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煤層瓦斯含量檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-07-29 02:35:49 更新時(shí)間：2025-07-28 02:35:49

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

煤層瓦斯含量檢測(cè)

煤層瓦斯含量是指單位質(zhì)量的煤體在自然狀態(tài)下所含有的瓦斯（主要成分為甲烷）體積，通常以立方米/噸（m3/t）表示。準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量是煤礦安全生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)之一，對(duì)預(yù)防瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等重大災(zāi)害具有決定性意義。瓦斯含量直接關(guān)系到礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯抽采方案制定、突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)以及開(kāi)采過(guò)程中的安全技術(shù)措施選擇。因此，開(kāi)展科學(xué)、精準(zhǔn)、規(guī)范的煤層瓦斯含量檢測(cè)，是保障礦工生命安全、提高資源回收率、實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開(kāi)采的重要技術(shù)保障。

主要檢測(cè)項(xiàng)目

煤層瓦斯含量檢測(cè)的核心目標(biāo)是測(cè)定煤體中所含瓦斯的總量，其主要分解為以下幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目：

1. 瓦斯成分分析： 確定煤層氣體中各組分（主要是CH?、CO?、N?、O?、重?zé)N等）的體積百分比。

2. 游離瓦斯含量： 測(cè)定賦存于煤體宏觀裂隙、孔隙（孔徑>10?? m）中，符合氣體狀態(tài)方程，能夠自由運(yùn)移或自然逸出的瓦斯量。

3. 吸附瓦斯含量： 測(cè)定吸附在煤體微孔隙（孔徑<10?? m）內(nèi)表面，主要以物理吸附狀態(tài)存在的瓦斯量。這部分瓦斯通常占總瓦斯含量的80%以上，是瓦斯含量的主體。

4. 總瓦斯含量： 游離瓦斯含量與吸附瓦斯含量之和，即煤層在原始狀態(tài)下實(shí)際賦存的瓦斯總量。

常用檢測(cè)儀器

實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)項(xiàng)目，需要依賴一系列專業(yè)的儀器設(shè)備：

1. 煤樣瓦斯吸附解吸儀： 核心設(shè)備，用于測(cè)定煤樣在特定壓力、溫度下的瓦斯吸附量（間接法）或直接解吸測(cè)定從煤樣中逸出的瓦斯量（直接法）。通常配備恒溫裝置、壓力傳感器、計(jì)量管或流量計(jì)、真空泵等。

2. 真空脫氣裝置： 用于對(duì)井下快速采集并密封的煤樣進(jìn)行粉碎前的脫氣（抽取粉碎前逸散的游離瓦斯）和粉碎后的脫氣（抽取從微孔中釋放的吸附瓦斯）。包括真空球、加熱裝置、集氣管、真空計(jì)等。

3. 氣相色譜儀： 用于精確測(cè)定煤層氣體（解吸氣、損失氣、脫出氣）中各組分（CH?、CO?、N?等）的濃度。

4. 煤樣粉碎機(jī)： 高效、密封性好的粉碎設(shè)備，用于將煤樣粉碎至規(guī)定粒度（通常要求粒徑小于0.2mm），使吸附瓦斯充分釋放。

5. 電子天平： 精確稱量煤樣質(zhì)量。

6. 恒溫水浴/恒溫箱： 為吸附解吸實(shí)驗(yàn)提供恒定的溫度環(huán)境（通常為30°C）。

7. 高壓瓦斯氣源及壓力調(diào)控系統(tǒng)： 用于間接法（等溫吸附法）中為吸附罐提供不同壓力的瓦斯氣體。

主要檢測(cè)方法

目前國(guó)際上和我國(guó)煤礦普遍采用的煤層瓦斯含量檢測(cè)方法主要有兩大類(lèi)：

1. 直接法（井下解吸法）： 這是目前應(yīng)用最廣泛、被認(rèn)為是精度最高的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法。其核心步驟包括：

a) 井下快速取樣： 在井下新鮮暴露煤壁，使用專用取樣鉆快速鉆取煤芯或煤屑，并立即裝入密封罐密封，記錄取樣時(shí)間。
b) 自然解吸測(cè)量： 將密封罐連接到解吸儀，在恒溫（通常30°C）下定時(shí)測(cè)量煤樣在罐中自然釋放出的瓦斯體積（解吸氣量V1），記錄解吸時(shí)間與累計(jì)體積。
c) 損失氣量估算： 利用井下取樣開(kāi)始到裝入密封罐密封完成這段時(shí)間（曝光時(shí)間），以及解吸初期數(shù)據(jù)（如前60分鐘），通過(guò)數(shù)學(xué)模型（如美國(guó)礦業(yè)局的USBM法、Smith & Williams法、中國(guó)的冪函數(shù)模型、巴雷爾模型等）估算在取樣和裝罐過(guò)程中損失的瓦斯量（V2）。這是該法誤差的主要來(lái)源。
d) 真空脫氣與粉碎脫氣： 解吸結(jié)束后（通常72小時(shí)恒溫解吸），將密封罐連接到真空脫氣裝置，在加熱（95-100°C）和真空狀態(tài)下脫出罐中殘余游離氣（V3）。然后將煤樣粉碎至規(guī)定粒度（<0.2mm），繼續(xù)脫氣并收集粉碎后釋放的殘余吸附氣（V4）。
e) 組分分析與計(jì)算： 對(duì)收集到的所有氣體（V1, V3, V4）進(jìn)行氣相色譜分析，確定甲烷濃度。總瓦斯含量W = (V1 + V2 + V3 + V4) * C / M，其中C是甲烷濃度（或根據(jù)需求計(jì)算其他組分），M是煤樣質(zhì)量。

2. 間接法（等溫吸附法）：

a) 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定： 在實(shí)驗(yàn)室，利用瓦斯吸附解吸儀，測(cè)定不同壓力下干燥煤樣對(duì)甲烷（或混合氣）的吸附量。
b) 擬合吸附曲線： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常采用朗格繆爾（Langmuir）方程擬合得到煤樣的吸附常數(shù)（朗格繆爾體積VL和朗格繆爾壓力PL）。
c) 計(jì)算吸附量： 根據(jù)井下實(shí)測(cè)的煤層瓦斯壓力（P）和溫度（T），利用擬合得到的朗格繆爾方程計(jì)算該條件下的吸附瓦斯量（Xad）。
d) 計(jì)算游離量： 根據(jù)煤的孔隙率（Φ）、煤層瓦斯壓力（P）、溫度（T），利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算游離瓦斯量（Xf）。
e) 計(jì)算總含量： 總瓦斯含量 W = Xad + Xf。此法需要可靠的瓦斯壓力數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的吸附常數(shù)，受實(shí)驗(yàn)室條件和煤樣代表性影響較大。

相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和可比性，煤層瓦斯含量檢測(cè)必須嚴(yán)格遵循國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

1. 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB) 和安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (AQ)：

* GB/T 23249-2009 《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》: 詳細(xì)規(guī)定了直接法測(cè)定煤層瓦斯含量的設(shè)備、采樣要求、解吸方法、損失氣推算方法、脫氣方法、氣體分析及結(jié)果計(jì)算等全過(guò)程技術(shù)要求。
* AQ 1080-2019 《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定規(guī)范》: 作為煤礦瓦斯等級(jí)鑒定的核心標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)煤層原始瓦斯含量測(cè)定方法（主要推薦直接法）和測(cè)定點(diǎn)布置等提出了明確要求。
* GB/T 19560-2008 《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》: 規(guī)定了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤對(duì)甲烷高壓等溫吸附試驗(yàn)的方法，用于獲得間接法所需的吸附常數(shù)。

2. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：

* ISO 18871:2015 《煤層氣資源量估算第1部分：原始地質(zhì)資源量》: 雖然主要針對(duì)資源量評(píng)估，但其中對(duì)煤層含氣量（瓦斯含量）的測(cè)定方法（特別是直接法）有重要參考和規(guī)范作用。
* ASTM D7569 / D7569M-10(2015) 《Standard Practice for Determination of Gas Content of Coal—Direct Desorption Method》: 美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的直接解吸法測(cè)定煤層瓦斯含量的標(biāo)準(zhǔn)方法。

3. 行業(yè)通用準(zhǔn)則： 礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家（如澳大利亞、美國(guó)、加拿大）在其煤礦安全法規(guī)和煤層氣勘探規(guī)范中，對(duì)瓦斯含量檢測(cè)也有明確的技術(shù)要求和操作指南，常作為重要參考。

遵循這些標(biāo)準(zhǔn)是保證煤層瓦斯含量檢測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)有效、被監(jiān)管機(jī)構(gòu)和行業(yè)廣泛認(rèn)可的基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用中，直接法（特別是符合GB/T 23249標(biāo)準(zhǔn)的）因其結(jié)果更接近真實(shí)值，在礦井安全和瓦斯治理工程中應(yīng)用最為普遍。