煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

煤层瓦斯含量快速测定仪的研制与应用

基于煤的瓦斯解吸速度法研制了一种以低功耗微处理器STM32F103RCT6为核心控制单元的CWH200型井下便携式煤层瓦斯含量快速测定仪。介绍了测定仪的理论公式和测定仪总体设计,详细说明了测定仪的硬件模块原理和软件流程。便携式煤层瓦斯含量快速测定仪2种量程自动切换,可在10 min内测出井下现场煤层瓦斯含量,测量结果可实时打印上传,提高了煤层瓦斯含量的测量效率。

基于GRA-GASA-SVM的煤层瓦斯含量预测方法研究

为提升煤层瓦斯含量预测精度,提出一种采用遗传模拟退火算法混合优化支持向量机(SVM)参数的瓦斯含量预测模型(GRA-GASA-SVM模型)。该模型将GA和SA整合为遗传模拟退火算法协同优化SVM的参数,以解决传统网格寻优算法取值范围无法确定和单一智能算法优化程度有限等问题。利用灰色关联分析(GRA)压缩数据集维度,建立瓦斯含量预测参数体系并作为GASA-SVM的输入数据集。结果表明:SVM模型、GA-SVM模型和GASA-SVM模型10折交叉验证瓦斯含量预测总平均相对误差分别为15.98%、13.55%和10.58%。相比SVM模型和GA-SVM模型,GASA-SVM模型预测稳定性更优、预测精准度更高且对新样本泛化能力更强。

一种新的煤层瓦斯含量测定方法的研究

钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量[1-2],具有周期长、误差大、误时误工等缺点,不能满足实际需要。文章以各类煤模拟测试数据为基础,通过运用EXCEL、MATLABE等软件回归分析处理,研究得到煤层瓦斯含量快速计算新公式。通过实验室和现场验证,在利用新建立公式推算煤层的瓦斯含量时,误差小于10%,并且整个过程在15 min内完成,实现了煤层瓦斯含量井下现场快速测定。

基于GRA-DBO-SVR的瓦斯含量预测方法

为提高煤层瓦斯含量预测的准确性和效率,提出了一种基于灰色关联度分析(GRA)、蜣螂优化(DBO)算法和支持向量回归(SVR)模型的瓦斯含量预测方法。采用GRA筛选影响瓦斯含量的因素来降低预测模型输入数据的维度,通过DBO算法对SVR模型的参数进行优化,构建基于GRA-DBO-SVR的瓦斯含量预测模型,并对GRA-DBO-SVR、GRA-PSO-SVR、GRA-SVR和SVR模型的预测结果进行对比。结果表明:GRA-DBO-SVR、GRA-PSO-SVR、GRA-SVR和SVR模型的MRE分别为2.82%、2.98%、3.72%和6.02%,MAE分别为0.28、0.31、0.44和0.63,MSE分别为0.17、0.18、0.37和0.90,GRA-DBO-SVR模型具有更好的泛化能力,满足工程实际需要。

基于Stacking集成模型的煤层瓦斯含量预测研究

煤层瓦斯含量精准预测是预防井下瓦斯灾害事故的重要环节,为提高井下瓦斯含量预测的科学性及准确性,获取不同矿区的41组数据,包括瓦斯含量、埋深、煤厚、水分、灰分以及挥发分。对最小二乘支持向量机(LSSVM)、深度信念网络(DBN)、长短期记忆(LSTM)、Elman神经网络及自适应增强(Adaboost)五种算法进行初选,得到最优基模型为最小支持二乘向量机、自适应增强以及深度信念网络。通过基模型集成得到7种瓦斯含量预测模型,得到Stacking-LSSVM-Adaboost、Adaboost、Stacking-Adaboost-DBN和Stacking-LSSVM-Adaboost-DBN四种模型为优选模型。采用判定系数、平均绝对误差、均方根误差以及平均绝对百分比误差四种预测评价指标对优选出的四种模型进行综合评估,选择MAE<0.2、RMSE<0.3且MAPE<10的模型作为最终瓦斯含量预测模型。结果表明,Stacking-LSSVM-Adaboost-DBN集成模型判定系数为0.951,MAE、RMSE和MAPE分别为0.170、0.204及7.412,所建立模型拥有较高预测精度,可为矿井瓦斯灾害防治提供一定依据。

煤层透气性系数测定方法中瓦斯含量计算存在的问题及建议

《煤层透气性系数测定方法—径向流量法》(MT/T 1173—2019)中规定了径向流量法测定煤层透气性系数的过程方法,在其依据煤层瓦斯压力计算瓦斯含量时存在单位换算的问题,造成瓦斯含量间接计算值与实测结果值偏差较大,甚至比极限吸附量还要大些。针对此问题,理论分析了瓦斯压力、瓦斯含量之间的相互换算,并结合工程应用实际情况给出了标准在工程应用中的建议。

煤层瓦斯含量快速测定中煤样现场制备关键技术的实验验证

基于定向钻进的煤层瓦斯含量快速测定,是在远程原位取芯后,开展煤样现场制备,并采用直接法测定煤层瓦斯含量。这一过程包含煤芯转移、分级破碎和快速测定等若干工序,同时也是快速测定的关键技术,这些关键技术均需要实验验证。优化了煤芯转移装置设计,使煤芯从取芯装置至制备装置实现密闭转移;通过工艺设计和实验室实验,确定了煤样制备装置动力及分级破碎工艺,制备的煤样达到国家标准要求;研发了快速测定装置工业机,该装置与取芯装置、破碎装置配合,实现煤样的自然解吸、破碎解吸测定,计算瓦斯损失量及常压不可解吸量,最终得出含量值。研究完整呈现了快速测定的全要素:煤芯转移顺畅,煤样制备达标,测定数学模型得以改进并开发专用仪器。这些关键技术的突破,为后续整机研发打下基础,支撑煤层瓦斯含量远程原位测定技术向前发展。

直接法测定瓦斯含量过程中取样工艺选择与应用

为了准确掌握煤层瓦斯赋存规律,针对不同取样工艺对煤层瓦斯含量测定的影响,在百灵煤矿6、7号煤层中开展对比考察试验,分析了顺层钻孔和穿层钻孔取样过程中的最佳取样方式,确保煤样采取的有效性,进一步提升瓦斯含量测定的可靠性。研究表明,顺层钻孔取样过程中,深孔定点取样方式明显优于风排渣孔口接煤粉的取样方式,瓦斯含量测定最大超差值为1.3387 m^(3)/t,误差最高达23.47%,且风排渣孔口接煤粉的取样方式容易增大伤人事故发生的几率;穿层钻孔取样过程中,深孔定点取样方式优于风排渣孔口接煤粉的取样方式,瓦斯含量测定误差控制在10%以内;通过实验室煤样扫描分析,深孔定点取样方式能够较大程度上保证并筛选出有效的煤粉粒径,降低了瓦斯损失量。为了保证瓦斯治理的可靠性,顺层钻孔取样应采用深孔定点取样方式进行取样,穿层钻孔取样应充分考虑煤层厚度及煤粉粒径等问题,综合选取合适的取样方式。

基于瓦斯含量反演的工作面瓦斯涌出量动态预测研究

为解决煤矿采掘工作面瓦斯涌出量无法实时准确预测的问题,通过对采掘工作面瓦斯涌出来源和影响因素进行分析,阐述了工作面瓦斯含量反演的难点和处理方法,在此基础上建立了瓦斯含量反演模型,提出基于瓦斯含量反演的工作面瓦斯涌出量动态预测方法。该预测方法以瓦斯在煤体中的赋存状态是连续变化为前提,通过工作面煤体瓦斯含量反演并结合瓦斯涌出量特征系数的确定来对瓦斯涌出量进行预测。并在陕西象山煤矿进行工业试验,结果表明,该预测方法能够较好地对煤矿工作面瓦斯涌出量进行预测,瓦斯涌出量预测值与实测值的绝对误差范围在0.09~0.20 m^(3)/min之间,误差百分比控制在20%以内。利用该预测方法能够对采掘工作面瓦斯涌出量进行实时连续预测,保障煤矿安全高效生产。

基于地震属性的瓦斯含量智能预测方法研究

为了实现对煤层中瓦斯含量的精准预测,以中泰矿业二_(1)煤层为研究对象,首先建立煤岩基质模型,来获得基质干骨架模型,在此基础上构建二_(1)煤层的岩石物理模型,依据地质模型提取地震属性,通过灰色关联分析和灰色聚类分析优选最终得到二_(1)煤层的4种地震属性,最后利用灰色支持向量机对二_(1)煤层瓦斯含量进行预测,并和实测瓦斯含量进行对比,验证该方法的有效性。

棋盘井煤矿(东区)16号煤层瓦斯赋存主控因素分析及瓦斯含量预测

为实现矿井瓦斯分级管理,解决煤矿实测瓦斯含量数据少的问题,基于棋盘井煤矿(东区)16号煤层运用灰色关联分析法,分析确定影响瓦斯含量的主控因素,并采用多源瓦斯数据分析构建了反演瓦斯含量模型,进行瓦斯含量预测。研究结果表明,棋盘井煤矿(东区)煤层不同地质单元影响瓦斯赋存的主控因素存在一定差异,基于灰色关联法分析可知,标高是影响地质单元最重要的因素。利用工作面瓦斯涌出量与地勘瓦斯含量反演煤层的瓦斯含量,构建瓦斯对比反演模型,并对划分地质单元进行瓦斯含量预测,预测结果为16号煤层瓦斯含量总体上呈现出“北部比南部多,东部比西部多”的特点,经验证预测模型能够准确反映煤层瓦斯含量。

关于煤层残存瓦斯含量与残余瓦斯含量的探讨

煤层残存瓦斯含量和残余瓦斯含量是煤矿瓦斯管理、抽采达标评判、突出危险性评估的重要参数,其准确的定义及测定关系到矿井瓦斯防治乃至整个"一通三防"工作的科学开展,同时也关系到煤层气资源的合理评价。根据现行相关标准、规范和实际应用情况,对煤层残存瓦斯含量和残余瓦斯含量的定义、取值及应用进行了分析、探讨,并提出相应的建议,以期能完善相应的标准规范体系,进而为我国煤矿的瓦斯防治、矿井煤层气资源评价提供准确、可靠的依据。

象山矿井煤层瓦斯赋存规律研究与瓦斯含量预测

瓦斯是常见的造成煤矿重大伤亡事故因素之一。为了准确预测象山矿井主采煤层的瓦斯含量及其分布,指导矿井的安全生产,以矿井前期74个取样钻孔瓦斯含量测试数据为基础,采用单因素分析法分析了影响3号煤层和5号煤层瓦斯含量的主要因素,并对影响程度进行了权重分析,确定了煤层埋藏深度为最重要的影响因素,顶底板一定范围内砂岩等透气性岩层厚度为第二重要的影响因素。综合分析不同因素的影响情况,对矿井未采掘区域瓦斯含量进行了预测,确定了3号煤层瓦斯含量值主要集中在4~9 m^(3)/t间,占82.8%,5号煤层瓦斯含量主要集中在4~10 m^(3)/t间,占74.3%,高于3号煤层,对于指导矿井安全生产具有重要的意义。

不同取样工艺在直接法测定瓦斯含量中的应用研究

针对不同取样工艺对煤层瓦斯含量测定的影响,在百灵煤矿6、7号煤层中开展对比考察试验,分析顺层钻孔和穿层钻孔取样过程中的最佳取样方式。结果表明:顺层钻孔取样过程中,深孔定点取样方式明显优于风排渣孔口接煤粉的取样方式,瓦斯含量测定最大超差值为1.338 7 m~3/t,误差最高达23.47%,且风排渣孔口接煤粉的取样方式容易增大伤人事故发生的几率;在穿层钻孔取样过程中,深孔定点取样方式优于风排渣孔口接煤粉的取样方式,瓦斯含量测定误差控制在10%以内。通过实验室煤样扫描分析,深孔定点取样方式能够较大程度上保证并筛选出有效的煤粉粒径,降低了瓦斯损失量。为了保证瓦斯治理的可靠性,顺层钻孔应采用深孔定点取样方式进行取样,穿层钻孔取样应充分考虑煤层厚度及煤粉粒径等问题,综合选取合适的取样方式。

长距离密闭取芯瓦斯含量测定方法研究

为提高煤层瓦斯含量测定准确性及增大测定范围,山西某矿引进了长距离密闭取芯装置,该装置可实现煤样钻取后孔内密闭,取样深度可达到300m以上,但尚未形成相匹配的瓦斯含量测定方法。通过采用理论分析、煤样高压吸附-解吸实验、瓦斯含量测定对比试验等方法,对长距离密闭取芯瓦斯含量测定过程、瓦斯损失量补偿模型等进行了研究,形成了长距离密闭取芯瓦斯含量测定方法。该方法所测煤层瓦斯含量比煤芯管测定结果平均高约5.23%,提高了煤层瓦斯含量测定精度,对促进煤矿瓦斯治理具有重要意义。

工作面瓦斯涌出量逆向推算瓦斯含量梯度

采用回采工作面瓦斯涌出量计算公式变化为逆向推算瓦斯含量计算公式计算出瓦斯含量值,线性回归得出瓦斯含量梯度的方法.研究结果表明,瓦斯含量逆向推算方法充分利用矿井日常瓦斯监测数据,克服了煤层瓦斯含量测定的直接法的人为主观因素影响.研究结论瓦斯含量逆向推算方法突破了传统大量现场直接法测定瓦斯含量,由此计算瓦斯含量梯度的方法,提高了计算的准确性,有助于准确、方便、快捷的计算瓦斯含量梯度,可以作为计算瓦斯含量梯度的主要方法加以推广.

常压不可解吸瓦斯含量快速测定方法试验研究

常压不可解吸瓦斯含量测定是瓦斯含量直接测定方法中重要的组成部分,采用DGC直接测定装置进行常压不可解吸瓦斯含量测定时周期长、成本高、操作复杂。选取山西省257个煤样在实验室进行了瓦斯吸附常数及常压吸附量的测定,通过对测试数据分析研究,得到煤的变质程度与实测常压吸附量之间呈对数函数关系,进而得出常压不可解吸瓦斯含量快速测定的关系模型。在利用此关系模型可以实现在8 h之内准确测定出煤层瓦斯含量。

不同取样深度对煤层瓦斯含量测定值的影响

介绍了选用瓦斯含量法预测突出危险性的理论基础和煤层瓦斯损失量计算方法,并以永红矿为例,分别对3012工作面3#煤层进行取样,打钻取煤芯深度分别为15m、25m、30m、35m、45m、60m,用瓦斯含量法测定井下瓦斯损失量Q1、井下和实验室解吸瓦斯含量之和Q2、粉碎瓦斯含量Q3的值,并对比分析不同深度对瓦斯含量Q值影响。同时进行现场考察,并对试验数据进行对比分析,试验结果表明：瓦斯含量测定法在钻孔深度为30~35m时,测定值基本为原煤层瓦斯含量。

区域突出预测对煤层瓦斯含量与压力敏感性研究

为比较煤层瓦斯含量与瓦斯压力预测区域突出危险的敏感程度,合理选择区域突出危险预测指标,引入瓦斯含量相对变化率的概念,推导出瓦斯含量相对变化率的表达式。采用单因素敏感性分析法,找出瓦斯含量相对变化率的关键影响因素。绘制瓦斯含量相对变化率与瓦斯压力的关系曲线。得出煤层瓦斯含量指标区域预测比瓦斯压力敏感的条件是,瓦斯含量相对变化率W’大于1。谢一矿望峰岗井C15煤层区域突出危险预测应用表明,试验区域代表性地点W’均大于1,变化范围3.427～5.449,说明采用瓦斯含量预测区域突出危险比瓦斯压力更敏感。