一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法与流程

本发明涉及一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，属能源勘测技术。

背景技术：

1、煤矿开采出来的矿砂主要包括块煤和矸石，而块煤中存在游离态和吸附态的甲烷气体，在压力梯度和浓度梯度的作用下会持续的向外界扩散，且在矿后活动过程中块煤内甲烷气体发生散逸，造成甲烷排放至大气。由于开采后的煤体内部甲烷持续逸散，准确并且自动化计量矿后活动排放边界范围内的甲烷排放量对甲烷减排具有重要意义。

2、现有甲烷排放测量方法主要为使用经验性参数对甲烷排放总量进行估算，但在不同煤种和地质条件的煤矿的甲烷残余含量不能准确计量，且对于高甲烷矿井和低甲烷矿井生产的煤体不适用。同时目前甲烷排放相关研究和专利较少，如当前的“煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法以及监测系统”仅涉及煤矿井下甲烷排放的监测，不涉及甲烷排放的计量方法；“一种煤炭洗选企业甲烷排放因子计算方法”虽然涉及洗选企业的甲烷排放因子计算方法，但不涉及排放边界范围内的甲烷排放量计量，没有厘清甲烷排放范围和路径，无法自动计算排放量；因此当前的技术手段均无法有效的对矿后的甲烷排放活动检测计量的需要。

3、基于以上问题及技术需求，本发明设计了一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，以解决现有工作中的技术缺陷及不足，满足实际生产工作的需要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，该发明全面且有效的将涉及煤炭资源开采后包含在煤粒中甲烷排放相关参数纳入到统一的计算体系中，从而达到精确实现对甲烷排放量进行统计计算，从而达到对煤炭资源开采后在运输、筛选等过程中甲烷排放量进行精确统计的目的，且数据计算简单，计算效率及精度高，可为温室气体排放统计及甲烷资源利用率提供精确的参考依据。

2、本发明提供了一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，该方法实施主要包括以下步骤。

3、一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，包括如下步骤：

4、s1,排放量计算模型构建，分别设置煤颗粒内的甲烷扩散计算方程、甲烷含量方程、开采后煤中甲烷残余含量计算方程、等效甲烷含量方程、甲烷总排放量方程，并根据煤炭开采作业中参数，使得各计算方程间建立计算关联；

5、s2，初选煤样采集检测，直接从煤矿出煤井口进行煤炭采样，并对所采样煤样的光泽、结焦性、粘结性、容重、硬度、密度及煤岩组分进行采集统计；然后由全自动高温高压等温气体吸附仪对采集的煤样进行甲烷气体吸附两检测，且检测作业时甲烷气体压力值不低于5mpa，并对各煤样的甲烷气体吸附能力进行统计；

6、s3，煤样分类，根据s2步骤取样的煤样标准，在进口运输皮带机上，再次分别选取至少5kg煤样，然后的选取的煤样按照小于1mm、1-5mm、5-10mm、10-15mm、15-20mm、20-25mm、大于25mm的7类煤粒标准进行筛选分类，并对筛选出的各类煤粒在煤样中总占比进行计算统计，最后从各类煤粒中分别选取200-500g小样，并将小样分别防止在烘干机机中进行烘干处理，然后根据烘干后的各小样质量计算处各类煤粒的含水率；

7、s4，残余含量测定，将s3步骤中的各类煤样分别通过煤样甲烷含量测定装置进行检测，并将检测结果代入到s1步骤中得到的等效甲烷含量方程中，计算出各类煤粒的甲烷含量值；

8、s5，矿后洗选作业甲烷排放量计算，对洗选作业场地中的洗选前煤岩体总质量、洗选作业中分选处的矸石的总质量、洗选前后的单位质量煤粒甲烷残余含量分别进行统计，然后将检测结果带入到s1步骤中的甲烷总排放量方程进行计算，即可得到洗选作业甲烷排放量。

9、2、根据权利要求1所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述s1步骤中，

10、甲烷扩散计算方程：

11、

12、甲烷含量方程：

13、

14、开采后煤中甲烷残余含量计算方程：

15、

16、等效甲烷含量方程：

17、

18、甲烷总排放量方程：s＝f(t，h，f)(w-wr)qsumρg-(w-wr)q′sumρg(8)。

19、3、根据权利要求1所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述s1步骤在进行排放量计算模型构建时：

20、甲烷从煤粒中运移的过程可看作气体在多孔介质中的扩散，因此采用fick定律描述煤颗粒内的甲烷扩散行为，并假定煤颗粒为均质各向同性球形体，从而甲烷扩散计算方程为：

21、

22、式中：j为扩散流体单位时间通过单位面积的流体质量，g/(s·cm2)；c为扩散流体的质量浓度，g/cm3；d为扩散系数，cm2/s；x为扩散路径，cm；

23、然后，因甲烷浓度c和扩散时间t对扩散系数的影响，经过分离变量法可以推导变换得到初始条件和边界条件下的甲烷扩散规律解析式为：

24、

25、式中r为颗粒半径，cm；q∞为极限甲烷解吸量，是原始甲烷含量与常压下不可解吸量之差；

26、其中：q∞＝q(p)-q(p0)  (3)；

27、式中：p为甲烷平衡压力(mpa)，p0为大气压(0.1mpa)；

28、由以上方程，得到不同平衡压力下煤中甲烷含量方程，具体为：

29、

30、式中：a，b为煤的吸附常数，单位分别为ml/g，mpa-1；w为煤中水分含量(％)；a为煤中灰分含量(％)；φ为煤孔隙率(％)；

31、ρ为煤体积密度(g/cm3)；

32、然后，根据甲烷扩散规律解析式、并结合煤矿井下开采后并由皮带运输至井口处，煤粒内部剩余甲烷含量随时间增加呈现逐渐减少趋势，并以此得到甲烷残余含量计算方程，具体为：

33、

34、其中，煤粒内部剩余甲烷含量随时间增加呈现逐渐减少时的量化计算方程为：

35、d(t)＝d0exp(-βt)  (5)

36、其中：d0为初始扩散系数，m2/s；β为扩散衰减系数，s-1；

37、同时，采用甲烷残余含量自动测定装置测定不同尺度煤粒的甲烷含量，由此计算得出单位质量的不同煤颗粒的总甲烷残余含量，并根据井口出煤的粒径分布规律，得出煤颗粒的等效甲烷含量方程，具体为：

38、

39、式中：n＝1，2，3，4，5，6，7，分别代表筛选的7类不同的粒径r；qs为单位质量不同粒径煤粒的总甲烷残余含量，ml/g；qn为某一粒径尺度下的甲烷残余含量，ml/g；mn为不同尺度煤粒的质量百分比，％，由电动振动分级筛测量获得；

40、最后，根据洗选业务量数据得到甲烷总排放量s，并结合前面7个方程计算数据，得到甲烷总排放量方程，具体为：

41、s＝f(t，h，f)(w-wr)qsumρg-(w-wr)q′sumρg  (8)。

42、式中：s是洗煤厂总甲烷排放量，kg；f(t，h，f)为环境温度t、湿度h、风流f等影响系数的修正函数；w为洗选前煤岩体的总质量，kg；wr为洗选业务分选矸石的总质量，kg；qs和q’s分别为洗选前后的单位质量煤粒甲烷残余含量；ρg为甲烷密度，kg/m3。

43、4、据权利要求1所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述s4步骤中，煤样甲烷含量测定装置包括检测气源、增压泵、气压传感器、煤样罐、机架及检测电路，其中所述机架为“凵”字形槽装结构，所述煤样罐下半部位于机架内，煤样罐外侧面通过翻转机构与机架侧壁间铰接，煤样罐通过翻转机构进行0°—180°范围旋转，且旋转轴与煤样罐轴线垂直分布并相交，所述煤样罐上端面设一个进气口，下端面设一个排气口，且进气口和排气口均与煤样罐同轴分布，同时进气口和排气口处均设控制阀，且所述进气口通过导气管与增压泵连通，所述增压泵另通过导气管与检测气源连通，所述检测气源和增压泵均与机架外侧面连通，所述气压传感器共两个，其中一个气压传感器位于增压泵与进气口连通的导气管上，另一个气压传感器位于煤样罐内，所述检测电路与机架连接，并分别与增压泵、气压传感器、煤样罐、翻转机构及控制阀电气连接。

44、5、根据权利要求4所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述煤样罐包括破碎罐体、承压罐体、承载架、驱动电机、破碎刀具、密封盖、密封底板、固体料位传感器，其中所述破碎罐体、承压罐体均为圆柱体空心柱状结构，所述碎罐体上端面与承压罐体连接并同轴分布，所述破碎罐体上端面与密封盖连接，承压罐体下端面与密封底板连接，破碎罐体、承压罐体通过密封盖、密封底板构成闭合腔体结构，同时进气口和排气口分别位于密封盖、密封底板上，所述承载架嵌于破碎罐体内，与破碎罐体同轴分布，并位于破碎罐体底部位置，所述破碎刀具位于破碎罐体内并位于承载架上方，且破碎刀具与破碎罐体同轴分布，并通过传动轴与驱动电机连接，所述驱动电机与承载架下端面连接，同时承载架下端面另设至少一个固体料位传感器，且固体料位传感器轴线与承压罐体轴线平行分布，所述驱动电机和固体料位传感器均与检测电路电气连接。

45、6、根据权利要求4所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述破碎罐体直径为承压罐体直径的50％—90％，且破碎罐体、承压罐体间通过与其同轴分布的导流套连接，且所述导流套为圆台状空心管状结构。

46、7、根据权利要求4所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述承载架包括托盘、过滤网、搅拌桨及导流防护罩，其中所述托盘为轴向截面呈“h”字形的槽状框架结构，所述托盘上端面及下端面内均设一个与其同轴分布的过滤网，同时所述托盘上端面及下端面的槽体均设一个与其同轴分布的导流防护罩，且各导流防护罩分别与托盘的槽底连接，同时所述导流防护罩为圆台状腔体结构，其中位于托盘上端面槽体的导流防护罩包覆在传动轴外并位于破碎刀具下方；位于托盘下端槽体内的导流防护罩包覆在驱动电机外，同时驱动电机另通过传动轴与搅拌桨连接，所述搅拌桨位于导流防护罩外并位于承压罐体内。

47、8、根据权利要求4所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述检测电路包括操控界面、数据处理计算机、通讯电路、驱动电路、接线端子及承载壳，其中所述数据处理计算机、通讯电路、驱动电路均嵌于承载壳内，所述操控界面嵌于承载壳前端面，同时承载壳后端面与机架外侧面连接，所述接线端子若干，嵌于承载壳外侧面，并分别与数据处理计算机、通讯电路、驱动电路间电气连接，所述驱动电路分别与操控界面、数据处理计算机、通讯电路电气连接，同时驱动电路另与增压泵、气压传感器、煤样罐、翻转机构及控制阀电气连接，同时所述数据处理计算机另分别与操控界面和通讯电路间电气连接。

48、9、根据权利要求8所述的一种矿后活动的甲烷排放量自动计算方法，其特征在于，所述操控界面包括但不限于显示器、键盘、电位器中的任意一种或几种共用；所述数据处理计算机为以fpga芯片、dsp芯片中任意一种的电路系统；所述驱动电路为以可编程控制器为基础的电路系统。

49、与现有技术相比，本发明全面且有效的将涉及煤炭资源开采后包含在煤粒中甲烷排放相关参数纳入到统一的计算体系中，从而达到对甲烷排放量自动的计算，从而达到对煤炭资源开采后在运输、筛选等过程中甲烷排放量进行精确统计的目的，且数据计算简单，计算效率及精度高，可为温室气体排放统计及甲烷资源利用率提供精确的参考依据。