（机械工程专业论文）井下瓦斯防突含量测定系统及实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t d 4 学科分类号 4 4 0 6 0 论文编号 10 0 10 2 0 1 2 0 0 4 1密级公开 学位授予单位代码 10 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王海冰 学号 2 0 1 0 0 10 0 4 1 获学位专业名称机械工程 获学位专业代码 0 8 5 2 0 1 课题来源自选课题研究方向矿山机械工程 论文题目井下瓦斯含量测定系统及实验研究 关键词瓦斯防突，解吸法，损失瓦斯含量，新型取芯器 论文答辩日期2 0 1 2 年6 月3 0 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位 学科专长 指导教师张东胜副教授北京化工大学测试与测量 评阅人1 张连凯副教授北京化工大学 机电工程 评阅人2 侯俊达高工 华电抗磨有限公司控制工程 懒员蝴何亚东研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员1何立东 研究员北京化工大学 动力机械 答辩委员2王华庆 教授北京化工大学故障诊断 答辩委员3李国昌高工北京燕山石化公司 机械设备 答辩委员4颜廷俊 教授北京化工大学 石油机械 答辩委员5薛平研究员北京化工大学 聚合物加工 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 ；中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) ( 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 井下瓦斯防突含量测定系统及实验研究 摘要 井下煤和瓦斯突出是在煤矿井下采掘的过程中，时常会发生的一瞬间 工作面被破坏，煤岩石喷出和瓦斯大量泄漏的现象。井下瓦斯含量测定是 井下煤和瓦斯突出预防的一种重要手段。本文介绍了一种瓦斯含量测定装 置及以及它的实验研究。 本文所研究的装置是运用的解吸方法来对煤层瓦斯含量进行测定的。 首先是要在矿井下取出煤样，接下来就对井下所取得的煤样进行相对应的 解吸处理，然后再根据重庆院研究出来的瓦斯推算方法中的解吸规律来推 算得出损失瓦斯量x ，。连同一起测量得出的瓦斯直接解吸量动以及粉碎 瓦斯解吸量和相加在一起得到常压瓦斯可解吸量，再加上根据实验室 测得的结果导出的x b 从而得到最终结果煤层瓦斯含量x 。 本系统的工作原理分为井下操作模式和井上井下混合操作模式。本文 研究的系统的组成包括装置硬件系统和装置软件系统，具体内容如下：设 备外壳；设备搬运车；取芯器；解吸仪；井下粉碎机；煤样筒；机械天平； 空盒气压表；地面粉碎机；地面水分分析仪；地面称重系统；数据处理系 统。对于实用新型取芯器、地下粉碎机以及数据处理系统都做了详细的规 划及介绍。并对数据处理系统中的p c 软件编制进行了详细介绍。p c 上 位机软件的设计采用v i s u a lb a s i c 编程语言完成，并对软件的算法、窗体 及功能实现等方面都进行了详细介绍。 本文还从硬件及软件部分分别设计执行了相应的实验验证。硬件实验 l 北京化工大学硕二【1 学位论文 包括粉碎机粉碎效果验证实验以及解吸仪解吸效果实验；软件实验验证包 括对软件编制算法是否正确的验证以及此算法是否实际可用的验证。并对 手持机的开发设计标准提出了相关要求，同时提出手持机的未来发展方 向。 关键词：瓦斯防突，解吸法，损失瓦斯含量，新型取芯器 a b s t r a c t u n d e r g r o u n dg a sco n t e n tm e a s u r e m e n t s y s t e ma n de x p e r i m e n t a ls t u d y a b s t r a ct u n d e r g r o u n dc o a la n dg a so u t b u r s to f t e no c c u ri nt h em i n i n gp r o c e s s w h i c hd a m a g ew o r k i n gs u r f a c ea n dr e l e a s eam a s so fc o a lr o c ka n dg a s i n s t a n t a n e o u s l y u n d e r g r o u n dg a s c o n t e n tm e a s u r e m e n ti sa ni m p o r t a n t m e a s u r et op r e v e n tu n d e r g r o u n dc o a la n dg a so u t b u r s t i nt h i sp a p e r , a n u n d e r g r o u n dg a sc o n t e n tm e a s u r e m e n ts y s t e ma n di t se x p e r i m e n t a ls t u d yi s i n t r o d u c e d d e s o r p t i o nm e t h o di su s e d 、i nt h es y s t e mt od e t e r m i n et h ec o n t e n to fg a s w i t h i nt h ec o a ls e a m f i r s to fa l l ，m i n es a m p l ei sc o l l e c t e du n d e r g r o u n d ， s e c o n d a r i l y , t h ed e s o r p t i o n m e t h o di su s e dt o p r o c e s s c o a l s a m p l e s c o r r e s p o n d i n g l y , t h e nb a s e do nt h ed e s o r p t i o nl a wb yc h o n g q i n gs c h o o l ，l o s s o fg a sv o l u m e ，x i ，i se x t r a p o l a t e d a d d i n gd i r e c tg a sd e s o r p t i o nv o l u m e ，x 2 ， a n ds m a s h e dg a sd e s o r p t i o nv o l u m e ，x 3 ，t o g e t h e rt og e tt h ea t m o s p h e r i cg a s d e s o r p t i o nv o l u m e ，x , n ，t h e np l u sx b ，w h i c hi se x p o r t e df r o mt h er e s u l t s o f l a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t t og e tt h ef i n a lr e s u l t so fg a sc o n t e n ti nc o a ls e a m ，x t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e o ft h es y s t e mi sd i v i d e di n t ou n d e r g r o u n d o p e r a t i o n m o d ea n du n d e r g r o u n d - o v e r g r o u n dm i x i n gm o d e 。t h em a jo r c o m p o n e n to f t h es y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m sa sf o l l o w s ： i i i 北京化工大学硕士学位论文 e q u i p m e n te n c l o s u r e ；e q u i p m e n tv a n ；c o r eg u n ；d e s o r p t i o ni n s t r u m e n t ； u n d e r g r o u n ds h r e d d e r s ；c o a ls a m p l et u b e ；m e c h a n i c a lb a l a n c e ；a n e r o i d b a r o m e t e r ；g r o u n dg r i n d e r ；g r o u n dm o i s t u r ea n a l y z e r ；g r o u n dw e i g h i n g s y s t e m s ；d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m d e t a i l e dp l a n n i n ga n di n t r o d u c t i o nf o rt h e n e wc o r eg u n ，u n d e r g r o u n ds h r e d d e ra n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e ma r es t a t e di n t h ep a p e r e s p e c i a l l yd e t a i l e da b o u tt h ep cs o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h ed a t a p r o c e s s i n gs y s t e m v i s u a lb a s i cw a su s e da st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o r t h ep cs o f t w a r ed e s i g n ，a n dt h i sp a p e ra l s op r e s e n t ss o f t w a r ea l g o r i t h m s ， f o r m sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o na n de t c c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t sa r e a l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e rs e p a r a t e l y h a r d w a r ee x p e r i m e n t si n c l u d e dt h e r e s u l tv e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t so fs h r e d d e r a n d d e s o r p t i o ne q u i p m e n t ； s o f t w a r ee x p e r i m e n t si n c l u d e dt h ev a l i d i t ya n da v a i l a b i l i t yo ft h es o f t w a r e a l g o r i t h m t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g ns t a n d a r do ft h eh a n d h e l dv e r s i o no f t h es y s t e ma r ea l s op r o p o s e di nt h ep a p e r , a n dp r e s e n tf u r t h e rd e v e l o p i n g d i r e c t i o no fi t k e yw o r d s ：g a so u t b u r s tp r e v e n t i o n ，d e s o r p t i o n ，l o s so ft h eg a sv o l u m e ， c o r eg u n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 井下瓦斯突出及危害1 1 2 瓦斯预先监测1 1 3 瓦斯预先监测技术的发展2 1 4 本论文的规划3 1 5 小结4 第二章瓦斯监测的基本理论与研究5 2 1 瓦斯监测手段5 2 2 测试手段的确定5 2 2 1 煤层瓦斯成分测定法5 2 2 2 直接测定方法6 2 2 3 间接测定方法6 2 2 4 解吸法( 地勘时期煤层瓦斯含量测定方法) 7 2 2 5 井下测定煤层瓦斯含量方法7 2 3 现有技术手段优略对比8 2 3 1 巴雷尔式计算模型8 2 3 2 图解法9 2 3 3 重庆研究院幂函数计算模型( 孙重旭式) 9 2 3 4 重庆院计算模型1 0 2 4 具体实施技术路线1 0 2 4 1 井下操作模式11 2 4 2 井上井下混合操作模式1 1 v 北京化工大学硕士学位论文 2 5 小结11 第三章系统的实验规划1 3 3 1 规划总体设计1 3 3 2 硬件设计1 4 3 2 1 取芯部分1 4 3 2 2 自然解吸部分1 6 3 2 3 粉碎解吸部分1 8 3 2 4 水分分析部分2 2 3 3 软件规划设计2 2 3 3 1 计算说明2 2 3 3 2 软件界面设计及功能实现2 6 3 4 系统实验规划及评价标准4 0 3 5 小结4 l 第四章实验4 3 4 1 硬件的实验数据模拟及实验验证4 3 4 1 1 粉碎效果实验验证4 3 4 1 2 解吸仪的实验验证4 4 4 2 系统正确性及软件的实验数据模拟分析4 4 4 2 1 算法正确性的验证4 5 4 2 2 系统正确性及软件算法实验4 6 4 3 手持机的开发5 0 4 3 1 手持机软件的设计要求5 0 4 3 2 手持机的开发展望5 0 4 4 小结5 1 v t 目录 第五章总结5 3 参考文献5 5 致谢5 7 作者及导师简介5 9 v i l 北京化工大学硕士学位论文 v i i i c o n t e n t co n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1o u t b u r s ta n di t sh a r mo f u n d e r g r o u n dg a s 1 1 2g a sp r e m o n i t o r i n g 1 1 3r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg a sp r e - m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 2 1 4p l a n n i n go f t h i sp a p e r 3 1 5s u m m a r y 4 c h a p t e r 2t h eb a s i ct h e o r ya n dr e s e a r c ho fg a sm o n i t o r i n g 5 2 1t h em e t h o do f g a sm o n i t o r i n g 5 2 2t e s tm e t h o do f d e t e r m i n i n g 。5 2 2 1t h ed e t e r m i n a t i o no f g a sc o m p o s i t i o no f c o a ls e a m 5 2 2 2d i r e c td e t e r m i n a t i o nm e t h o d 6 2 2 3i n d i r e e td e t e r m i n a t i o nm e t h o d 6 2 2 4d e s o r p t i o n ( m e a s u r e m e n tm e t h o d so f g a sc o n t e n to f c o a ls e a mi ng e o l o g i c a l e x p l o r a t i o np e r i o d ) 7 2 2 5d e t e r m i n et h eg a sc o n t e n to f c o a ls e a mi nd o w nh o l e 7 2 3c o n t r a c tc u r r e n tt e c h n i c a lm e a n s 8 2 3 1b a n e c a l c u l a t i o nm o d e l 8 2 3 2g r a p h i cm e t h o d 。9 2 3 3c h o n g q i n gi n s t i t u t eo f p o w e rf u n c t i o nm o d e l ( s u nc h o n g x u ) 9 2 3 4c h o n g q i n gi n s t i t u t eo f c o m p u t i n gm o d e l 1 0 2 4s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no f t h et e c h n o l o g yr o a d m a p 1 0 2 4 1d o w n h o l eo p e r a t i o nm o d e 1 1 北京化工大学硕士学位沦文 2 4 2i n o u e u n d e r g r o u n d m i x e d o p e r a t i o n m o d e 1 1 2 5s u m m a r y 1 1 c h a p t e r 3t h ee x p e r i m e n t ，p l a n n i n ga n da r g u m e n t 1 3 3 1p l a n n i n gt h ed e s i g na r g u m e n t 1 3 3 2h a r d w a r ed e s i g na r g u m e n t ：1 4 3 2 1t a k ec o r ep a r t 1 4 3 2 2n a t r u a ld e s o r p t i o np a r t 1 6 3 2 3c r u s h e dd e s o p t i o np a r t 1 8 3 2 4w a t e ra n a l y s i sp a r t 2 2 3 3p l a n n i n ga n dd e s i g no f s o f t w a r e 2 2 3 3 1c a c u l a t i o n 2 2 3 3 2s o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n 2 6 3 4e x p e r i m e n t so ft h es y s t e mp l a n n i n ga n de v a l u a t i o ns t a n d a r d 4 0 3 5s u m m a r y 4 1 c h a p t e r4e x p e r i m e n t 4 3 4 1h a r d w a r ee x p e r i m e n td a t as i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 4 3 4 1 1e f f e c to f c r u s h i n ge x p e r i m e n t 4 3 4 1 2d e s o r p t i o ni n s t r u m e n te x p e r i m e n tv e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 4 4 4 2t h ec o r r e c t n e s so f t h es o f t w a r es y s t e ma n de x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s 4 4 4 2 1t h ec o r r e c t n e s so f t h ea l g o r i t h mv a l i d a t i o n 4 5 4 2 2s y s t e mv a l i da n ds o f t w a r ea l g o r i t h me x p e r i m e n t - 4 6 4 3h a n d s e td e v e l o p m e n t 5 0 4 3 1h a n d s e ts o f t w a r ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 5 0 4 3 2h a n d s e td e v e l o p m e n tp r o s p e c t 5 0 x j 兰竺坚堕翌三一 _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - 一 4 4s u m m a r y 5 1 c h a p t e r 5s u m m a r y 5 3 r e f e r e n c e 5 5 t h a n k 5 7 a u t h o r a n dm e n t o rp r o f i l e 5 9 x i 北京化工大学硕士学位论文 x i i 符号说明 符号说明 煤的灰分 与煤的瓦斯含量及煤的粒度有关的常数 试验温度下煤的极限吸附量 煤的瓦斯吸附常数 量筒内水柱高度，m m 比例常数，m l mi n o 5 煤的水分 煤层原始瓦斯压力 外部压力； 大气压力，助口 0 时水的饱和蒸汽压，印口 所求的饱和压力值 t i 对应的饱和压力值( 按照( 1 ) 中的对应关系) 比t 值大的最小的整数值对应的饱和压力值( 按照( 1 ) 中的对应 关系) 煤屑自暴露时起至进行解吸测定时间为t 时的瓦斯解吸体积。掰z 瓦斯漏失量 输入的温度值 比t 值小的最大的整数值 暴露时间m i n 取煤芯开始时刻( 时：分：秒) 取煤芯结束( 开始退钻) 时刻( 时：分：秒) 装罐结束( 开始解析测定) 时刻( 时：分：秒) 煤屑在解吸测定前的暴露时间。mi n 煤屑解吸测定时间，mi n 量筒内温度 在量简内温度0 ，大气压力p ，条件下，时间( 观测i 分钟) 量管 内气体体积。 全瓦斯含量 不可解吸瓦斯含量 可解吸瓦斯含量 损失瓦斯含量 粉碎前解吸含量 粉碎前解吸含量 x i i i 彳 d 一 缸引 口6九k尬疡竹曼p r 册 q q丁乃乃五互互扬，o x 裼却动勋 北京化工大学硕士学位论文 x l t t v 瓦斯解吸损失量 煤的孔隙率 煤的容重 x i v 第一章绪论 1 1 井下瓦斯突出及危害 第一章绪论 众所周知，在煤矿井下采掘的过程中，时常会发生一瞬间工作面被破坏，煤岩石 在采动行为的巨大矿压作用下发生喷出和瓦斯大量泄漏现象被称为井下煤和瓦斯突 出。一般的煤和瓦斯突出发生的时候，所突出的瓦斯顺着风流按回风流动，发生大型 的突出时会逆着风流向着进风井的方向流动，同时会使高浓度的瓦斯瞬间充满井下的 大部分范围。 煤矿井下煤与瓦斯突出事故是各种煤矿可能发生的事故中的重大的其中之一。发 生此重大灾害时一般可造成井下或附近相关人员的缺氧并导致窒息甚至死亡，还有可 能会引起瓦斯的燃烧甚或爆炸【1 1 。发生突出的煤层岩石还可能会掩埋未来得及撤离现 场的人员，造成这些人员的伤亡。而煤矿瓦斯突出事故的严重程度和发生与否都取决 于矿井中瓦斯的赋存情况，那么快速而准确的测量分析煤层的瓦斯含量就成了一种急 需解决的技术。 1 2 瓦斯预先监测 如同下雨前会有相应的预兆一样，煤与瓦斯突出事故在其发生前一般也是有预兆 的。当了解或者掌握了这些预兆以后，就能及时的对各种事故采取相应的防范措施， 迅速将上产工作及相关人员撤离危险区，以来确保他们的健康以及生命安全。同时， 掌握这些预兆对于实现瓦斯预先监测也有很大的用处。 按照一般的情况，煤与瓦斯突出事故发生以前所具有的预兆被分为无声预兆和有 声预兆两种【2 1 。无声预兆包括煤矿井下工作面处的顶板承受的压力增加，煤壁被挤凸 出，片帮处会有渣掉落，顶板会发生下沉运动或者底板发生鼓起运动，煤层的中层处 所具有的层理开始变得紊乱，井下的煤看上去暗淡而毫无光泽，煤质较以前明显变软， 瓦斯含量开始不稳定主要的表现是含量忽大忽小，煤壁呈现发凉的状态，并在向煤壁 中打钻的时候出现将钻顶出、卡住钻、向外喷出瓦斯等现象。而有声预兆则包括煤壁、 煤层等其他物在变形的过程中会向外发出劈裂声、闷雷声、机枪声以及响煤炮，并且 这些声音会由远及近、由大到小的传播开来，有时会比较短暂、有时会连续不断、其 北京化工大学硕士学位论文 中所间隔的时间也呈现长短不一的状态，还有因为煤壁处所发生的震动及冲击，顶板 压下和支架受到正冬季冲击等所发出的折裂声【3 j 。 然而，发生任何一次煤与瓦斯突出以前，并不会所有的预兆同时出现，有时仅出 现一种或者集中，有时有的预兆还不明显，也有时发生预兆与发生突出之间的时间太 短，不能被人们很准确的掌握到并作出及时的反应。这样，就需要人们对瓦斯进行预 先监测，将监测到的信息进行合理处理，以达到煤与瓦斯突出事故的预防的目的。 1 3 瓦斯预先监测技术的发展 瓦斯突出事故是煤矿井下可能发生的一些事故及灾害中极为复杂的一种，许多的 矿难事故及灾害都是由于瓦斯突出人员来不及反应或者反应错误造成的，来不及反应 的情况占较大多数。会引起瓦斯突出的原因十分繁多的，但是发生突出的最基本的原 理却还没有彻底搞明白。这些年来，灰色预测理论、人工神经网络、支持向量机等等 相关的理论以及相关的技术在伴随着人工智能技术发展的同时，已经进入了煤矿以及 其矿井下的安全领域，在对瓦斯突出可能性的预测上有了一些可以的成绩，但是仍然 在发展的路上需要改进和完善【3 1 。例如这些研究就存在着推理技术单调，并且学习能 力较弱等等的缺点，故而难以效果理想的来处理矿井事故中一般都存在的呈现出半结 构化或者呈现出非结构化的问题。 为了有效的预防并解决煤矿井下瓦斯突出造成的事故及灾害问题，中国已经在研 究和应用解决上述问题的方法，在前人的基础上继续进行煤矿瓦斯抽放方法的研究并 深化研究更好更多的方法，到现在为止已经有了超过5 0 年的历史了【4 1 。目前，国内已 经有超过千余处的矿井可以进行瓦斯抽放，这些矿井每年都会抽出可能发生外泄的瓦 斯量超过了4 0 亿m 3 之多，这样做不仅仅提高了煤矿的安全指标，使煤矿预防了很多 恶性或者可怕事故的发生，降低了每年的煤矿安全经济损失，还将这些抽出的瓦斯进 行利用，使其在其他方面发挥了其自身的价值，增加了可使用的能源。伴随着这一行 业的不断发展，一些煤矿也产生了向深部发展的需要和趋势，还有一些需要进一步开 发的【5 1 。为了满足上述的需要和煤矿矿井内对安全环境、通风环境等等的需要，必须 提前知道该煤矿矿井内或者煤层中的瓦斯含量大小及其分布规律，对施工时可能发生 的突出量及涌出量要有正确的认识和预测，并作出相应评价。 为了解决前面所提到的种种问题，首先需要研究煤矿瓦斯防突手段及瓦斯含量测 定方法。事实上，瓦斯防突手段除了瓦斯含量测定还有两种，即煤层测压和瓦斯涌出 初速度测定【6 】。煤科院抚顺分院比较早期的时候就已经开始着手研究煤层瓦斯含量测 2 第一章绪论 定的方法了。并且其已经先后研究确定了几种方法，并且已经有几种方法被用于实际 生产中了，因效果比较明显且实用而被推广。这些方法分别是：煤层瓦斯成分测定； 直接方法；间接方法；解吸方法以及井下测定煤层的瓦斯含量方法。 1 4 本论文的规划 煤层原始瓦斯含量是进行瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采效果评价和煤与瓦斯突出危 险性预测的重要参数之一，是一切瓦斯防治措施的基础【7 】。但怎样实现快速且正确的 对瓦斯含量进行测定，一直是煤矿瓦斯事故防治方面最急需得到解决的难题。 本论文中所研究的装置系统将会根据直接法中的解吸方法来测定煤层瓦斯含量。 即首先利用自主研发的采样工具在矿井地质勘探钻孔中取得相应的煤样，在对煤样解 吸的过程进行监测并记录解吸数据，利用研究证明过的煤样解吸规律对所采煤样进行 损失瓦斯量的推算。 目前煤层瓦斯含量的测定在井下只进行取样和简单的解吸，其他大部分工作在地 面实验室进行【引。从现场取煤样简单解吸完毕到拿到地面实验室测定，要花费几个小 时甚至几十个小时的时间，无法在现场快速直接获得瓦斯含量值，从而也无法快速对 瓦斯抽采效果作出评价和对突出危险性作出快速预测，大大的影响了防治工作中要求 较高的时效性。 根据煤矿瓦斯抽采基本要求行业标准，煤矿瓦斯抽采操作的达标评价指标是 煤层瓦斯含量及煤层可解吸瓦斯含量。大量相关的研究表面，煤的可解吸瓦斯含量才 影响对瓦斯突出危险性的原因，而其他两均不如其影响程度深且有意义。研究测定工 程量相对较小、测定周期短、测定准确率较高且可进行大量测点量的煤层瓦斯含量及 可解吸瓦斯含量测定装备，并用于预测煤与瓦斯突出的可能性和评价瓦斯预抽的效 果，在这些方面它具有很重大的意义。 为了在保证瓦斯解吸方法测定瓦斯含量的准确性以及瓦斯防治工作的时效性，本 论文讨论了一整套煤层井下防突瓦斯含量测定装置。该装置包括取芯器、解吸仪、井 下粉碎机( 井上粉碎机) 、煤样筒、称重装置、分析仪器和数据处理系统【9 】。该装置既 可按传统方式进行井下取样、井上解吸，也可以在井下完成可解吸含量的直接测定， 是目前国内外唯一能够在井下快速直接测定煤层可解吸瓦斯含量的测定系统。 北京化工大学硕：上学位论文 1 5 小结 本章简单介绍了煤层瓦斯突出的危害，瓦斯预先监测技术的原理以及预先监测技 术的发展状况，并提出本论文的总体规划，简要描述了本论文所研究的装置系统。 4 第二章瓦斯监测的基本理论研究 第二章瓦斯监测的基本理论与研究 2 1 瓦斯监测手段 瓦斯监测手段可以拥有不同的判断因子，其中包括瓦斯含量判断；瓦斯压力判断 以及瓦斯涌出初速度判断等其他判断因子。根据瓦斯压力进行判断是较为直接的一种 方法，操作较为简单，也是目前应用比较广泛的，但是这种方法所测定的值并不是最 接近实际情况的，不如其他方法准确；瓦斯涌出初速度法是一种新兴的方法，理论基 础还不是很牢固，到目前为止也还没有形成相关的标准，仍然处在研究初期阶段；相 较前两种而言，瓦斯含量测定方法有一定的理论基础，有相关的标准规定不会无法可 循，结果准确性更高，对于瓦斯防突更有说服力。 现阶段，经过几代人的不懈努力以及实验验证，已经研究出几种含量测定方法。 这些年所研究出来的关于煤矿井下可以用来测定瓦斯含量的手段主要有：瓦斯成分测 定；直接方法；间接方法；解吸方法；井下测定瓦斯含量方法等等多种方法。接下来 对这些方法进行一一介绍，并对其使用条件自身具有的特点实际使用情况等进行对 比。 2 2 测试手段的确定 2 2 1 煤层瓦斯成分测定法 煤层和煤层同地表的连接部分的气体因为受到各种因素的影响而向两个方向进 行运动，还因为一些特定的受影响的内部产生的气体扩散方向相反而导致了煤层内部 的瓦斯气体成分呈现出了有规律的带状分布。并因其内部瓦斯含量多少来将其分为甲 烷带( 含量也就是浓度达到了8 0 以上) 和风化带( 含量也就是浓度并未达到8 0 的) 。 要研究瓦斯含量及其分布规律，研究风化带的分布深度就是其首先要做的步骤， 然后在查明具体情况和影响分布。操作步骤如下：采取煤样( 工具：球磨缶) ，采得 煤样后进行粉碎( 在保证密封的条件下进行) ，对粉碎后的煤样进行脱气( 方法：真 s 北京化工大学硕士学位论文 空加高温) ，最后计算单位重量的样品的瓦斯量( 进行此计算所必需要首先测得的量： 瓦斯量、气体组成和煤样重量) 1 0 】。但是，通常斯风化带测得的结果并不能代表什么， 因为其比较接近自然瓦斯含量。 但是，球磨缶并不是立项的采样工具，其在操作过程中极有可能使煤氧化，直接 可能导致结果误差。因此，人们改成了使用真空罐采取煤样，效果明显。 本小节中提到的方法，在第一步的采样操作时就已经产生了损失，影响了结果， 后面计算步骤时，还忽略了部分气体，所以，其结果只能在一定条件时作为一个相对 指标存在，正确率低，并不能真正作为正确的结果。 2 2 2 直接测定方法 直接法为了弥补前种方法在正确性上的不足，为了大大降低第一步采样过程中损 失掉的瓦斯量，一直都进行着不懈的努力研究。 1 8 8 3 型密闭式岩芯采取器，是直接法中专门针对对于成分测定法弊端而研制成 功的，其就是为了弥补不足而存在，为了更好的达到含量测定效果而存在，是当时解 决弊端问题的较好的解决途径组成装置。其工作原理是钻孔的时候直接就达到将所取 煤样密封在其芯管中的目的】。退钻时保证密封效果不受影响的进行后面操作，然后 进行如上一种方法的步骤，最后得到较为准确的结果。 5 8 型集气式岩芯采取器的不同于其他的采取煤样的装置之处在于其上装有能将 泄漏出去的瓦斯收集回来避免浪费或者造成污染的集气室。以更好的达到防止操作过 程中瓦斯损失的目的。 本文还将在后面的章节中提出本装置系统研制的新型的使用取芯器，具有更好的 密封取芯效果。 2 2 3 间接测定方法 间接测定方法就是根据所测得的一部分数据同时利用大量研究已经证明的朗格 缪尔( l a n g m u i r ) 物化吸收方程来推算得出最终结果的方法。主要操作步骤如下：首先 要认真的做出吸附等温线，并通过这个认真研究所作出的等温线来计算出吸附常数 6 第二章瓦斯监测的基本理论研究 值，再利用一定的相关工具来测量孔隙体积，同时不忘记把水分对吸附的影响也一并 考虑进来，在进行所有操作步骤的同时还要记录下进行试验和采取煤样和在煤层中操 作时煤层的温度和它的瓦斯压力，上面所说的都知道并准备好了就可以求得最终结果 甲烷容量也就是原始瓦斯含量了【1 2 】。 通常情况下，间接方法因其操作较为简单、计算较为严密严谨而应用较为广泛， 但其也会受到一定的限制。 2 2 4 解吸法( 地勘时期煤层瓦斯含量测定方法) 此法与直接法的主要不同在于此法中增加了密封性能较好的煤样筒作为取芯后 的直接传递和密封装置。 即使装置的密封达到了一定的水平，但是在操作过程中依然还是会有一定的瓦斯 损失存在，此法的关键在对损失瓦斯量的推算，这样就要首先找到符合大部分煤矿和 煤质的瓦斯损失规律，即具一定的正确性又能比较广泛的适用于各种煤矿和煤质情 况，而损失规律与瓦斯解吸规律有很大的关系，故而本法被称为解吸法。其操作主要 步骤为：采样并进行自然解吸操作以来测定推算出自然解吸速度；通过事先早就 已经选好的解吸规律推算出在操作前一步采样的过程中损失的瓦斯量；粉碎前明确 自然瓦斯成分：粉碎后脱气；前几步算的结果相加即为所求的最终结果【1 2 1 。 多方的研究和大量的实验证明：解吸方法成功率很高，甚至已经达到了9 8 ， 与其他方法相比，此法也是最适合实际情况下使用的方法。并且其操作也较为简单， 所以应用最为广泛，本文所述装置系统就是使用的解吸法。后几章中会详细介绍如何 运用此法在本装置中达到最好的效果。 2 2 5 井下测定煤层瓦斯含量方法 本小节所述的方法的基本原理是利用压力补偿方式非直接的一种用来测定煤层 瓦斯含量的方法【1 3 1 。但此方法的操作步骤及进行的工作较为复杂，方法使用的周期又 明显的比其他的方法较长，因此它并不能在生产实践中得到广泛的应用。事实上，这 种方法也可以被看做是间接法的一种，只是更加复杂难操作且费时，应用起来也是极 为不方便的。 7 北京化工大学硕士学位论文 经过以上5 个小节中对每种方法的机理描述、操作步骤的说明和优缺点说明，经 过对比筛选以后发现解吸法是其中操作较为简单的。故而本文所要研究和讨论的测定 装置系统所采取的就是直接法中的解吸法。大致步骤就是：首先取样，再进行自然解 吸，并记录所有相关的数值，带入式2 - 4 的解吸规律中以来推算损失瓦斯量x ，同时 根据以上记录的数据计算得出瓦斯直接解吸量x 2 ，紧接着对煤样进行粉碎操作，达到 粉碎机说明书上所规定的粉碎验收效果后将粉碎操作以后进行的解吸操作后的相关 数据通通记录下来，从而提供可用数据以来计算得出粉碎瓦斯解吸量x 3 ，这几步算得 的x ，、x 2 、x 3 相加以后得到的结果就是常压瓦斯可解吸量，最后，在实验室进 行水分分析步骤，并由此得出不可解吸瓦斯含量，并将其与相加从而得到最终 结果煤层瓦斯全含量x 。 2 3 现有技术手段优略对比 解吸法具有很多优点：准确性、操作简单以及广泛适用。其中它的准确性主要来 自于其操作步骤及计算步骤中重要的一步瓦斯损失含量推算所得结果的正确性。这些 年以来，对于应用最为广泛的解吸法为了更适合使用而努力的人们已经研究出了很多 种损失瓦斯含量的推算方法【1 4 】。并都对其进行了大量的实验验证研究，下面举例说明 其中的几种方法，并进行对比得出本装置系统所选的方法。 2 3 1 巴雷尔式计算模型 此种方法模型认为所测煤层的解吸瓦斯含量累积结果与解吸进行的时间的平方 根有着正比的关系【15 1 。也就是如式2 1 所示： q = k v l - 面+ t 式( 2 1 ) 式中9 一解吸体积( 时间范围：开始解吸以前及开始解吸时间为t 时) ，m l ； 炒一暴露时间，m i n ； r 解吸时间，zi n ： 卜在本式中为比例常数，以mi nd 5 。 此模型的计算公式在解吸最开始的一段时间内是成立的，但是随着解吸时间的加 第二章瓦斯监测的基本理论研究 长，此模型计算公式带来的误差就会越来越大【1 6 】。此模型较为片面，以偏盖全且对因 为煤样的破坏类型不同而对解吸的规律产生的影响没有加以考虑，所以这个模型的计 算公式利用率不高。 2 3 2 图解法 图解法是目前使用最多，最易理解也最易操作的一种方法，它的规律如下：瓦斯 解吸过程进行的初期瓦斯向外泄出的速度是很快的，紧接着它会逐渐变慢。此种方法 中由于时间变化而引起解吸瓦斯量变化的特征是：初期解吸瓦斯量同时间的平方根接 近正比关系，但是这种线性关系会随着时间增加而减小，超过了一定的时间后，瓦斯 解吸量将会不变。经过研究人们认为解吸进行2 小时之内的绝大多数结果都符合对数 算式2 - 2 的变化规律，且此算是在2 小时内的数据汇成的曲线的相关性系