专利名称：测试煤体瓦斯解吸特性的方法
技术领域：
本发明属于煤矿安全开采中有关煤体瓦斯吸附解吸特性分析的技术领域，特别涉及一种测试煤体瓦斯解吸特性的方法。
背景技术：
煤体瓦斯的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数。瓦斯灾害一直是影响我国煤炭企业安全生产的重大灾害之一，随着开采深度的增加，这种事故灾害的危害 性越来越大，已经成为制约我国煤炭行业发展的重要因素。瓦斯在煤岩中的赋存状态包括游离状态和吸附状态两种，游离瓦斯通常占煤岩赋存瓦斯量的10%至20%，吸附瓦斯则占80%至90%，二者处于动态平衡状态。煤体的解吸特性是影响瓦斯涌出的重要因素，煤矿日常工作中需要不断分析工作面煤体的解吸特性。矿井安全监测监控系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一，目前全国基本上所有煤矿均配有监测监控系统，实现了对煤矿井下瓦斯、一氧化碳浓度、温度、风速等的实时动态监控。但是目前的矿井监测监控系统不能对煤体的瓦斯解吸特性实时动态分析。煤体瓦斯解吸特性是地质构造的产物，可用来判断煤层瓦斯含量的高低和煤结构的变化。目前，煤体瓦斯解吸特性一般采用钻屑瓦斯解吸指标K1和Λ h2表征，可利用瓦斯解吸仪在实验室和现场测定钻屑瓦斯解吸指标K1和Λ h2。实验室测定通过采集新暴露煤样，通过实验系统模拟研究煤矿井下湿式打钻的钻屑瓦斯解吸指标变化情况，测算出解吸指标K1和Λ h2。现场测定是在打钻过程中，通过瓦斯解吸仪测定解吸指标K1和Λ h2。这些传统的瓦斯解吸特性测定方法主要为接触式，费工费时，不能实时动态分析煤体的瓦斯解吸特性。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够对煤体瓦斯解吸特性进行实时动态测试分析的测试煤体瓦斯解吸特性的方法。实现本发明目的的技术方案是提供一种测试煤体瓦斯解吸特性的方法，包括如下步骤①构建矿井安全监测监控系统，在煤巷的掘进巷道的距离掘进工作面处的小于等于5m的部位设置位于混合风流中的第一甲烷传感器，在距离掘进巷道的进出口处的10至15m处设置位于混合风流中的第二甲烷传感器，在位于与掘进巷道相邻的巷道中设置局部通风机，且该局部通风机的外接风筒的出风口位于靠近掘进工作面的部位，该局部通风机的进风口则设置在局部通风机上，并且在局部通风机的进风口所朝方向的3至5m处设置第三甲烷传感器。在掘进巷道中且距离掘进巷道的出口的18至22m处设置一个风速传感器。②从矿井安全监测监控系统的监测数据中获取掘进巷道中的第一甲烷传感器和风速传感器的实时监测数据，并以所得数据作为掘进工作面的混合风流的实时甲烷浓度数据C以及实时风速大小数据V，即时间为t时，对应的甲烷浓度数据为ct、实时风速大小数据Vt。
③通过查阅煤矿的掘进工作面的设计资料或通过测量的方法获得掘进巷道设计的掘进工作面的断面面积S1和风筒的出风口的横截面面积s2。④根据步骤②和③获得的数据，利用如下公式计算掘进工作面在正常开采过程中每间隔I分钟所对应时间点的实时瓦斯涌出量Qt Qt=Ct · Vt(SrS2)，其中 t 为对应时间。⑤计算掘进工作面的煤体瓦斯解吸特性实时指标η。在煤矿正常开采过程中，煤体瓦斯涌出量的大小是随着时间推移不断波动的，在掘进工作面落煤开始时达到峰值。将煤矿正常开采过程中的每个瓦斯涌出量峰值所对应的时间t作为时间起点t’ =0，对煤矿正常开采过程中的每个瓦斯涌出量峰值后的20至30min内一段时间每间隔I至3分钟计算所对应时间点的瓦斯涌出累计量Q’(t’)，在煤矿正常开采过程中的瓦斯涌出累计量Q’可采用公式Q’n来描述，以t’为横坐标，瓦斯涌出累计量Q’为纵坐标，作出瓦斯涌出累计量曲线，利用Matlab中的lsqcurvefit函数对每个瓦斯涌出累计量曲线进行拟合，即可得到公式Q’n中指数η的大小，作为表征相应的一个瓦斯涌出量峰值所对应的表征煤体瓦斯解吸特性的实时指标η，对煤矿巷道的掘进工作面实时连续计算其正常开采过程中的每个瓦斯涌出量峰值的煤体瓦斯解吸特性实时指标η。步骤⑤中，瓦斯涌出累计量Q’n的推导过程是煤的瓦斯解吸速度可用幂关系式进行描述，其中vt，指解吸时间为t’时煤的瓦斯解吸速度。V1指解吸时间为Imin时煤的瓦斯解吸速度，即解吸初速度。kt，指衰减系数。现对上述幂关系式J7#| = Vt 的两边对t’积分
tIζ Vt, -dt1= ^V1 ·/^ · dt%Qf (t1) ^Qj (O) =. i + C
I — Iif r-上述表达式中，Qj (t')指时间为t’时煤的瓦斯解吸累计量。Qj(O)指时间为O时煤的瓦斯解吸量,大小为0，因此上述表达式可表达为
V ,Qj (^1) =----'t' +C
I —kt,=由于Qj (O) =0，代入上述表达式，则得到C=0，则得到
_9]
I' Kyε令nFAVd-kt，)，n=l_kt，，则上式可写成Qj(t’)=m · t' n。在煤矿正常开采过程中，掘进工作面的落煤量是基本不变的，在落煤开始的瞬间，掘进工作面的瓦斯涌出量达到极大值，之后随着落煤过程中风流的稀释，瓦斯涌出量逐渐变小。由于掘进工作面落煤的过程相当于煤体解吸的过程，因此落煤过程的瓦斯涌出累计量与煤体解吸过程中瓦斯解吸累计量可互为彼此的相对指标，则瓦斯涌出累计量Q’也可以用上述推导得到的关系式来进行描述Q’(t’)=m · t' n。步骤①中，风速传感器前后IOm内应无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化。第三甲烷传感器用于检测经过其所在位置的气流中所含甲烷的数据，该数据作为掘进工作面进风流所含甲烷的数据。本发明具有积极的效果(I)本发明的测试煤体瓦斯解吸特性的方法与传统的钻屑瓦斯解吸指标预测法相比具有明显的先进性，本方法基于现有矿井监测监控系统，省时省力，一方面降低了掘进工作面突出预测的劳动强度；另一方面能够对煤体瓦斯解吸特性进行实时测试分析，达到了非接触式动态分析的目的，是一种十分理想的煤体瓦斯解吸特 性测试方法。并且通过将本发明得到的瓦斯解吸特性的实时指标η和传统的钻屑瓦斯解吸指标K1以及Ah2进行对比分析，可以后续得出η的突出危险临界值，从而为掘进工作面的煤与瓦斯突出预测提供依据。(2)本发明的测试煤体瓦斯解吸特性的方法不受人工操作等人为因素的影响，不影响生产，可大幅度降低瓦斯解吸分析费用；基础信息完全来源于现有监测监控系统，在地面上就能够实现煤体瓦斯解吸特性的实时动态测试；同时还可以判断煤层瓦斯含量的高低和煤结构的变化。


图I为煤矿中串联通风的掘进工作面的矿井安全监测监控系统的设置示意图；图2为实施例I中煤矿在某年某月7日从5点12分到次日5点10分这段时间内的正常开采过程中掘进工作面的瓦斯浓度和风速曲线；图3为实施例I中煤矿的掘进工作面在某年某月7日从5点12分到次日5点10分这段时间内的瓦斯涌出曲线；图4为对图3的瓦斯涌出曲线的从第194min到220min之间的26min内的瓦斯涌出量进行累计所得到的曲线；图5为实施例I中的煤矿在某年某月7日到21日之间的15天的正常开采过程中的瓦斯解吸特性实时指标η的变化曲线以及用于对照的传统的钻屑瓦斯解吸指标Kl的变化曲线。上述附图中的标记如下掘进巷道B，掘进工作面81，进出口82，巷道八，第一甲烷传感器T1，第二甲烷传感器T2，第三甲烷传感器T3,风速传感器S，局部通风机F，进风口 F1，出风口 F2，掘进巷道设计的断面面积S1，风筒横截面面积S2。
具体实施例方式(实施例I)本实施例针对吉林通化某煤矿的某一掘进工作面进行煤体瓦斯解吸特性的测定，本实施例的测试煤体瓦斯解吸特性的方法包括如下几个步骤①构建矿井安全监测监控系统。见图1，本实施例的掘进工作面BI属于串联通风煤巷的掘进巷道B的工作面，按照《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》的6. 4节的的6. 4. I中的煤巷、半煤岩和有瓦斯涌出岩巷的掘进工作面甲烷传感器的设计规定的要求，在煤巷的掘进巷道B的距离掘进工作面BI处的小于等于5m的部位设置位于混合风流中的第一甲烷传感器T1，在距离掘进巷道B的进出口 B2处的10至15m处设置位于混合风流中的第二甲烷传感器T2，由于采用串联通风的掘进工作面，还在位于与掘进巷道B相邻的巷道A中设置被串工作面局部通风机F，且该局部通风机F的外接风筒的出风口 F2位于靠近掘进工作面BI的部位，该局部通风机F的进风口 Fl则设置在局部通风机F上，并且在局部通风机F的进风口 Fl所朝方向的3至5m处设置第三甲烷传感器T3，第三甲烷传感器T3用于检测经过其所在位置的气流中所含甲烷的数据，该数据作为掘进工作面进风流所含甲烷的数据。甲烷传感器TpT2J3应垂直悬挂，距顶板不得大于O. 3m，距巷壁不得小于O. 2m。混合风流处的甲烷传感器应有防止爆破冲击的防护设施。仍见图I，本实施例中，矿井安全监测监控系统还在距离煤矿的掘进巷道B的出口B2的20m处增加设置一个风速传感器S，风速传感器S前后IOm内应无分支风流、无拐弯、 无障碍、断面无变化。②从矿井安全监测监控系统的监测数据中获取掘进巷道B中的第一甲烷传感器T1和风速传感器S的实时监测数据，并以所得数据作为掘进工作面BI的混合风流的实时甲烷浓度数据C以及实时风速大小数据V，即时间为t时，对应的甲烷浓度数据为Ct、实时风速大小数据Vt。本实施例中，对掘进工作面BI在某年某月7日从5点12分到次日5点10分这段时间内采集该掘进面BI的每分钟的甲烷浓度Ct和风速大小Vt的实时监测数据，其中t为对应时间，共1438组数据，如图2所示，以7日5点12分作为时间零点，根据上述实时监测数据绘制该掘进工作面BI的瓦斯浓度和风速曲线，由图可见，在150min时，甲烷浓度C15tl的大小为O. 49% (气体百分比浓度)，实时风速V15tl的大小为2. 09m/s ;在900min时，甲烷浓度C900的大小为O. 54%，实时风速V900的大小为2. 15m/s。③见图1，通过查阅煤矿的掘进工作面BI的设计资料或通过测量的方法获得掘进巷道设计的掘进工作面BI的断面面积S1和风筒的出风口 F2的横截面面积S2,单位均为m2。本实施例中，该煤矿的掘进巷道B的掘进工作面BI的设计的断面面积S1为12. 2m2，风筒的出风口 F2的直径为500mm，风筒的出风口 F2的横截面面积S2为O. 2m2。④根据步骤②和③获得的数据，利用如下公式计算掘进工作面BI在上述时间段内每间隔I分钟所对应时间点的实时瓦斯涌出量Qt，单位为m3/min,本实施例中共得到1438个数据Qt=Ct · Vt (S1-S2)，其中t为对应时间。例如，在时间150min时，通过步骤②得到的C15tl的大小为O. 49%，V150的大小为2. 09m/s,从而通过公式计算150min时的瓦斯涌出量Q15tl,单位为m3/min ；Q150=C150 · V150(S1-S2) =0. 49% X 2. 09 X (12. 2-0. 2)=0. 123m3/s=7. 37m3/min ；又如在时间900min时，通过步骤②得到的C9tltl的大小为O. 54%，V900的大小为
2.15m/s,从而通过公式计算900min时的瓦斯涌出量Q9tltl Q900=C900 · V900 (S1-S2) =0. 54% X 2. 15 X (12. 2-0. 2) =0. 139m3/s=8. 34m3/min ；按照上述方法可计算掘进工作面BI在上述相应时间段内每分钟的对应实时瓦斯涌出量，然后根据计算出来的实时瓦斯涌出量Qt的大小及其所对应的时间值绘制得到掘进工作面BI在该时间段内的瓦斯涌出曲线，如图3所示。⑤计算掘进工作面BI的煤体瓦斯解吸特性实时指标η。前人围绕煤体瓦斯解吸特性也做了大量研究，研究结果表明煤的瓦斯解吸速度可
用幂关系式
权利要求
1.一种测试煤体瓦斯解吸特性的方法，其特征在于，包括如下步骤 ①构建矿井安全监测监控系统，在煤巷的掘进巷道(B)的距离掘进工作面(BI)处的小于等于5m的部位设置位于混合风流中的第一甲烷传感器(T1),在距离掘进巷道(B)的进出口(B2)处的10至15m处设置位于混合风流中的第二甲烷传感器(T2),在位于与掘进巷道(B)相邻的巷道(A)中设置局部通风机(F)，且该局部通风机(F)的外接风筒的出风口(F2)位于靠近掘进工作面(BI)的部位，该局部通风机(F)的进风口(Fl)则设置在局部通风机(F)上，并且在局部通风机(F)的进风口(Fl)所朝方向的3至5m处设置第三甲烷传感器(T3);在掘进巷道(B)中且距离掘进巷道(B)的出口(B2)的18至22m处设置一个风速传感器(S); ②从矿井安全监测监控系统的监测数据中获取掘进巷道(B)中的第一甲烷传感器(Tl)和风速传感器(S)的实时监测数据，并以所得数据作为掘进工作面(BI)的混合风流的实时甲烷浓度数据C以及实时风速大小数据V，即时间为t时，对应的甲烷浓度数据为Ct、实时风速大小数据Vt ； ③通过查阅煤矿的掘进工作面(BI)的设计资料或通过测量的方法获得掘进巷道设计的掘进工作面(BI)的断面面积S1和风筒的出风口(F2)的横截面面积S2 ； ④根据步骤②和③获得的数据，利用如下公式计算掘进工作面(BI)在正常开采过程中每间隔I分钟所对应时间点的实时瓦斯涌出量Qt Qt=Ct · Vt(S「S2)，其中t为对应时间； ⑤计算掘进工作面(BI)的煤体瓦斯解吸特性实时指标η； 在煤矿正常开采过程中，煤体瓦斯涌出量的大小是随着时间推移不断波动的，在掘进工作面(BI)落煤开始时达到峰值；将煤矿正常开采过程中的每个瓦斯涌出量峰值所对应的时间t作为时间起点t’=0，对煤矿正常开采过程中的每个瓦斯涌出量峰值后的20至30min内一段时间每间隔I至3分钟计算所对应时间点的瓦斯涌出累计量Q’(t’)，在煤矿正常开采过程中的瓦斯涌出累计量Q’可采用公式Q’n来描述，以t’为横坐标，瓦斯涌出累计量Q’为纵坐标，作出瓦斯涌出累计量曲线，利用Matlab中的Isqcurvefit函数对每个瓦斯涌出累计量曲线进行拟合，即可得到公式Q’n中指数η的大小，作为表征相应的一个瓦斯涌出量峰值所对应的表征煤体瓦斯解吸特性的实时指标η，对煤矿巷道的掘进工作面(BI)实时连续计算其正常开采过程中的每个瓦斯涌出量峰值的煤体瓦斯解吸特性实时指标η。
2.根据权利要求I所述的测试煤体瓦斯解吸特性的方法，其特征在于步骤⑤中，瓦斯涌出累计量Q’t' n的推导过程是煤的瓦斯解吸速度可用幂关系式Vt, =进行描述，其中Vt，指解吸时间为t’时煤的瓦斯解吸速度；Vi指解吸时间为Imin时煤的瓦斯解吸速度，即解吸初速度；kt，指衰减系数；现对上述幂关系式Vt, = 一!的两边对t’积分 ￡>,· — ’= · -—^ -di\Qj W Qj (O) =· t 矣,+ C Jjf^gg ψ· t 上述表达式中，Q^t’)指时间为t’时煤的瓦斯解吸累计量；(^_(0)指时间为O时煤的瓦斯解吸量，大小为O，因此上述表达式可表达为'W'Jr' O (tf)=——·t’*—kt. + C 'I —kf,^ 由于Qj(O)=O,代入上述表达式，则得到C=0，则得到 O (^ f ψ1~~^ I jIfκ Jt9令 IIi=V1/ (l_kt，), n=l-kt，，则上式可写成Qj(t’) =m · t; n ； 在煤矿正常开采过程中，掘进工作面(BI)的落煤量是基本不变的，在落煤开始的瞬间，掘进工作面(BI)的瓦斯涌出量达到极大值，之后随着落煤过程中风流的稀释，瓦斯涌出量逐渐变小；由于掘进工作面(BI)落煤的过程相当于煤体解吸的过程，因此落煤过程的瓦斯涌出累计量与煤体解吸过程中瓦斯解吸累计量可互为彼此的相对指标，则瓦斯涌出累计量Q’也可以用上述推导得到的关系式来进行描述Q’n。
3.根据权利要求I或2所述的测试煤体瓦斯解吸特性的方法，其特征在于步骤①中，风速传感器(S)前后IOm内应无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化； 第三甲烷传感器(T3)用于检测经过其所在位置的气流中所含甲烷的数据，该数据作为掘进工作面进风流所含甲烷的数据。
全文摘要
本发明涉及一种测试煤体瓦斯解吸特性的方法，包括如下步骤首先在现有矿井安全监测监控系统的基础上在距离煤矿的掘进巷道的出口20m处设置一个风速传感器；然后从上述系统的监测数据中获取掘进工作面的混合风流的实时甲烷浓度以及实时风速；再通过查阅或测量的方法获得掘进工作面的断面面积和风筒出风口的横截面面积；然后根据上述数据计算在正常开采过程中每分钟所对应的实时瓦斯涌出量；最后选取每个瓦斯涌出量峰值后的20至30min内一段时间的瓦斯涌出累计量作出瓦斯涌出累计量曲线，对每个瓦斯涌出累计量曲线进行拟合，得到瓦斯涌出累计量Q'(t')=m·t′n中指数n的大小，作为表征相应的一个瓦斯涌出量峰值所对应的表征煤体瓦斯解吸特性实时指标。
文档编号G01N33/22GK102944664SQ20121050619
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者刘水文, 屈世甲, 李继来, 吕鹏飞, 王芳 申请人:天地(常州)自动化股份有限公司, 中煤科工集团常州自动化研究院