瓦斯预测新技术讲义(重庆院刘程)

瓦斯预测新技术中煤科工集团重庆研究院新疆分院刘程副院长、高级工程师联系电话：[phone]讲义下载：[e-mail]密码：xjmtpx1232013年4月提要基本理论瓦斯基本参数测定煤与瓦斯突出预测一、基本理论瓦斯的属性对空气的相对密度是0.554，标准状态下的密度是0.716kg/m3，分子量是16.04；沸点是-161.5℃；热值是35906～39842kJ/Nm3（1m3甲烷相当于1.2kg标准煤）。一、基本理论瓦斯灾害分类瓦斯爆炸瓦斯煤尘爆炸煤与瓦斯突出岩石与瓦斯突出煤与瓦斯冲击……一、基本理论煤矿瓦斯灾害瓦斯窒息与中毒煤矿瓦斯动力灾害瓦斯煤尘爆炸煤岩瓦斯动力灾害瓦斯爆炸煤尘爆炸瓦斯煤尘爆炸瓦斯燃烧煤岩瓦斯压出煤岩瓦斯冲击煤岩瓦斯突出瓦斯喷出煤与瓦斯突出岩石与瓦斯突出煤与瓦斯压出岩石与瓦斯压出煤与瓦斯冲击岩石与瓦斯冲击瓦斯灾害分类一、基本理论瓦斯煤尘爆炸在一般情况下，瓦斯爆炸的浓度是5～16%，点火温度650-750℃，氧气浓度≥12%，在9.5%时为爆炸强度最大；煤尘爆炸的条件是煤尘本身具有爆炸性，浓度在45～2000g/m3，点火温度650～850℃，氧气浓度≥13～15%。一、基本理论瓦斯煤尘爆炸含氧瓦斯气体的爆炸范围随着其环境的变化而变化，点火能量、气体压力、氧气浓度的增加，以及爆炸性煤尘的参与，都会扩大瓦斯爆炸的浓度范围及强度，一、基本理论一、基本理论一、基本理论一、基本理论煤与瓦斯突出主要机理：综合作用学说、流变机理、球壳失稳机理、力学作用机理一、基本理论煤与瓦斯突出综合作用学说：认为煤与瓦斯突出由瓦斯压力为主，及其地应力、煤的物理性质及强度共同决定了突出灾害的发生。该学说得到学术界共识。一、基本理论煤与瓦斯突出流变机理：认为突出是煤体流变结果，分为变形衰减阶段、均匀变形阶段和加速变形阶段，其中变形衰减阶段和均匀变形阶段对应于煤与瓦斯突出的准备阶段，加速变形阶段是煤与瓦斯突出的发生发动阶段，突出是含瓦斯煤体快速流变的结果。该理论主要由中国矿业大学何学秋教授创建。一、基本理论煤与瓦斯突出球壳失稳机理：认为在突出过程中，地应力首先破坏煤体，使煤体产生裂纹，形成球盖状煤壳，然后煤体向裂隙内释放并积聚高压瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩张并使形成的煤壳失稳破坏并抛向巷道空间，使应力峰值移向煤体内部，继续破坏后续的煤体，形成一个连续发展的突出过程，该理论主要由中国矿业大学蒋承林教授创建。一、基本理论煤与瓦斯突出力学作用机理：认为煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩瓦斯动力灾害都是煤岩介质在固气两相力作用下发生突然和连续破坏的过程，这个过程包含准备、发动、发展、终止四个阶段。该理论主要由中煤科工集团重庆研究院胡千庭研究员创建，是国家重点基础研究发展计划（973计划）的重要研究成果。一、基本理论煤与瓦斯突出力学作用机理一、基本理论煤岩瓦斯动力灾害防治的基本理论：发生条件：取决于煤岩承受的应力、瓦斯含量（压力）、煤的力学强度等；煤层是否具有发生动力灾害的危险性是相对的，瓦斯富集区、应力集中区、开采深度、地质构造是主要影响因素；关键措施：降低应力、降低瓦斯含量（压力）、提高煤岩体强度三者兼顾。一、基本理论瓦斯煤尘爆炸瓦斯爆炸一、基本理论煤与瓦斯冲击一、基本理论煤与瓦斯突出的球壳失稳机理一、基本理论煤与瓦斯突出发展过程煤与瓦斯突出过程的数值模拟一、基本理论煤与瓦斯突出实验一、基本理论煤与瓦斯突出事故现场二、瓦斯基本参数测定主要参数：瓦斯压力、瓦斯含量、透气性系数、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数等。二、瓦斯基本参数测定瓦斯含量测定地勘煤层瓦斯含量测定真空罐法（×）；密闭、集气式岩芯采取器法（×）；地勘钻孔瓦斯解吸法（√）；间接测定方法。二、瓦斯基本参数测定地勘煤层瓦斯含量测定——地勘钻孔瓦斯解吸法依据：《煤层瓦斯测定方法（解吸法），MT/T77-94》基本原理：从地面钻孔采集原始煤体煤芯，用瓦斯解吸仪在地面直接测定其解吸瓦斯量及解吸规律；根据解吸初始段的实验数据，按累计解吸瓦斯量（Q）与煤样解吸时间（t）的数学关系，推算煤样从开始采集至解吸测定前的损失瓦斯量；在实验室测定煤样中残存瓦斯量；测定和计算的三部分瓦斯量即为煤层瓦斯含量。二、瓦斯基本参数测定地勘煤层瓦斯含量测定——地勘钻孔瓦斯解吸法适用条件适用于在煤田地质勘探阶段利用煤芯煤样采用解吸法测定煤层瓦斯含量，也适用于井下煤芯中气体的测定。技术成熟，应用范围广。主要测定仪器取样器、地面解吸仪、实验室分析仪。二、瓦斯基本参数测定二、瓦斯基本参数测定地勘煤层瓦斯含量测定——地勘钻孔瓦斯解吸法测定步骤野外采样及瓦斯解吸速度的测定采取煤样前的准备工作：洗净、干燥密封罐，检查气密性。采取煤样：使用煤芯采取器（简称煤芯管）提取煤芯。测定瓦斯解吸速度：用排水集气法测定，连续观测2小时。计算煤样气体损失量：图解法和解析法。煤样的实验室测定煤样粉碎前脱气：常温脱气、加热脱气。煤样粉碎后加热脱气：煤样粉碎后粒度小于0.2mm的质量大于80%。分析瓦斯成分：从脱气中采取瓦斯气样，用气相色谱仪测定气体成分。计算测定结果：按标况计算可燃气体总含量。二、瓦斯基本参数测定地勘煤层瓦斯含量测定——地勘钻孔瓦斯解吸法存在的问题数据误差煤层埋深小于500m（钻孔深度小于500m）时，有约70%的测值偏低15~25%，20%的测值偏高10~15%；煤层埋深大于500m（特别是接近800m）时，普遍具有测值偏低程度随孔深增加而加大的趋势，有85%的测值偏低30~40%，最高达到50%以上，只有不足8%的测值偏高5~10%。二、瓦斯基本参数测定地勘煤层瓦斯含量测定——地勘钻孔瓦斯解吸法存在的问题原因煤芯在泥浆质中的瓦斯解吸与煤层原始瓦斯压力、上覆泥浆压力有关，人为地将煤芯在钻孔中开始解吸瓦斯时间固定为煤芯提至钻孔深度的一半是不合理的。煤芯在钻孔中的瓦斯解吸是在泥浆介质中完成的，而煤样在地面的瓦斯解吸是在空气介质中进行的，两者介质环境及介质压力条件差异较大，用煤样在地面的瓦斯解吸规律推算提钻过程中的煤样损失瓦斯量缺乏充分的依据。二、瓦斯基本参数测定瓦斯含量测定井下煤层瓦斯含量测定间接测定法：朗格缪尔法、含量系数法、残存量法、快速测定法直接测定法：近几年新技术，准确率较高、方便快捷（8小时）；研发单位：中煤科工集团重庆研究院测定方法及装置（DGC）得到国家“十五”科技攻关、国家自然科学基金等支持，并获得国家发明专利、煤炭行业科技进步一等奖。二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法技术原理从井下钻孔采集原始煤体的煤芯或煤屑，用瓦斯解吸仪在井下直接测定其解吸瓦斯量及解吸规律；根据解吸初始段的实验数据，按累计解吸瓦斯量（Q）与煤样解吸时间（t）的数学关系，推算煤样从开始采集至解吸测定前的损失瓦斯量；在实验室测定煤样中残存瓦斯量；测定和计算的四部分瓦斯量即为煤层瓦斯含量。二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法推算量井下解吸量粉碎解吸量不可解吸量开始取样井下解吸测定开始井下解吸测定结束实验室粉碎解吸不可解吸量规律二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法测定步骤井下取样：钻孔取样，采用取芯管定点取样或压风引射定点取样。井下测定解吸量：井下及时测定瓦斯解吸量。地面测定解吸量：煤样粉碎（球磨），并用实验室设备测定解吸量。测定残存量：用朗格缪尔法测定实验室条件下的残存瓦斯含量。计算煤层瓦斯含量：用系统配套的计算机软件计算。二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法测定仪器DGC型瓦斯含量测定仪二、瓦斯基本参数测定二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法应用情况高校：实验室科研机构：实验室中介机构（政府）：实验室煤炭企业：实验室二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法应用情况高校：实验室科研机构：实验室中介机构（政府）：实验室煤炭企业：实验室新疆：中煤科工集团重庆研究院新疆分院、新疆工程学院（煤校）、煤炭研究所、焦煤集团、大黄山煤业二、瓦斯基本参数测定二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法存在的问题损失量推算模型不能代表所有损失量推算规律取样时间及取样深度二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法便携式测定技术适用于煤矿具有较强的瓦斯治理能力、具备完整的瓦斯参数测定条件及装备、人员队伍的情况下，对掌握了瓦斯赋存规律的局部区域（工作面），采用本方法对瓦斯含量进行快速估算。使用本方法必须通过其它测定方法进行修正，不修正时的误差可能大于15%。二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——直接法推算量煤屑解吸量推算量不可解吸量规律规律二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——间接法朗格缪尔法——经典的瓦斯含量测定方法技术原理理论基础是单分子层吸附模型的朗格缪尔方程（LangmuirEquation），它确定煤层瓦斯含量的方式与步骤为：实测煤层瓦斯压力；实验测定煤样可燃基的瓦斯吸附常数；用朗格缪尔方程计算煤的可燃基瓦斯含量；并通过水分、灰分、温度、压力等校正得到原煤瓦斯含量。二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——间接法朗格缪尔法——经典的瓦斯含量测定方法二、瓦斯基本参数测定二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——间接法测定步骤测定瓦斯压力：井下实测。吸咐常数测定、煤样工业分析：取样在实验室测定，一般在科研机构测定。计算煤层瓦斯含量。广泛应用于煤层瓦斯含量的测定、规律分析、基础研究，以及瓦斯压力、瓦斯含量之间的反演解算等。二、瓦斯基本参数测定井下煤层瓦斯含量测定——间接法存在的问题缺点是需要先测定煤层的瓦斯压力，而瓦斯压力的测定技术要求较高、难度大，煤层卸压区域的瓦斯压力测定技术更难，且瓦斯压力测定的时间周期长；煤样的实验室分析装备、技术要求高。二、瓦斯基本参数测定瓦斯压力测定煤层瓦斯压力是煤层瓦斯流动和涌出的最基本参数；作用：指导煤层瓦斯抽放；煤与瓦斯突出危险性预测；指导防突措施；瓦斯赋存规律研究；推算煤层瓦斯含量。二、瓦斯基本参数测定瓦斯压力测定测定方法直接法：应用最广泛间接法：朗格缪尔法、解吸特征法、残存量法、瓦斯涌出量反算法及快速测定法等。二、瓦斯基本参数测定瓦斯压力测定技术原理从巷道向煤体施工测压钻孔，根据瓦斯流动的平面、径向、球形流场理论，瓦斯将向钻孔流动。用测压管、封孔材料将钻孔按要求密封，用测压表连接测压管，直接读取钻孔测压室的瓦斯压力，表压值即为煤层的相对瓦斯压力。主要仪器设备注浆封孔测压法：钻机、封孔泵、测压表、测压管、封孔材料（水泥及膨胀剂、高分子材料）等。胶囊—密封粘液封孔测压法：封孔胶囊、密封粘液、压力液罐、测压管、测压表等。二、瓦斯基本参数测定二、瓦斯基本参数测定瓦斯压力测定测定步骤编制测压方案。选择测压地点：避开破碎带、地质构造带，岩性稳定，施工条件好。施工测压钻孔：穿层钻孔的岩孔段一般不小于15m，并穿透煤层；顺层钻孔长度不小于30m。钻孔直径一般65mm～90mm。清孔洗孔。封孔：钻孔施工完成24小时内封孔。一般用水泥沙浆配10%的膨胀剂作为封孔材料，采用封孔泵输送砂浆封孔。穿层钻孔的测压室要保持全煤层段，顺层钻孔的测压室不小于3m。测压：封孔24小时后并水泥浆凝固后安装压力表，读表测压，3天内压力值变化小于0.015MPa时认为压力已稳定。二、瓦斯基本参数测定瓦斯压力测定存在的问题测定瓦斯压力受到地质条件、测压环境、操作水平、封孔材料的影响，一般委托专业的科技机构进行测定；另外，测定卸压煤层瓦斯压力比较困难。二、瓦斯基本参数测定透气性系数测定煤层透气性系数是反映煤层瓦斯流动难易程度的标志煤层的透气性系数必须通过实际测定才能确定测定方法：前苏联学者提出的雅罗伏依