方法》(GB23250－2009)国家标准。

3.2 煤的突出危险性判定参数测定

国内外对于煤矿煤与瓦斯突出的机理进行了研究［3］，提出了许多有意义的假说。但大多还是肯定了地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质是突出发生发展的主要影响因素，并对它们对突出的影响规律进行了深入的研究。苏联科学院地质研究所1958年提出了预测煤层突出危险性的单项指标法，包括破坏类型、瓦放散初速度指标(ΔP)、煤的坚固性系数(f)并辅以煤层瓦斯压力。我国煤炭工业部颁布的《防治煤与瓦斯突出细则》引用苏联标准判定煤层突出危险性。煤炭科学研究总院抚顺分院根据对北票、重庆、梅田、焦作等十几各矿区煤层的测试结果和统计计算，于1982年提出了煤层和区域突出危险性的预测方法这一方法已在我国大面积使用，也被列入《防治煤与瓦斯突出细则》中判定煤层突出危险性的一种方法。这种方法是将单项指标法中的瓦斯放散初速度(△P)、煤的坚固性系数(f)与煤层瓦斯压力，并考虑到采掘深度，用一个数量化指标进行判断。D=(0.0075H/f－3)(p－0.74)、K=△P/f。2009年颁布的《防治煤与瓦斯突出规定》中，将瓦斯压力(P)、瓦斯放散初速度(△P)、煤的坚固性系数(f)也列为主要判定煤层突出危险性的重要指标。两种方法实验室的工作就是测定突出煤层软分层的瓦斯放散初速度(△P)、煤的坚固性系数(f)两个指标。

瓦斯放散初速度(△P)测定方法是五十年代初期首先由依·爱琴格尔等人提出的，接着，在苏联、法国、比利时、日本等国得到了较为普遍的应用。它表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯速度快慢程度，△P大小与煤的破坏程度和孔隙特征有关，煤层的△P值在一定程度上反映了煤层瓦斯含量的大小，这是突出的基本条件。对瓦斯含量相同的煤层，则主要反映出瓦斯渗透和流动孔隙的差别［4］。

煤的坚固性系数(f值)测定方法较多，由于突出煤层一般破坏严重不能采用压力试验机直接压裂破坏测定方法，国内外较为常用的是落锤破碎法，简称落锤法，所测定结果属于假定指标。这种测定方法主要建立在脆性材料破碎时遵循面积力能说的基础上。该学说认为破碎所消耗的功W与破碎物料所增加的表面积S成正比，即W∽S。我国中煤科工集团重庆研究院文光才、赵旭生等［5］人进行了煤体坚固性系数快速测定技术研究，其原理是取定量的钻粉在相同压力作用下，煤的压缩量和煤体坚固性系数之间存在一定的关系，通过测定煤体压缩量间接反映煤体破坏情况。

4 实验室建设主要内容及形式

根据相关的法律法规、国家标准、行业标准、国内外技术成果调查，在分析当前瓦斯灾害现状与防治技术发展趋势和现有实验室条件的基础上，围绕矿井瓦斯灾害防治基本参数测定为核心，本着先进、经济、实用、经济、安全的原则，通过配备相关测定装置及仪器的方式，并通过防治技术综合培训，使实验室的功能满足瓦斯灾害防治技术研究的需要。建立一整套具备进行瓦斯灾防治技术研究的实验平台和装备支撑体系，满足矿井日常瓦斯含量、瓦斯压力、吸附常数、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数、突出指标测定的需要，培养能达到可以进行各项实验操作和初步数据分析的实验室人员3～5名，实验室总体规模达到同行业先进或领先水平。具体建设内容如下:

1)建立较为完备的矿井瓦斯灾害防治实验室参数测定体系;

2)对矿方的实验室实验人员进行瓦斯治理技术综合培训;

3)从安全性、合理性、适用性方向对实验室环境进行设计;

4)为实验室编制针对性的操作制度及管理制度;

5)对实验室的附属设施提出要求并进行相关的辅助工作。

5 实验设备设计方案

5.1 设备选型方案

根据以上对矿井瓦斯灾害防治措施中所需测试参数分析，结合国内外参数测试技术研究成果拟选用的装备有高压容量法吸附装置、瓦斯含量直接测定装置、瓦斯压力测定仪、瓦斯放散初速度仪、煤的坚固性系数测定装置以及工业分析装置等，具体选型如图1所示。

图1 测定装置以及工业分析装置选型

5.2 选型设备简介

5.2.1 HCA型高压容量法瓦斯吸附装置

本装置执行MT/T 752－1997煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)。

本装置用于瓦斯吸附常数a、b值测定，结合井下实测的压力来计算煤层的瓦斯含量。此方法是一种间接法计算煤层的瓦斯含量。该装置为全自动的电子式解吸装置，配套有恒温箱和机械增压机组等装置，设备先进，准确度高，可自动测定、打印等功能。测定的吸附常数a、b值反映了煤层瓦斯解吸特征和最大可解吸瓦斯量。为瓦斯含量及瓦斯压力间接测定法的必备装置。

5.2.2 DGC型瓦斯含量直接测定装置

本装置执行《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB250－2009)国家标准。

DGC型瓦斯含量直接测定装置是一套井下和实验室结合使用的直接测定煤层瓦斯含量的装置，装置可在8小时内完成煤层瓦斯含量测定。测定过程为:向煤层施工钻孔取煤样、将煤样装入解吸装置测量瓦斯解吸速度及解吸量、在实验室将煤样装入密封粉碎系统粉碎后测量瓦斯解吸量、抽真空测定或计算煤的常压吸附量、建立模型推算取样阶段损失瓦斯量，符合国家标准。并能满足现场快速精准数据测试要求。

5.2.3 WFC－2瓦斯放散初速度测定装置

本装置执行瓦斯放散初速度指标测定方法。

该装置主要用于测定煤层瓦斯突出基本指标——瓦斯放散初速度指数△P，一般与测定煤层坚固性系数相配套，结合煤层原始瓦斯压力、煤体破坏类型等指标，可对煤层突出危险性进行评价，也可用于煤层区域突出危险性的综合指标测算。

5.2.4 MJC煤的坚固性系数(f)值测定装置

本装置执行MT/T 49－1987(2005)煤的坚固性系数测定方法。

该装置用于测定煤的坚固性，是判定煤层突出危险性的一项重要指标，结合其它基本指标对煤层突出危险性进行评价。

5.2.5 MWYZ型主动式煤层瓦斯压力测定仪

该仪器采用主动升压法测试煤层瓦斯压力，其基本原理是用固体封液体、用液体封气体，且测压过程中封孔液体的压力始终高于煤层瓦斯压力。

5.2.6 工业分析装置

根据具体条件选用测试灰分、水分、真密度、视密度等测试仪器及制样装备，配合主要设备使用。

5.3 实验坏境要求

根据上述设备选型实验室需要专门房屋，经过简单装修可达到要求。约共需2～4间房屋，实验室面积约120m2。其中制样室为一独立房间，面积需20m2左右，其它实验用屋可相互打通，用门隔离，也可独立成间。实验室房间内应有空调，用于恒定室温;应有室内空气调节装置，用于保持室内湿度;应有排气扇用于新鲜空气交换，墙面白色干净并配不透光的窗帘;地板用坚固耐磨的白色地板砖;通水通电。应该专门成立实验室管理机构。实验室环境配备和设备布置分别如表1和图2所示。

表1 实验室环境配备表

图2 实验室设备布置示意图

6 结语

笔者因为工作需要，从瓦斯灾害防治装备研发的前沿技术结合瓦斯治理工艺技术，做了多年瓦斯灾害防治基本参数测定实验室建设方面的研究，并把研究成果应用于现场实际。已在山西、贵州、河南、新疆等二十余个省市的矿局建立瓦斯灾害防治基本参数测定实验室120余个，为矿井瓦斯灾害治理措施提供了第一手的测试数据，为矿井安全生产做出了一定的贡献。

［1］ 王耀锋.对于采用孔口取样方式进行瓦斯含量测定时煤钻屑暴露时间的探讨［J］.煤矿安全，2005，36(3):39－40

［2］ 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］.矿业安全与环保，2009，36(增刊):180－182

［3］ 李希建，林柏泉.煤与瓦斯突出机理研究现状及分析［J］.煤田地质与勘探，2010，38(1): 7－13

［4］ 尚显光.瓦斯放散初速度影响因素实验研究［D］.河南理工大学，2011

［5］ 赵旭生，胡千庭，邹银辉，等.深部煤体煤的坚固性系数快速测定原理及其应用［J］.煤炭学报，2007，32(1):38－41