本發(fā)明提出一種基于煤層瓦斯含量和解吸速度規(guī)律確定煤與瓦斯突出參數(shù)的井下測(cè)定方法及測(cè)量裝置，涉及礦山（煤礦）安全技術(shù)。

背景技術(shù)：

煤與瓦斯突出災(zāi)害為礦山（煤礦）災(zāi)害事故之一，煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)中遇到的一種極其復(fù)雜的礦井瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，它能在極短的時(shí)間內(nèi)，由煤體向巷道或采場(chǎng)空間拋出大量的煤炭，并噴出大量的瓦斯的安全事故，不僅會(huì)造成重大人員傷亡，還會(huì)造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失。

煤與瓦斯突出突出是在多種因素作用下發(fā)生的，這些因素包括煤巖的地應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯在煤巖中的賦存狀態(tài)、煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)及采煤情況等。煤層瓦斯含量是突出必不可少的因素，并且只有瓦斯含量達(dá)到臨界值，突出才有可能發(fā)生。因此，煤層瓦斯含量作為預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的指標(biāo)，如美國(guó)和澳大利亞目前采用瓦斯含量作為預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的指標(biāo)。中華人民共和國(guó)2009 年新頒布實(shí)施的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》里面，也將瓦斯含量作為區(qū)域措施消突效果檢驗(yàn)指標(biāo)之一。煤層瓦斯含量是計(jì)算礦井瓦斯儲(chǔ)量和預(yù)測(cè)瓦斯涌出量的基礎(chǔ)，也是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的重要參數(shù)之一。

瓦斯含量測(cè)定有直接測(cè)定法和間接測(cè)定法。間接法比較復(fù)雜，它是利用煤的某些特性（如吸附性能、瓦斯解吸特性等），在煤礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定各有關(guān)參數(shù)（如瓦斯壓力、煤層溫度、煤質(zhì)等），然后將樣本送至實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的孔隙率、吸附常數(shù)值等參數(shù)，一般利用朗繆爾方程計(jì)算出煤層瓦斯含量，這種方法需要測(cè)定的參數(shù)較多，最終算出的瓦斯含量誤差較大。直接法是在新暴露的煤壁，石門(mén)或巖石巷道打鉆采集煤樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定自然解吸瓦斯量，將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定殘存瓦斯含量，計(jì)算取樣時(shí)的瓦斯損失量。該方法的關(guān)鍵是確定采樣過(guò)程中煤樣的瓦斯損失量，其實(shí)質(zhì)問(wèn)題是對(duì)煤樣解吸初始階段解吸規(guī)律的確定，其流程：現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、取樣、裝罐、密閉、上井、送至實(shí)驗(yàn)室、采用復(fù)雜笨重裝備測(cè)定、抽真空、加溫等措施測(cè)定煤層的瓦斯含量，根據(jù)其解吸規(guī)律和煤樣暴露時(shí)間推算損失瓦斯量，然后將得到瓦斯解吸量、瓦斯損失量和殘存瓦斯解吸量之和即煤層瓦斯含量。這種方法測(cè)定煤層瓦斯含量需要耗費(fèi)大量時(shí)間。此外，需要多個(gè)煤樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得較準(zhǔn)確值。

20世紀(jì)80年代末期，煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷涸诘聡?guó)埃申研究院研究基礎(chǔ)上研制成功了GWRVK-1型電容柵式瓦斯解吸儀。該解吸儀是根據(jù)瓦斯含量與解吸速度之間存在著線(xiàn)性關(guān)系，瓦斯解吸速度隨時(shí)間的變化符合冪指數(shù)關(guān)系，預(yù)先貯存的各種煤樣在實(shí)驗(yàn)室所測(cè)的解吸特性指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)公式，使用時(shí)只需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定煤樣瓦斯解吸速度，利用瓦斯解吸特性指標(biāo)便可計(jì)算出煤層瓦斯含量。使用這種方法需要提前在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定待測(cè)點(diǎn)煤樣的解吸指標(biāo)，不是快捷方便的測(cè)定方法?！笆濉逼陂g，煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，建立了損失瓦斯量推算模型，確定了新的煤層瓦斯含量直接測(cè)定的工藝流程和計(jì)算模型，并公開(kāi)發(fā)明專(zhuān)利煤層瓦斯含量快速測(cè)定方法（專(zhuān)利CN101551377A） 和煤層可解吸瓦斯含量的直接快速測(cè)定方法（專(zhuān)利號(hào)：CN101135621A），這種方法測(cè)定時(shí)間一般小于8個(gè)小時(shí)，與間接解吸測(cè)定煤層瓦斯含量法相比，縮短了測(cè)定時(shí)間、簡(jiǎn)化了工藝流程，但是仍然存在損失量推算模型誤差大以及無(wú)法避免實(shí)驗(yàn)室測(cè)定殘存瓦斯量步驟的問(wèn)題，不能實(shí)現(xiàn)真正的井下快速測(cè)定瓦斯含量。為了實(shí)現(xiàn)井下煤層瓦斯含量快速測(cè)定，撫順?lè)衷涸?993~1995年期間提出了一種新的鉆屑解吸法，并以此為基礎(chǔ)研制了WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀。WP-1 型瓦斯含量快速測(cè)定儀利用井下煤層鉆孔采集煤屑，自動(dòng)測(cè)定煤樣的瓦斯解吸速度，然后利用預(yù)先設(shè)計(jì)的瓦斯解吸速度與煤層瓦斯含量的線(xiàn)性關(guān)系，推算煤層瓦斯含量。由于不需要測(cè)定取樣損失瓦斯量和試樣的殘存瓦斯量，測(cè)定周期大大縮短，整個(gè)測(cè)定周期僅需 15～30min，實(shí)現(xiàn)了井下煤層瓦斯含量快速測(cè)定；然而，不同破壞程度的煤，其瓦斯解吸速度和瓦斯含量的線(xiàn)性系數(shù)存在較大差異，用一組固定的系數(shù)值來(lái)測(cè)定井田內(nèi)不同破壞程度的煤層瓦斯含量時(shí)，測(cè)定的結(jié)果誤差較大，仍然無(wú)法滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的實(shí)際需求。

因此，需要一種適合煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)條件下快速、準(zhǔn)確的方法和設(shè)備解決煤與瓦斯突出參數(shù)井下快速測(cè)定的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)手段的不足之處，本發(fā)明提供一種基于煤層鉆屑自然解吸規(guī)律，設(shè)計(jì)一種基于貝葉斯概率理論為基礎(chǔ)，井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為先驗(yàn)信息的快速準(zhǔn)確測(cè)定煤與瓦斯突出的新技術(shù)，形成一種高效、準(zhǔn)確的瓦斯含量測(cè)定方法，為煤礦安全作業(yè)提供依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，將煤層瓦斯含量分為瓦斯損失解吸速度V₁和損失量Q₁、井下自然可解吸瓦斯解吸速度V₂解吸量Q₂、未能直接測(cè)量的殘余可解吸速度V₃瓦斯量Q₃、常壓吸附平衡狀態(tài)下的不可解吸瓦斯量Q₄等4部分。為了獲得上述的4部分的瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量，如下所述。

（1）現(xiàn)場(chǎng)煤屑取樣階段。

根據(jù)煤層構(gòu)造設(shè)計(jì)鉆孔位置、傾角、方位、深度等；用鉆機(jī)實(shí)施鉆孔，至預(yù)先設(shè)計(jì)的深度處記錄起鉆時(shí)間，為煤樣暴露時(shí)間t₀；繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度處，利用風(fēng)力或水力排出煤屑；用雙層篩網(wǎng)（孔徑為1.0mm和3.0mm）分選煤屑，裝入煤樣罐，要求煤樣暴露時(shí)間至裝罐時(shí)間小于2分鐘，該段時(shí)間為損失瓦斯解吸速度V₁和損失量Q₁。

（2）井下自然條件下瓦斯解吸速度和解吸量實(shí)測(cè)階段。

迅速測(cè)定將（1）所述的煤樣罐接入儀器，測(cè)量煤樣罐中瓦斯解吸速度和瓦斯含量，開(kāi)始測(cè)量時(shí)間記為t₁，并測(cè)量大氣壓力、溫度等參數(shù)。連續(xù)觀測(cè)時(shí)間要求60～120分鐘，測(cè)定頻率為6Hz，共記錄數(shù)據(jù)21600～43200組，每組數(shù)據(jù)含測(cè)定時(shí)間、瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、壓力、溫度等參數(shù)；并對(duì)煤樣稱(chēng)重。該段時(shí)間為井下自然可解析速度井下自然可解吸瓦斯解吸速度V₂解吸量Q₂。

（3）殘余可解吸速度V₃瓦斯量Q₃階段。

煤樣經(jīng)過(guò)上述的（2）步驟60～120分鐘的測(cè)量，煤樣中仍還殘余瓦斯解析速度和瓦斯含量井下現(xiàn)場(chǎng)條件下不必再進(jìn)行測(cè)量。該部分稱(chēng)為殘余可解吸速度V₃瓦斯量Q₃。

（4）常壓吸附平衡狀態(tài)下的不可解吸瓦斯量Q₄。

在常溫常壓條件下， 煤樣暴露一定時(shí)間（一般為 24小時(shí)～72小時(shí)）后不再解析瓦斯，但仍吸附少部分的瓦斯，只有在實(shí)驗(yàn)室條件下采用高溫、真空等實(shí)驗(yàn)室條件下解析獲得，該部分瓦斯稱(chēng)為常壓吸附平衡狀態(tài)下的不可解吸瓦斯量Q₄。

（5）煤層瓦斯解吸規(guī)律模型及計(jì)算方法。

由上述（2）步驟獲得的海量數(shù)據(jù)組基于貝葉斯概率統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律回歸分析計(jì)算（1）步驟所述的損失瓦斯解吸速度V₁和損失量Q₁，以及（2）步驟所述殘存可解吸V₃和損失量Q₃。具體測(cè)定方法如下。

a、觀測(cè)量的修正

將觀測(cè)結(jié)果換算為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力和溫度狀態(tài)下解吸速度和體積，如下式：

上式中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下時(shí)刻的瓦斯解吸速度或解吸量，

為時(shí)刻儀器實(shí)際測(cè)量的瓦斯解吸速度和解吸量，

為時(shí)刻井下大氣壓力，

為時(shí)刻井下大氣溫度。

a、損失瓦斯解吸速度和瓦斯量計(jì)算

煤樣解吸速度與暴露時(shí)間符合乘冪指數(shù)衰減規(guī)律，即：

式中從開(kāi)始的瓦斯解吸時(shí)間；

時(shí)間時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瓦斯解吸速度；

為時(shí)對(duì)應(yīng)的瓦斯解吸速度；

瓦斯解吸速度衰減系數(shù)。

利用前9分鐘測(cè)量數(shù)據(jù)，采用貝葉斯概率方法回歸分析獲得煤樣的初始解吸速度和衰減系數(shù)，獲得現(xiàn)場(chǎng)煤屑取樣階段損失的瓦斯解吸速度，然后利用積分算法，可獲煤樣損失瓦斯解吸量 。

貝葉斯理論框架建立在概率論的基礎(chǔ)上，它將數(shù)據(jù)信息與模型先驗(yàn)信息聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)模型的先驗(yàn)信息來(lái)約束模型的后驗(yàn)參數(shù)，把反演問(wèn)題與觀測(cè)數(shù)據(jù)信息、模型信息以及先驗(yàn)信息推理聯(lián)系起來(lái)。在此基礎(chǔ)上得到數(shù)學(xué)解的條件期望、方差、置信區(qū)間等具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)果，這使得貝葉斯方法能更好應(yīng)用已知信息，從而得到更加可靠的輸出結(jié)果。貝葉斯的數(shù)學(xué)模型如下：

式中， 是常量，表示在煤與瓦斯突出參條件下發(fā)生瓦斯突出災(zāi)害的概率， 是已知數(shù)據(jù) 條件下隨模型 變化的函數(shù)，表達(dá)的是模型參數(shù) 與觀測(cè)數(shù)據(jù) 之間的相對(duì)概率，在貝葉斯反演計(jì)算中，它的大小反映了模型響應(yīng)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的適配程度，即已知數(shù)據(jù)約束下，煤層瓦斯解吸的統(tǒng)計(jì)概率模型。由此，可求得瓦斯的初始解吸速度及其置信區(qū)間。

b、殘余可解吸速度 和瓦斯量 計(jì)算。

同樣道理，利用30～120分鐘的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用a所述方法可獲得井下未能直接測(cè)量的殘余可解吸速度 和瓦斯量 。

c、不可解吸瓦斯量計(jì)算

對(duì)于特定煤田或采掘工作面而言，煤結(jié)構(gòu)成分相對(duì)固定，故煤層的常溫常壓瓦斯吸附和游離平衡狀態(tài)下的不可解吸瓦斯量為固定值，井下快速測(cè)定可直接輸入?yún)?shù)計(jì)算，公式如下：

上式中， 煤的瓦斯吸附量常數(shù)，煤的吸附壓力常數(shù)，煤的灰分，煤的水分，煤的孔隙率，煤的容重，上述參數(shù)依據(jù)區(qū)域地勘實(shí)測(cè)值輸入。

不可解吸瓦斯解吸速度為0。

d、煤層瓦斯壓力和瓦斯含量計(jì)算

綜合累加上述瓦斯含量得到工作面的煤層的瓦斯含量。并利用瓦斯解吸量根據(jù)a所述公式解算瓦斯壓力。

d、鉆屑解吸指標(biāo)

由上述模型計(jì)算獲得煤樣瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量，并由此參數(shù)計(jì)算煤與瓦斯突出前1分鐘參數(shù)，即 和 ，公式如下：

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明煤與瓦斯突出參數(shù)井下快速測(cè)定方法及流程圖。

圖2 本發(fā)明開(kāi)發(fā)的儀器測(cè)量裝置原理示意圖。圖中：1為瓦斯氣體產(chǎn)生裝置，即煤樣罐裝入200g粒度均勻煤樣，自然解吸瓦斯；2、瓦斯單向流通管道，直徑1.5~3mm軟管；3、氣體過(guò)濾器，過(guò)濾瓦斯可能攜帶的粉塵、露珠等；4、瓦斯單向流通管道，直徑1.5~3mm軟管；5、瓦斯解吸速度、解吸量、大氣壓力、溫度綜合數(shù)字傳感器，采樣頻率6Hz；6、瓦斯單向流通管道，直徑1.5~3mm軟管；7、（可選項(xiàng)）玻璃轉(zhuǎn)子氣體計(jì)量，校準(zhǔn)儀器讀數(shù)；8、傳感器傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)至微型計(jì)算機(jī)；9、微型計(jì)算機(jī)給傳感器的控制信號(hào)；10、微型計(jì)算機(jī)，記錄數(shù)據(jù)、圖形顯示、人機(jī)交互等；11、重量傳感器。

圖3 煤樣罐結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：2-1為煤樣罐蓋；2-2煤樣罐俯視圖；2-3瓦斯氣體導(dǎo)出接口；2-4為煤樣罐體，內(nèi)徑60mm，容積200ml。

圖4 雙層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：3-1為篩網(wǎng)，上層網(wǎng)眼直徑3.0mm，下層網(wǎng)眼直徑1.0mm；3-2為篩網(wǎng)的俯視圖；3-3為篩網(wǎng)平視圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1所示的煤與瓦斯突出參數(shù)快速測(cè)定方法及流程圖按如下過(guò)程操作：

步驟一，施工準(zhǔn)備。

依據(jù)本發(fā)明開(kāi)發(fā)的煤與瓦斯測(cè)定儀器，配套的秒表（儀器亦開(kāi)發(fā)相應(yīng)的秒表計(jì)時(shí)功能），鋼篩（孔經(jīng)1.0mm與3.0mm），風(fēng)力或風(fēng)水動(dòng)力鉆機(jī)裝備等。

步驟二，鉆孔布置。

在煤礦采掘工作面煤層實(shí)施鉆孔，由于開(kāi)采擾動(dòng)，為了準(zhǔn)確獲得原煤結(jié)構(gòu)煤與瓦斯突出參數(shù)，設(shè)計(jì)采樣深度不少于12m，石門(mén)或巖石巷道采樣時(shí)，距煤層的垂直距離不得小于5m；此外，同一地點(diǎn)應(yīng)鉆取兩個(gè)煤樣，間距不小于5m。

步驟三，井下鉆屑取樣。

距離設(shè)計(jì)深度處，開(kāi)始計(jì)時(shí)t₀，利用帶壓風(fēng)狀態(tài)下將煤屑吹出，孔口直接篩取煤屑或定點(diǎn)取樣篩取煤屑，粒經(jīng)1~3mm，質(zhì)量200g左右，迅速裝入煤樣罐。煤樣從鉆屑揭露到被裝入煤樣罐開(kāi)始測(cè)定所用時(shí)間小于2分鐘。保持煤樣罐的氣路接頭與外界暢通，防止煤樣解吸的瓦斯與外界產(chǎn)生過(guò)大的壓力差，影響測(cè)量精度。

步驟四，瓦斯解吸速度和解吸量實(shí)測(cè)。

將煤樣罐的排氣接頭接入儀器測(cè)量導(dǎo)氣管路，啟動(dòng)儀器運(yùn)行按鈕，實(shí)測(cè)瓦斯解吸速度、瓦斯解吸量、大氣壓力、環(huán)境溫度。采樣率6Hz，測(cè)量時(shí)間60~120min（可預(yù)先設(shè)計(jì)測(cè)量時(shí)間）。

步驟五，煤與瓦斯突出參數(shù)計(jì)算。

步驟四測(cè)量的原始數(shù)據(jù)后，根據(jù)本發(fā)明所述的數(shù)學(xué)模型計(jì)算煤與瓦斯突出參數(shù)相關(guān)結(jié)果。包括：瓦斯含量，煤層瓦斯壓力，鉆屑解吸指標(biāo)等。

步驟六，記錄和輸出測(cè)量結(jié)果。

將上述步驟測(cè)量的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果記錄存儲(chǔ)介質(zhì)，并輸出。

最后應(yīng)指出的是：上述步驟僅用以本發(fā)明的技術(shù)方案的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施步驟，而非對(duì)其限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以依據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)前述的技術(shù)方案進(jìn)行調(diào)整，或者對(duì)其部分或全部技術(shù)特征等同變型；而這些修改或變型，并不使得相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明的精神和范圍。