考虑钻屑粒度分布影响的瓦斯含量补偿模型可靠性评价

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Z_PEPSI
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煤层瓦斯含量的准确测定对高效开展煤矿安全工作意义重大。瓦斯损失量的计算是直接法测瓦斯含量中的关键步骤,主要由解吸补偿模型对现场解吸数据拟合推算获得,往往是煤层瓦斯含量测定的误差来源。近年来矿井开采不断向深部延伸,煤层地应力增大,井下钻取获得的小粒径煤屑增多,导致瓦斯损失量推算误差较大。尽管学者们做了大量补偿模型优化工作,但在利用补偿模型对瓦斯损失量进行推算时,未考虑煤样实际粒度分布变化对补偿模型可靠性的影响。基于此,为探究钻屑实际粒度分布差异对推算瓦斯损失量准确性的影响,本文在获得不同粒级煤粒解吸特征及钻屑实际粒度分布规律的基础上,通过实验室制备不同粒度分布的样品对井下钻屑解吸开展相似模拟实验,系统地研究了各补偿模型的可靠性及优选补偿模型推算瓦斯损失量的误差,提出了较小误差范围内实测解吸规律与优选模型相符的拟合解吸时间节点及井下钻屑取样的极限暴露时间。主要得出以下结论:1)获得了不同粒级的煤粒解吸特征。钻屑初期解吸速率及初期瓦斯解吸量与钻屑粒级成呈负相关关系。小粒级颗粒的解吸量在解吸阶段前期已较为接近120 min内的解吸量最大值,而大粒级颗粒的解吸量还需后期累积才能达到该值。在解吸时间为4 min时,最小粒级颗粒解吸量占据了所有解吸量的一半,最大粒级占据了所有解吸量的3/10。2)定量分析了粒度分布的不同考虑条件下煤粒解吸参数扩散系数的差异性。结果表明,考虑煤粒实际粒度分布和仅考虑筛分粒级内的粒度分布时求解的扩散系数的差异率最大可达到65.2%。说明基于解吸规律对相关参数进行值计算时,不能忽视煤样实际粒度分布对参数求解的影响。3)为探究钻屑粒度分布不同所引起的解吸规律差异对瓦斯补偿模型可靠性的影响,基于实际取样过程中钻屑粒度分布的变化,通过控制实验样品中粒级为1~3 mm大颗粒以及<0.074 mm的小颗粒的粒度分布占比,开展井下钻屑解吸法的相似模拟实验。利用线性回归的方法对不同粒度分布下煤粒解吸规律与瓦斯损失量补偿模型的匹配程度进行分析,得出各粒度分布下,拟合时间节点为15 min时,巴雷尔式及孙重旭式模型可靠性较好,即解吸时间15 min之前的解吸规律与模型函数关系较为符合。4)分析了不同粒度分布下优选补偿模型巴雷尔式及孙重旭式推算的瓦斯损失量误差并进行了现场验证。结果表明利用巴雷尔式对瓦斯损失量进行推算时,推算量总是偏小,整体而言,小颗粒粒度分布占比大的样品比大颗粒粒度分布占比大的样品推算误差小,但误差最小也达30%。而孙重旭式推算的瓦斯损失量总是偏大,小颗粒粒度分布占比大的样品推算误差为2%~10%,大颗粒粒度分布占比大的样品推算误差为0.1%~6%,整体而言,随着小粒径颗粒变多,其瓦斯损失量推算误差增大。在符合国标要求的暴露时间(少于5 min)内,巴雷尔式的推算误差随着暴露时间的增加,误差增大,而孙重旭式的推算误差随着暴露时间的增加没有明显增大的趋势。在现场实际应用时,在条件允许条件下,推荐使用孙重旭式进行瓦斯损失量推算,极限暴露时间为4 min。现场验证结果证实了拟合时间节点,极限暴露时间以及优选模型推算误差范围的正确性。本论文共有图34幅,表22个,参考文献88篇。
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