一、项目背景
某煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，准确测定煤层瓦斯含量成为矿井安全高效采煤的重要基础。目前采用麻花钻杆排粉取样，由于取样工艺固有缺陷，煤样采集之后的井下瓦斯解吸量很小，个别区域的煤样甚至没有解吸量，导致瓦斯损失量无从推算或推算值甚小，影响最终瓦斯含量测值。在此背景下，该矿和煤科集团合作，在反循环压风定点快速取样技术基础上，建立一种合理的煤层瓦斯含量快速测定方法。利用瓦斯解吸规律与瓦斯含量的数值模型，编制煤层瓦斯含量计算方法，最终形成一套适合刘庄煤矿井下直接测定煤层瓦斯含量方法。
二、项目技术
1.反循环压风定点快速取样技术
其机理是：通过钻头前端排气孔喷出气体的射流作用和高速气流对周围流体的引射作用，致使排气孔附近形成低压区，对外环间隙构成抽吸，同时排气孔随钻头不断旋转，使孔底形成环状负压区，有效阻止正循环形成，气体通过导流和扩散进入钻头中心孔，形成反循环。同时钻头的内管设计了引射孔，当钻孔内外管之间的压风到达钻头底部，形成反冲，部分风流，进入钻头中心内管，形成负压引射流，有助于钻头前端的气体形成反循环。气体反循环流动携带钻孔底部的钻屑从双壁钻杆的内管反出，排出孔外。取样工艺图见图1。
1.钻头；2.引射管体；3. 双壁钻杆；4水变；5钻机；6样品收集装置；7.钻孔；8.压风接头
图1反循环压风取样工艺
2.基于瓦斯解吸规律的煤层瓦斯含量计算模型
（1）煤层瓦斯含量W的数值关系式：
瓦斯解吸特征参数V1值定义为煤样脱离煤体后第1min的瓦斯解吸速度，cm3/(g.min)；煤中瓦斯解吸速度特征值V1与含量具有很好的线性关系，可以用来确定煤的瓦斯含量。
A、B—仪器常数。
（2）各煤层瓦斯含量与V1值关系确定
在测试该煤矿13-1、11-2、8和5号煤层反循环压风取样过程瓦斯解吸规律的基础上，提取各煤层不同瓦斯含量W和对应的V1值，采用公式（1）对W和V1值进行拟合，获得两者之间的线性关系，13-1、11-2、8和5号煤层的瓦斯解吸特征参数V1值与瓦斯含量W的线性函数A、B值，见表1。
表1各煤层瓦斯含量W和V1值的线性函数关系
《GBT23250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法》存在测定装备复杂、瓦斯含量测定周期长（2～7天）问题。实验用CHP50M煤层瓦斯含量快速测定仪对煤层瓦斯含量快速测定。在已知A、B时，通过采集煤层煤样并测定煤样的瓦斯解吸速度V1，可以快速测定煤层瓦斯含量。
三、应用效果
1.取样技术评价
采用麻花钻杆工艺和反循环压风工艺分别测试了不同孔深的取样时间和定点取样率，测试结果见表2所示。
表2 取样评价指标对比
由表2可知，在同一煤层同一地点的取样过程中，随着取样孔深延长，取样耗费时间不断增长，取样深度达到30m时，麻花钻杆取样时间已远超国标规定的采样时间5min，而反循环压风取样时间仅约1min，取样效率极高。对于瓦斯损失量推算环节，当取样时间超过5min之后，瓦斯解吸规律反推的瓦斯损失量会远小于实际量，结果误差被扩大。由此可见，对于大于30m的深孔取样，反循环压风取样工艺能够满足要求，而麻花钻杆定点取样率均不达标。
2.瓦斯含量测定技术评价
矿井常用的井下钻屑解吸法将煤层瓦斯含量测定分为取样过程瓦斯损失量、井下解吸量和残存瓦斯含量三部分，残存瓦斯含量需要到地面实验室测试，整个测试周期不少于2天。试验将麻花钻杆取样工艺与井下钻屑解吸法联合使用，反循环压风取样工艺与CHP50M法联合使用，采用瓦斯含量测定周期和瓦斯含量测值两项评价指标对比分析井下钻屑解吸法和CHP50M法测定煤层瓦斯含量的应用效果，测试结果见表3所示。
表3瓦斯含量测定技术评价指标对比
从瓦斯含量测定周期看，CHP50M法利用了煤层瓦斯含量与V1的线性关系，取样后测试煤样5min的瓦斯解吸规律就可迅速测算出V1值，进而得到煤层瓦斯含量。与钻屑解吸法相比，将瓦斯含量测定周期从2天缩短至5min，大大提高了测定效率。
四、主要结论
1.反循环压风取样技术操作简便，定位采样准确，定点取样率100%，且采样时间短，采样量充足，30m孔深取样仅需1min，完全能够实现深孔的定点快速取样，对于准确预测突出危险性、保障工作面安全生产具有重要意义。
2.推导出瓦斯解吸特征参数V1值与瓦斯含量W呈线性函数关系，在实验测试该煤矿4个煤层反循环压风取样过程瓦斯解吸规律的基础上，提取各煤层瓦斯含量W和对应的V1值，采用线性函数对W和V1值进行拟合，确定了13-1、11-2、8和5号煤层的瓦斯解吸特征参数V1值与瓦斯含量W的线性函数A、B值。
3.现场考察了反循环取样工艺配合CHP50M法测定煤层瓦斯含量技术和麻花钻杆配合钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量技术，分别从定点快速取样时间、定点取样率、瓦斯含量测定周期、瓦斯含量测值准确率等考核技术指标进行了评价，结果表明：反循环压风取样工艺克服了麻花钻杆取样缺陷，实现定点快速取样，采用CHP50M法提高了煤层瓦斯含量测值，并将煤层瓦斯含量测定周期缩短至5min。
五、推广应用前景
该项目解决了定点快速取样难题，突破瓦斯含量快速测定技术“瓶颈”，其应用和推广将有利于提高瓦斯突出预测、区域消突效果检验、矿井瓦斯涌出量预测及飞禽走兽老虎机资源储量估算的准确性，有效防止瓦斯突出事故的发生，有效提高矿井生产效率。
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