临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法技术

本发明专利技术涉及一种临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法，属于煤矿瓦斯技术领域。该方法包括以下步骤：S1：瓦斯吸附常数测定；S2：试验结果分析；S3：确定煤层瓦斯含量。本发明专利技术通过对90个煤矿煤样进行瓦斯参数及煤质指标测试试验，运用SPSS数据软件对测试数据进行曲线估计及多元线性回归，得出瓦斯吸附常数a、b的多元线性回归模型，经检验，多元线性回归模型具有一定的有效性和可靠性。建立了瓦斯吸附常数a与Q0‑

【技术实现步骤摘要】
临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法


[0001]本专利技术属于煤矿瓦斯
，涉及临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法。

技术介绍

[0002]煤层瓦斯含量直接影响煤层含瓦斯的多少和矿井瓦斯涌出量的大小，对于正确设计矿井通风，进行瓦斯抽放，突出危险性评价等具有重要意义。煤层瓦斯含量测定方法分为直接法与间接法。直接法是在井下现场及实验室测定可解吸瓦斯量和常压瓦斯量、然后推算采样过程中的瓦斯损失量，三部分之和为煤层瓦斯含量。间接法是在实验室实测瓦斯吸附常数及煤质指标的基础上，结合井下现场实测的煤层瓦斯压力，通过朗格缪尔方程计算煤的吸附瓦斯量和游离瓦斯量，两部分之和为煤层瓦斯含量。相对直接法而言，间接法测定的参数都是实测值，煤层瓦斯压力也是实测值，实测过程中影响因素较少，测定误差较小，测定数据可信度比较高。直接法测定结果存在偏低的情况比较普遍，而许多矿井的间接法测定结果比较接近实际。但采用间接法的缺点是需要在实验室实测瓦斯吸附常数及井下实测煤层瓦斯压力，这是两项比较繁重的工作，测定周期长、费用高、操作复杂、技术要求高。尤其在缓倾斜煤层或围岩致密性差的煤层，测定煤层瓦斯压力比较困难；而对于变质程度非常低的煤种或者煤中夹杂大量煤矸石的煤样，经常测定出的瓦斯吸附常数为负值，与理论不相符，导致无法采用间接法测定煤层瓦斯含量。
[0003]由于影响煤层瓦斯含量因素众多，而且瓦斯赋存具有复杂性、非线性、动态性和随机不确定性等特性，使得准确测定煤层瓦斯含量面临诸多困难。近年来，针对煤层瓦斯含量预测，学者高保彬等采用建立在数理统计基础上的线性回归法；李新建、王永敬采用钻屑瓦斯解吸指标法等研究得出不同的预测煤层瓦斯含量数学模型，预测模型主要集中在煤层深度、煤层厚度、底板标高、断层距离、煤岩层倾角等井下现场影响因素相关联与煤层瓦斯含量之间的关系方面。而对于利用煤质指标与瓦斯参数关联快速确定煤层瓦斯含量鲜有涉及。煤质指标包括煤的水分M
ad
、灰分A
ad
、挥发分V
daf
、瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、常压吸附量等，它们从宏观上反映了煤与瓦斯吸附解吸有关的一些本质特征，其中Δp和f常用于区域性突出危险性预测。这些参数在实验室测定时间短、费用低、操作简单，因此，寻求一种利用煤质指标与瓦斯参数关联来代替瓦斯吸附常数的方法，即可克服少数煤样瓦斯吸附常数测定结果为负值而不能被采用的情况，使间接法测定煤层瓦斯含量得到全覆盖，且可快速确定出临界瓦斯压力(瓦斯压力为0.74MPa)下的煤层瓦斯含量，对矿井瓦斯灾害防治、预测煤与瓦斯突出、煤层瓦斯抽采等预测应用提供一种新技术和新方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1：瓦斯吸附常数测定；
[0008]S2：试验结果分析；
[0009]S3：确定煤层瓦斯含量；
[0010]所述S1具体为：
[0011]煤对甲烷的吸附为物理吸附，在高压状态下符合朗格缪尔方程：
[0012][0013]将式(1)变换后得到一条直线方程：
[0014][0015]式中：p为瓦斯压力，MPa；Q为p压力下吸附量，cm3/g；a为吸附常数，即p
→
∞时，Q＝a，为可燃质饱和吸附量，cm3/g；b为吸附常数，MPa
‑1；对p/Q与p作图应分布在一条直线上，截距为1/ab，斜率为1/a；实验测定7组Q
i
、P
i
，i＝1，2，3
…
n,n＝7，利用最小二乘法求解a、b值得到：
[0016][0017]测定瓦斯吸附常数采用的方法是高压容量法，测定0～5MPa范围内近似平均分布的7个平衡压力下对应的7个瓦斯吸附量；
[0018]从13个省90个煤矿分别采取90个煤样，依据GB/T482
‑
2008《煤层煤样采取方法》、GB/T474
‑
2008《煤样的制备方法》、GB/T477
‑
2008《煤样筛分试验方法》，从煤层中采取大约5kg块粉混合煤样，注明采样地点，包装严密送至实验室进行编号、登记、分样、烘干、破碎、筛分处置，制备不同粒度的煤样待检；
[0019]实测90个煤样的水分M
ad
、灰分A
ad
、挥发分V
daf
、真密度TRD、视密度ARD、孔隙率F、常压吸附量Q0、瓦斯吸附常数a、b、瓦斯放散初速度指标Δp、煤的坚固性系数f煤质指标及瓦斯参数；90个煤样各参数变化范围是：M
ad
为0.48～9.31、A
ad
为2.71～70.73、V
daf
为5.33～55.91、TRD为1.33～2.27、ARD为1.28～2.11、F为2.19～13.04、Q0为1.4558～7.4993、a为12.6231～38.2783、b为0.6361～1.7629、Δp为4～43、f为0.15～1.80。
[0020]可选的，所述S2具体为：
[0021]非线性回归模型表示为：
[0022]y＝f(x,c)+ε
ꢀꢀ
(4)
[0023]式中：x表示可观察的随机独立变量；c表示待估的参数向量；y表示独立观察变量；ε表示随机变量；式(4)通常使用最小二乘法使残差平方和达到最小来求解参数的估计值c；残差平方和函数及一阶导数为：
[0024][0025][0026]通过计算式(5)求出上述方程的c解，并且判断整体最小值；
[0027]将瓦斯吸附常数a、b作为因变量，M
ad
、A
ad
、V
daf
、TRD、ARD、F、Q0、Δp、f的9个因素作为自变量，90个煤矿煤样数据作为样本，运用SPSS数据软件中图表构建程序及曲线估计确定瓦斯吸附常数a、b与相关参数最适合的曲线方程，在剔除拟合的判定系数R2小于0.300的自变量后，得到a与Q0、Δp2个自变量、b与V
daf
、ARD 2个自变量的曲线估计结果；
[0028]a、b分别建立线性、对数、二次、幂、指数的5种一元曲线方程，通过比较5种曲线的判定系数调整R2、显著性水平Sig得到a与Q0拟合的对数曲线方程调整R2＝0.711较大，显著性水平Sig.＝0.000＜0.05，故对a与Q0建立对数曲线方程；a与Δp拟合的二次曲线方程调整R2＝0.523最大，显著性水平Sig.＝0.003＜0.05，故对a与Δp建立二次曲线方程；b与V
daf
拟合的对数曲线方程调整R2＝0.698最大，显著性水平Sig.＝0.000＜0.05，对b与V
daf
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：瓦斯吸附常数测定；S2：试验结果分析；S3：确定煤层瓦斯含量；所述S1具体为：煤对甲烷的吸附为物理吸附，在高压状态下符合朗格缪尔方程：将式(1)变换后得到一条直线方程：式中：p为瓦斯压力，MPa；Q为p压力下吸附量，cm3/g；a为吸附常数，即p
→
∞时，Q＝a，为可燃质饱和吸附量，cm3/g；b为吸附常数，MPa
‑1；对p/Q与p作图应分布在一条直线上，截距为1/ab，斜率为1/a；实验测定7组Q
i
、P
i
，i＝1，2，3
…
n,n＝7，利用最小二乘法求解a、b值得到：测定瓦斯吸附常数采用的方法是高压容量法，测定0～5MPa范围内近似平均分布的7个平衡压力下对应的7个瓦斯吸附量；从13个省90个煤矿分别采取90个煤样，依据GB/T482
‑
2008《煤层煤样采取方法》、GB/T474
‑
2008《煤样的制备方法》、GB/T477
‑
2008《煤样筛分试验方法》，从煤层中采取大约5kg块粉混合煤样，注明采样地点，包装严密送至实验室进行编号、登记、分样、烘干、破碎、筛分处置，制备不同粒度的煤样待检；实测90个煤样的水分M
ad
、灰分A
ad
、挥发分V
daf
、真密度TRD、视密度ARD、孔隙率F、常压吸附量Q0、瓦斯吸附常数a、b、瓦斯放散初速度指标Δp、煤的坚固性系数f煤质指标及瓦斯参数；90个煤样各参数变化范围是：M
ad
为0.48～9.31、A
ad
为2.71～70.73、V
daf
为5.33～55.91、TRD为1.33～2.27、ARD为1.28～2.11、F为2.19～13.04、Q0为1.4558～7.4993、a为12.6231～38.2783、b为0.6361～1.7629、Δp为4～43、f为0.15～1.80。2.根据权利要求1所述的临界瓦斯压力下煤层瓦斯含量快速确定方法，其特征在于：所述S2具体为：非线性回归模型表示为：y＝f(x,c)+ε
ꢀꢀ
(4)式中：x表示可观察的随机独立变量；c表示待估的参数向量；y表示独立观察变量；ε表示随机变量；式(4)通常使用最小二乘法使残差平方和达到最小来求解参数的估计值c；残差平方和函数及一阶导数为：
通过计算式(5)求出上述方程的c解，并且判断整体最小值；将瓦斯吸附常数a、b作为因变量，M
ad
、A
ad
、V
daf
、TRD、ARD、F、Q0、Δp、f的9个因素作为自变量，90个煤矿煤样数据作为样本，运用SPSS数据软件中图表构建程序及曲线估计确定瓦斯吸附常数a、b与相关参数最适合的曲线方程，在剔除拟合的判定系数R2小于0.300的自变量后，得到a与Q0、Δp2个自变量、b与V
daf
、ARD 2个自变量的曲线估计结果；a、b分别建立线性、对数、二次、幂、指数的5种一元曲线方程，通过比较5种曲线的判定系数调整R2、显著性水平Sig得到a与Q0拟合的对数曲线方程调整R2＝0.711较大，显著性水平Sig.＝0.000＜0.05，故对a与Q0建立对数曲线方程；a与Δp拟合的二次曲线方程调整R2＝0.523最大，显著性水平Sig.＝0.003＜0.05，故对a与Δp建立二次曲线方程；b与V
daf
拟合的对数曲线方程调整R2＝0.698最大，显著性水平Sig.＝0.000＜0.05，对b与V
daf
建立对数曲线方程；b与ARD拟合的二次曲线方程调整R2＝0.378最大，显著性水平Sig.＝0.000＜0.05，故对b与ARD建立二次曲线方程；设瓦斯吸附常数a为因变量f
i
(i＝1,2)、b为因变量f
j
(j＝3,4)，常压吸附量Q0为x1、瓦斯放散初速度Δp为x2、煤的挥发分V
daf
为x3、煤的视密度ARD为x4；采用SPSS数据分析软件进行非线性回归，f1、f2、f3、f4分别经过9次、2次、5次、8次迭代后数据收敛，得到非线性回归方程式(6)：f1＝7.850+16.292Lnx
1 R2＝0.714f2＝11.378+1.151x2‑
0.015x
22 R2＝0.534f3＝2.238
‑
0.383Lnx3ꢀꢀ
R2＝0.701f4＝
‑
7.641+10.621x4‑
3.145x
42 R2＝0.392
ꢀꢀ
(6)Q0与a都表征煤的吸附解吸性能，二者区别在于吸附压力不同，Q0的吸附压力为标准大气压，而a的吸附压力为极限值；随着Q0的增大，a有增大的趋势，Q0越大表明煤的变质程度越高，吸附能力越强，a也越大，且呈对数函数增大；当Q0增大到一定程度时，a增大程度逐渐变慢并趋于达到极限值状态；当Δp≥10mmHg时表明单项指标具有突出危险性；随着Δp的增大，a呈二次函数由低
‑
高
‑
低的趋势变化，即当Δp＝38.37mmHg时a达到最大值33.4583cm3/g；瓦斯吸附常数b表示吸附量达到朗格缪尔体积一半时所对应的平衡压力的倒数，b实际上是吸附等温曲线起始点的斜率，斜率越大，b越大，曲线上升速度也越快，煤吸附解吸速度也就越快，b实质是表征煤吸附解吸瓦斯速度快慢的指标；随着V
daf
的增大，b呈对数函数衰减，当V
daf
增大到一定程度时，b衰减至最小值；这是由于V
daf
表征煤的变质程度，V
daf
越大表明煤的变质程度越低，煤吸附能力越弱，吸附速度越慢，b也就越小，反之，V
daf
越小，煤吸附能力越强，吸附速度越快，b也就越大；随着ARD的增大，b呈二次函数由低
‑
高
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴林超，雷红艳，张志刚，孙海涛，刘延保，赵旭生，李日富，曹偈，黄涛，王然，程晓阳，王波，桂小玲，李春妍，刘金根，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：