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煤层瓦斯(煤层气)含量测试方法及其差异性

2025-02-08 121 上传者：管理员

摘要：煤层瓦斯(煤层气)含量测试结果是矿井瓦斯灾害综合防治和煤层气资源开发利用的重要基础数据，针对目前测试规范不统一，测试结果差异较大，不具有可比性的问题，严重影响了煤层原始或残余瓦斯含气量的准确判断。通过统计综合分析的方法，对现有的测试规范进行归纳和对比，结果表明：依据现有测试规范，瓦斯(煤层气)含量测试结果并不能够反映实际值的大小，测试结果具有相对性，采用定点取样等复杂测试方法逼近其“真值”的做法意义不大，测试的重点在于提高测试方法的便利性和测试结果的可比性，为修改完善现有测试规范、开发智能化测试仪实现瓦斯含量大量快速测试和有效利用奠定基础。

关键词：
快速测试
测试规范
煤层气
煤层瓦斯
瓦斯含量
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煤层瓦斯(煤层气)含量包括地勘期间测试瓦斯含量､井下实测瓦斯含量和煤层气开发中测试的煤层气含量｡依据《煤､泥炭地质勘查规范》(DZ/T0215-2002),地勘期间测试瓦斯含量在不同勘探阶段､不同瓦斯地质条件下测试数目有不同的要求,如详查阶段应在不少于3条勘探线上选择钻孔,采样点密度一般应为0.2~0.4点/km2,同时,采样点密度应体现不同瓦斯带的区别,有利于瓦斯赋存地段应有控制点等,测试结果是矿井初步设计的基础,包括矿井突出危险性评估､瓦斯涌出量计算､矿井通风设计等｡依据《防治煤与瓦斯突出细则》(2019),井下实测瓦斯含量是矿井突出危险性鉴定､突出区域预测､抽采设计､区域验证及效果检验的基础,对测试数量也有明确的要求｡依据《煤层气储量估算规范》(DZ/T0216—2020),煤层气含量测试结果是煤层气资源量评价及排采井(抽采孔)布置的基础｡从根本上说,虽然依据不同规范测试结果不同,但实质上是一样的,都是反映煤层瓦斯含气量的大小｡现实生产中依据不同规范测试结果一般都是混用的,极不合理,给煤矿安全生产带来隐患,也影响煤层气的高效开发和利用,有必要进行梳理和统一｡

1、煤层瓦斯(煤层气)含量现行有效的测试规范

煤层瓦斯(煤层气)含量测试规范目前主要包含地勘时期瓦斯含量测试规范､井下瓦斯含量测试规范和煤层气含量测试规范｡地勘时期瓦斯含量测试规范为《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》AQ1046-2007(代替MT/T77-1994)[1]和《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》GB/T23249-2009[2];井下瓦斯含量测试规范为行业规范《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》AQ1066-2008[3],国家规范《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》GB/T23250-2009[4];煤层气含量测试规范为《煤层气含量测定方法》GB/T19559-2021[5]和《煤层气含量测定加温解吸法》GB/T28753-2012[6]｡具体情况如表1所示｡

2、测试规范差异性比较

通过对比,三种测试规范大同小异,但依然有明显的差别(表1)｡

表1瓦斯(煤层气)含量测试方法对比

1)测试方法的差别｡《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》中瓦斯含量测试方法只有脱气法｡《煤层气含量测定方法》中瓦斯含量测试方法只有自然解吸法｡《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》中瓦斯含量测试方法既有脱气法,又有自然解吸法｡测试方法的不同必然造成测试结果的不同｡

2)取样方法及暴露时间的差别｡《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》《煤层气含量测定方法》中只取煤心样,而且是在泥浆钻进条件下取样,解吸前暴露时间同取样深度相关,取样时间难以固定｡

《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》中取样方法较多,既有清水钻进条件下取煤心样,又有压风条件下取煤粉样等,取样时间≤5min或≤30min.其中,穿层钻孔直接取煤粉样,顺层钻孔既可以取煤粉样,又可以取煤心样｡煤粉样既有定点取样(图1),又有普通取样,普通取样既有孔口压风取煤粉样,又有浅孔螺旋钻杆孔口取样等｡由于定点取样方法复杂､设备较贵,取样技术不很成熟,现场应用较少[7-9]｡取煤心样工艺复杂,很难做到5min内取样,现场虽有应用,但多不符合规范,或暴露时间按5min计算,导致推算损失量减小,或按实际暴露时间计算损失量,但测试结果可靠性､可比性难以保证｡

总体上来看,井下瓦斯含量测试,穿层钻孔取样问题不大,顺层钻孔取样方式较多,但以不规范的顺层普通取样为主,能够较容易地控制暴露时间5min,虽然没有实现理想定点取样,难免有“混样”现象,但误差一般不到20%,不影响测试结果的相对性及其应用[10]｡

图1定点取样/孔口取样现场解吸量对比图

3)瓦斯损失量推算的差别｡瓦斯损失量推算方法在各测试规范中是一样的,包括t法和幂函数法,最主要的差别是推算依据的现场开始解吸或暴露时间不同｡根据研究,煤样“暴露”初始阶段,解吸量与时间的开方呈线性关系,据此可以推断损失量大小,开始解吸前暴露的时间越短,推算的损失量相对越大,反之越小[5-7]｡因此,地勘期间瓦斯含量测试规范及煤层气测试规范推算的损失量相对于井下测试规范较小｡

4)井下解吸法及煤层气解吸法测试结果的差别｡井下及地面瓦斯(煤层气)测试原理是一样的,除了损失量和现场解吸量之外,还有残余可解吸量｡井下测试规范是磨碎解吸到无明显瓦斯涌出为止,按照DGC型瓦斯含量直接测定装置测试,一般3~6min内完成测试,按照CWH12井下一站式瓦斯含量快速测定仪测试,一般60min内完成测试,而煤层气含量测试规范虽然没有磨碎,但解吸时间最短14d,直至解吸量连续7d不大于10mL为止｡显然,虽然解吸原理及解吸方法相同,但磨碎与否及解吸时间的巨大差别必然造成测试结果的差别｡

文献[14-16]研究表明,煤样粒度不同,当解吸量达到可解吸量90%时所需要的时间不同,磨碎解吸的粒度60~80目,相当于0.18~0.25mm,煤心样粒度因其破坏程度不同差别较大,其中I~II类煤的粒度可按≥6mm考虑,III~V类煤可按≤6mm考虑｡根据煤样解吸特征极限粒度的研究,只有当煤的粒度≤6mm时,粒度与解吸时间才有明显的关系｡

5)井下含量测试脱气法与解吸法测试结果的差别｡脱气法残余可解吸量及常压不可解吸量的测试是依靠脱气完成的,解吸法残余可解吸量及常压不可解吸量的测试分别是依靠磨碎解吸和朗格缪尔方程计算完成的,其中,脱气和解吸部分含量都不是极限值,而是相对值,朗格缪尔方程计算的是“极限值”,但计算依据的吸附常数是按照《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》MT/T752-1997测试出来的,使用的是干燥煤样,非平衡水分煤样,与实际不符,计算结果偏大｡根据研究,水分对测试结果的影响较大,当煤层水分增加1%时,煤的吸附瓦斯量可减少10%[17-19]｡

综上所述,取样方法､取样时间､取样环境､损失量及常压不可解吸量计算方法､测试过程等因素都对瓦斯(煤层气)含量测试结果有直接的影响,在使用中应有全面客观的认识｡

3、测试结果的相对性及多元数据融合分析

1)测试结果具有相对性｡对照不同测试规范可以看出,无论是自然解吸法或脱气法,都没有测出煤层瓦斯(煤层气)含量的真值,而且相差较大,说明其测试结果都是相对的,而非绝对值｡根据研究,煤层瓦斯含量测试结果与实际含气量相比通常小得多,这也是造成部分煤层气井累计产气量大于由实测含气量计算的单井控制煤层气资源量的原因之一[20-21]｡为了将煤炭资源勘探测试的煤层瓦斯含量校正为煤层气含量,文献[22]提出了校正系数的计算方法,包括同埋深梯度法､等值线面积权衡法､井点面积权衡法,并且文献[23]采用这三种方法计算了晋城矿区潘庄二号井田15号煤层的含气量校正系数,计算结果分别为1.44,1.32和1.38.文献[24]通过选择新疆某矿区的115组同煤层以及临近点煤层气､瓦斯测试数据对比,结果表明,测试煤层气含量平均高出煤层瓦斯含量30%~50%.抚顺院脱气法仪器80%的样品测量结果值高于重庆院仪器DGC所测量结果值,另外20%的样品中两种仪器测量结果几乎相等[25]｡

2)测试结果多元数据融合分析｡以煤矿生产为例,目前已有的含量测试结果既有脱气法,又有自然解吸法,既有勘探期间测试的含量,又有生产期间测试的含量,各种测试方法的测试结果交织在一起,对矿井瓦斯综合防治造成干扰｡为此,必须对不同测试方法测试结果进行融合分析,才能更好地应用与生产｡例如:郑煤集团某矿二1煤层在勘探和生产期间测试有对应关系的瓦斯含量7个(表2),勘探期间实测含量一般偏小,且平均偏小12.77%.

表2郑煤集团某矿瓦斯含量多源数据对比综合

4、测试结果的有效性及解决方案

瓦斯(煤层气)含量的测试在于应用｡从灾害的角度来说,对煤层瓦斯要进行治理;从资源的角度来说,对煤层气要进行开采,总体而言是一致的｡但在具体工作中还是有较大的差别｡

煤层气排采井一般抽采时间达到6~8a,对煤层气来说基本上达到了相对“极限抽采”的程度,因此煤层气含量测试结果应该尽量逼近其真值,对煤层气资源量计算､排采井(抽采孔)布置及煤层气公司的运营规划等都很重要｡目前,依据地勘期间及生产期间井下瓦斯含量测试结果计算的煤层气储量显然是偏小了很多,依据煤层气含量测试规范的测试结果计算储量可能相对较好,但仍小于真值｡今后,以瓦斯解吸规律为基础,参照煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定方法(NB/T11329-2023),修改现行煤层气含量测试规范,研发煤层气含量快速测试仪为有效途径,如河南理工大学研发的YTC500瓦斯突出预测仪可以实现对瓦斯(煤层气含量)“真值”的智能化测试等｡

目前各种方法测试的煤层气(瓦斯)含量应校正到煤层气含量测试方法上较为合适;矿井生产期间瓦斯抽采时间一般3~6个月,经评价抽采达标后即可进行采掘生产,相对于煤层气抽采来说仅有部分瓦斯被抽出来,因此,不管哪种规范测试结果都可以在生产中使用｡但有两个问题需注意:

1)将目前各种方法测试结果校正到井下解吸法测试结果｡目前,矿井生产中取得的主要测试结果是勘探期间脱气法和生产期间脱气法或自然解吸法测得的,鉴于生产过程中突出危险性评估(鉴定)､瓦斯涌出量预测(分源法)､抽采钻孔布置､抽采达标评判等相关规范都是基于过去多年来脱气法测试结果规定的,理论上应当统一校正到生产期间脱气法测试结果,但考虑到近10a来井下自然解吸法应用普遍,测试快速等优点,也可以在进一步完善测试规范后校正至自然解吸法的测试结果中｡

2)目前,井下瓦斯含量测试比较难掌握的主要为顺层钻孔定点采样问题,为此许多学者们进行了大量的研究和成套装备的研发,取得了较大的进展｡与定点取样结果进行对比,通过修改规范统一校正即可｡

近几年,矿井定向钻机在瓦斯治理中的应用越来越广泛[26-27],在煤层瓦斯抽采前后也需要采取煤样测定瓦斯含量,与普通钻孔采取煤心样类似,该类取样方法难以保证5min内取样,同地面勘探及煤层气钻井取样方法一致,取样时间或煤样暴露时间主要决定于钻孔深度,其测试结果也需同其他方法融合｡

5、结语

1)瓦斯(煤层气)含量测试规范及测试方法不统一,测试结果差别较大,在使用中应进行融合分析,在煤层气资源开发领域宜统一校正到煤层气测试规范的测试结果中,在矿井灾害防治领域宜统一校正至井下测试规范的测试结果中,包括井下穿层压风取粉解吸或井下顺层压风孔口取粉解吸｡

2)瓦斯(煤层气)含量测试结果具有相对性,试图通过定点取样等复杂的测试､计算方法逼近其“真值”意义不大,目前宜采用较简单的方法,提高其实用性和可比性,特别是要方便现场大量测试的要求｡

3)修改或完善现有测试规范,避免测试结果不统一｡

参考文献:

[1]全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会.AQ1046-2007,地勘时期煤层瓦斯含量测定方法[S].北京:国家安全生产监督管理总局,2007.

[2]中国煤炭工业协会.GB/T23249-2009,地勘时期煤层瓦斯含量测定方法[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局､中国国家标准化管理委员会,2009.

[3]全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会.AQ1066-2008,煤层瓦斯含量井下直接测定方法[S].北京:国家安全生产监督管理总局,2009.

[4]中国煤炭工业协会.GB/T23250-2009,煤层瓦斯含量井下直接测定方法[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局､中国国家标准化管理委员会,2009.

[5]中国煤炭工业协会.GB/T19559-2021,煤层气含量测定方法[S].北京:国家市场监督管理总局､国家标准化管理委员会,2021.