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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

我国学者在煤层瓦斯含量精准测定研究方面取得进展!

2023-11-29

近日,中国矿业大学周福宝教授团队在煤层瓦斯含量精准测定研究方面取得进展!据悉,解决了煤矿井下钻孔取芯瓦斯损失量估算不准确的理论难题,研发出煤层瓦斯含量快速精准测定仪,为煤矿监管监察和现场瓦斯防治提供了一种核心技术装备。

研究成果刊发在《煤炭学报》《Journal of Natural Gas Science and Engineering》《International Journal of Heat and Mass Transfer》等国内外期刊上,并得到了国家自然科学基金项目(批准号:51325403、11402293、51974304、52274240)等的资助,形成1项国家能源行业标准NB/T 11328-2023《煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定方法》(国家能源局公告〔2023年第5号〕)。

视频讲解



图1 不同模型对损失瓦斯量的估算结果

图2 超前损失瓦斯量随钻进深度的变化规律

瓦斯是我国煤矿的主要灾害之一。煤层瓦斯含量测定结果失真可能导致瓦斯危险性误评价从而引发灾害事故。瓦斯含量测定的准确性很大程度上取决于钻孔取芯损失瓦斯量的估算是否合理。然而,煤基质孔隙结构具有高度非均质性、煤矿井下取芯工艺复杂多样、不同矿区煤样差异较大,这导致传统损失瓦斯量估算主要依靠半经验公式拟合,误差可达30%以上,且测定耗时长。亟需更为科学地构建煤层瓦斯运移动力学模型,快速精准预测煤矿井下钻孔取芯瓦斯损失量。
该研究团队首次基于分数阶微积分理论建立了煤基质瓦斯解吸的反常扩散动力学模型,揭示了瓦斯在微孔隙内的缓慢扩散过程遵循时间和空间的亚扩散机制,突破了传统均匀孔隙模型只能预测煤样暴露初期瓦斯快速扩散过程的理论难题(图1)。此外,研究团队考虑煤体卸压裂隙通道造成瓦斯渗漏这一现象,首次提出瓦斯“超前损失量”概念,构建了煤层赋存条件下钻进过程温度-应力-瓦斯渗流多场耦合模型,定量阐明了钻进摩擦热效应对煤层瓦斯解吸特性的影响机制以及钻进过程中瓦斯超前损失量的动态演化规律(图2),为更加准确测定煤层瓦斯含量提供了新的理论基础。
在解决上述核心科学问题的基础上,研究团队提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法,研发了具有自主知识产权的CHW12型煤层瓦斯含量测定仪,将瓦斯含量测定时间由十余个小时缩短至30min以内,误差降低至5%以内,实现了基础研究的应用转化。近年来,作为国家矿山安全监察局监管执法关键设备,成功应用于山西全省高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的瓦斯参数普查工程。据悉,该技术装备已在100余座煤矿推广应用,覆盖全国17个省(市)、自治区,产生了显著的经济效益和广泛的社会影响力。
《煤炭学报》刊发的该项成果



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煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法


作者:周福宝1,2康建宏1王有湃1张  冉1

单位:1.中国矿业大学 安全工程学院; 2. 中国安全生产科学研究院


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研究背景

随着煤炭开采逐年进入深部瓦斯赋存条件变得更加复杂煤与瓦斯突出危险性显著增加煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出防治的基础参数其测定的准确性制约着突出危险性预测的可靠性目前煤层瓦斯含量测定方法可分为2:直接法和间接法。GB/ T 23250—2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法将直接法作为煤层瓦斯含量测定的标准方法

多年来,学者们研发了各种煤层瓦斯含量直接测 定方法和技术装备。 中煤科工集团重庆研究院有限 公司研发了 DGC 型瓦斯含量测定装置。 王飞通过建立瓦斯参数与解吸曲线的数据库,在煤矿井下测 量时只需要获取短时间的解吸数据即可与数据库进行匹配,从而获得其瓦斯参数,并依据该原理研发了煤层瓦斯参数快速测定仪。 文光才等发明了一种自动化煤层可解吸瓦斯含量直接测定装置,该装置通过地面自动化瓦斯解吸系统和井下自动化瓦斯解吸系统 2 个子系统,分别测定地面和煤矿井下可解吸瓦斯含量。 杜泽生等发明了一种便携式智能瓦斯含 量快速测定仪,该仪器根据煤样在真空下的解吸规律 获得瓦斯含量测定结果。 杨宏民等根据解吸速度法研制了井下便携式煤层瓦斯含量快速测定仪,该测定仪利用瓦斯含量和瓦斯解吸速度特征参数V1之间的线性关系来计算煤层瓦斯含量。

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摘     要

煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性和评价矿井瓦斯储量的基础参数。 针对现有测 定方法需要井上和井下分阶段测量测定周期长的不足提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化测 定新方法介绍了煤样井下直接破碎系统瓦斯解吸量自动化计量系统和数据自动采集处理系统等关键单元构成及主要技术指标

 其次针对现有测定方法中损失瓦斯量估算误差大的难题考虑煤孔隙结构的非均匀性建立了瓦斯分数阶扩散模型以此准确推算煤样暴露过程的损失瓦斯量;搭建了模拟井下煤层瓦斯含量测定流程的误差分析系统通过设定不同吸附平衡压力来改变瓦斯含量设定不同暴露时间来改变损失瓦斯量并通过与传统模型对比来验证分数阶模型的准确性。 

实验表明分数阶模型推算损失瓦斯量的误差在10%以内测定瓦斯含量的误差在5%以内而传统 模型和幂函数模型测定瓦斯含量的误差达到 20%以上。 

最后基于煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定方法研发了 CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪在淮南矿区朱集东矿和潘三矿进行了现场应用并使用煤矿原有瓦斯含量测定设备对同一地点同一深度的煤样进行了测定比较。 现场试验表 明,CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪比原有设备的测定值平均提高了 13.5%,测量时间缩短至 1.5 h 以内实现了煤层瓦斯含量的快速精准测定

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部分图表





图 1  井下煤层瓦斯含量测定误差分析系统

图 2  在 0.38 MPa 吸附平衡压力下不同模型对损失瓦斯量的推算结果

图 3  在 2.13 MPa 吸附平衡压力下不同模型对损失瓦斯量的推算结果

图 4 煤层瓦斯含量井下一站式快速测定系统设计

图 5 CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪实物

图 6 CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪在潘三矿井下应用

图 7 现场瓦斯含量测定结果对比


作者简介



周福宝,男,1976715日生,江苏南京人,教授,博士生导师现任中国安全生产科学研究院院长兼任国务院学位委员会第八届安全科学与工程学科评议组联合召集人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖3项及省部级科技进步一等奖5项,获授权国家发明专利80余件、软件著作权4件;出版学术专著2部,主编教材2部;在国内外重要学术刊物上发表论文100余篇,2017年后连续入选《Elsevier》在安全、风险、可靠性和质量学科领域的中国高被引学者“长江学者”特聘教授、百千万人才工程国家级人选、国家有突出贡献的中青年专家、科学探索奖、何梁何利科学与技术奖、中国工程院光华工程科技青年奖、中国青年科技奖等人才奖项


研究方向

矿山灾害防治与资源化利用、公共安全与职业健康 


主要成果

长期致力于瓦斯与煤火(自燃)复合灾害防治工作,在瓦斯与煤火耦合致灾理论、协同防治技术等方面开展了原创性研究,提出了瓦斯与煤火耦合致灾理论,阐明了井下“钻--封”一体化抽采和地面采动钻井抽采技术原理,首创了液氮规模化直注式灭火抑爆技术,攻克了瓦斯与煤火协同防治的重大工程难题,上述成果成为我国煤矿灾害防治领域的原创核心技术,已在130余座矿山直接转化与应用,为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。



来源:

周福宝康建宏王有湃.煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法[J].煤炭学报,2022,47(8):2873-2882.


来源:国家自然科学基金委员会工程与材料科学部、《煤炭学报》
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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