煤层瓦斯参数及其测定方法

《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座煤层主要瓦斯参数及其测定方法俞启香(教授、博导、国家安全生产专家）中国矿业大学国家煤矿瓦斯治理工程研究中心《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座主要内容1.煤层瓦斯含量及其测定2.煤层瓦斯压力及其测定3.煤层的透气性及其测算《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座1、煤层瓦斯含量及其测定1.1煤层瓦斯含量释义煤层瓦斯含量是指在天然条件下,单位质量或体积的煤体中所含的瓦斯量(m3/t煤或m3/m3煤)。煤层瓦斯含量是煤矿开采和煤矿安全生产中的一项重要基本参数，可用于矿井、采区和工作面瓦斯涌出量预测、确定矿井瓦斯等级、通风设计、产量配产、瓦斯储量计算、瓦斯抽放和利用以及煤与瓦斯突出危险性鉴定等方面。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座煤层瓦斯含量的大小决定于成煤过程中生成的瓦斯量和煤层及围岩保存瓦斯的条件。煤层瓦斯含量的确定方法有测定法和计算法。计算法如下:煤层瓦斯含量（m3标/t煤）等于煤的吸附瓦斯量xx与游离瓦斯量xy之和。X=xx+xyxx=〔en(t0-t)〕〔1/（1+0.31W）〕〔(100-A-W）/100〕abp/（1+bp）xy=VT0p/Tp0ξ《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座式中,t0、t分别为测定吸附常数时的实验温度和煤层瓦斯的温度oC;n为系数，按下式确定：n=0.02/(0.993+0.07p);W、A分别为煤的水分和灰分,%;a、b为煤的吸附常数，其单位分别为m3/t，MPa-1;p、ξ分别为煤层的瓦斯压力(MPa)和瓦斯压缩系数;V、T=273+t分别为吨煤的孔隙容积(m3/t煤)和煤层瓦斯的温度；T0、p0分别为标准状况下的绝对温度(273K)和压力(0.101325MPa)《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座1.2煤层瓦斯含量测定目前，我国普遍采用的煤层瓦斯含量测定方法有三类：地勘解吸法，间接法和井下解吸法。现分述如下。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座（1）地勘解吸法这是一种煤田地质勘探和煤层瓦斯地面开发时最常用的煤层瓦斯含量测定方法。地勘解吸法在我国煤田地质勘探部门得到了广泛的推广应用，并一直沿用至今。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座地勘解吸法测定煤层瓦斯含量的基本原理及依据为：①煤层原始瓦斯含量X0由取芯过程煤样漏失瓦斯量V1、地面解吸瓦斯测定量V2和残存瓦斯量V3构成,X0=V1+V2+V3；②在一定时间内，煤-1000-800-600-400-20002004006008001000020406080100120（t0+t）0.5解吸瓦斯量（ml）漏失瓦斯量（ml）图1.2.1瓦斯漏失量V1--计算图样在地面的解吸瓦斯量与解吸时间之间遵循V2-（t0+t）0.5关系；③煤芯提至钻孔深度的一半时开始解吸瓦斯；④取芯过程中煤样瓦斯漏失量可按V1--（t0+t）0.5推算，见图1.2.1。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座150∮67罐盖罐体压紧螺丝垫圈胶垫密封罐煤心瓦斯解析仪量管水槽弹簧夹放水管螺旋夹吸气球温度计弹簧夹排气管穿刺针头密封灌⑤煤芯在地面的解吸瓦斯量V2由煤芯瓦斯解吸仪测得图1.2.2煤芯瓦斯解吸仪示意图《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座图1.2.3真空脱气测定装置示意图13151412111098765423116171819⒈超级恒温器⒉密封罐⒊穿刺针头⒋滤尘器⒌集水瓶⒍冷却管⒎水银真空计⒏隔水瓶⒐吸水管⒑排水瓶⒒吸气瓶⒓真空瓶⒔大量管⒕小量管⒖取气支管⒗水准瓶⒘干燥管⒙分隔球⒚真空泵A螺旋夹B、C、D、E、F单向活塞G、H、I、J、K三通活塞L、N120°三通活塞⑥残存瓦斯量V3由真空脱气测定装置（见图2.3.3）测得。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座从地勘解吸法十年多来的应用情况统计分析结果看[9]，和早期采用的密闭罐法、集气法相比，地勘解吸法煤层瓦斯含量测值成功率和可靠性都有较大幅度的提高，但测值仍有较大的误差：孔深小于500m时，地勘瓦斯含量有约70%的测值偏低15～25%，20%的测值偏高10～15%，整体测值偏低约10～15%；煤层埋深大于500m，特别是达到800m以上时，普遍具有测值偏低程度随孔深增加而加大的趋势，有85%以上的测值低30～40%，最高达到50%以上，只有不足8%的测值偏高5～10%。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座地勘解吸法含量测值普遍偏低的主要原因在于煤样漏失瓦斯量估算不尽合理，具体表现在两个方面：其一，煤芯在泥浆介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的时间固定为煤芯提至钻孔深度的一半，是不合理的；其二，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，两者的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漏失瓦斯量缺乏充分的依据。这两点我们已完成了改善研究。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座泥浆介质中取芯过程煤的瓦斯解吸规律及应用研究（3）泥浆介质中取芯煤芯瓦斯解吸过程模拟（B）模拟装置1－复合真空计2－真空泵3－真空管系4－真空硅管5－玻璃三通阀6－高纯瓦斯瓶7－精密压力表8－针形三通阀9－充气罐10－煤样罐11－水浴12－恒温器13－泥浆(水)罐14－注浆(水)孔15－氮气瓶16－解吸仪17－色谱仪18－紫铜管19－针形二通阀2C1CH9193Ⅰ54BA876411161712DN152G14c1813Fd10ⅡbEa《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座（2）间接法间接法主要用于生产矿井煤层瓦斯含量测定，偶尔用于地勘期间煤层瓦斯含量测定。该方法的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：①实测煤层瓦斯压力；②实验测定煤样可燃基的瓦斯吸附常数；③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的瓦斯含量。这一方法的计算基础都是来自实测值，而计算模型又得到理论证明，故可信度较高，但测准煤层瓦斯压力较难，工作量较大。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座（3）井下解吸法该方法是在地勘解吸法原理基础上改进、发展形成的直接在井下测定煤层瓦斯含量的方法，它在我国煤矿本煤层、邻近层瓦斯含量测定中广为采用。测定时，先在煤层打钻孔，采集钻（煤）屑（本煤层）或打穿层钻孔采集煤芯（邻近层），然后测定采集的煤屑样在空气介质中的瓦斯解吸规律，并据此推算钻屑或煤芯在采集过程中试样的漏失瓦斯量，最后根据漏失瓦斯量、解吸瓦斯量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层原始瓦斯含量。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座井下解吸法采用如下方法推算试样采集过程中的漏失瓦斯量：①试样的瓦斯解吸从到达既定深度（本煤层）或穿透岩层见煤（邻近层）时开始计时；②本煤层钻屑采集过程中试样的漏失瓦斯量按Q—(t0+t)0.5规律推算，邻近层穿层钻孔煤芯采集过程试样漏失瓦斯量按Q—(t0+t)0.5规律推算。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座2.1定义与影响因素煤层瓦斯压力是瓦斯在煤层中所呈现的压强。它是游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力,其方向垂直于孔隙壁,在某一点其大小相等。它也是单位体积中所含有的瓦斯压力潜能。煤层未受采动影响区域的瓦斯压力称为原始瓦斯压力；已排放瓦斯或已抽放瓦斯区域的煤层瓦斯压力称为残存（残余）瓦斯压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和煤层突出危险性大小的主要因素之一，是进行瓦斯管理等工作的基础参数。当煤的煤化程度相同时，煤层瓦斯压力越大，煤层瓦斯含量也越高。2煤层瓦斯压力及其测定《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座煤层瓦斯压力主要受煤层埋藏深度、煤层顶底板岩层的透气性、地质构造、煤层赋存形态、地应力和地下水活动等因素影响。当煤层有露头时，在瓦斯风化带下边界（甲烷带上边界）的煤层瓦斯压力一般为0.15-0.25MPa,在地质构造简单条件下,煤层瓦斯压力随埋深增加而加大,;如果煤层连续、构造稳定，相同埋深处同一煤层的瓦斯压力相等。中梁山煤矿K1煤层在垂深378m水平，在同一地质构造单元沿走向128m范围内，测得的瓦斯压力为2.75-2.8MPa。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座2.2煤层瓦斯压力的测定方法煤层瓦斯压力的测定方法有直接测定法和间接测定法两类。1）间接测定法有:①根据煤层瓦斯含量推算煤层瓦斯压力;②根据煤巷掘进或采煤瓦斯涌出量推算煤层瓦斯压力;③根据煤层瓦斯压力梯度求算煤层瓦斯压力。这类方法精度比较低，仅在有限的条件下使用。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座2）直接测定法直接测定法是直接在测定瓦斯压力地点进行测定的方法，其工序有打钻孔、封孔和测压。典型的测定方法是在岩石巷道中向煤层打钻孔，用不同的密封材料封堵钻孔，在测压导管上安设压力表测压。封孔方法有人工填料封孔、机械压注填料封孔、封孔器封孔（胶圈封孔器、胶囊密封液封孔器和三相泡沫密封钻孔器）等。测压地点要选在没有地质构造破坏和岩层密封性能好的地方，如岩层含水，应该用填料将钻孔含水层段堵严隔离，以防水压干扰瓦斯压力测定结果。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座图2.4.1填料法封孔示意图前端筛管压力表钻孔Φ50~75mm测压管Φ6~10mm木锲填充材料挡料圆盘不小于8m（1）人工填料封孔《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座（2)机械压注填料封孔以压缩空气或泥浆泵为动力,将预先调制的膨胀性水泥浆或树脂或聚胺脂压入钻孔进行封孔。这一方法对倾角大的钻孔封孔效果较好，对近水平钻孔，由于钻孔顶部不易充满填料，易漏气。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座图2.4.2胶圈封孔器结构示意图1234569781012111、补充气体入口2、固定把3、加压手把4、推力轴承5、胶圈6、粘液压力表7、胶圈8、高压胶管9、阀门10、二氧化碳瓶11、粘液12、粘液罐（3）封孔器封孔《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座2.4.3我国部分矿井的煤层瓦斯压力实测值我国部分矿井的煤层瓦斯压力实测值表2.4.1阳泉一矿34151.2垂深H(m)瓦斯压力p(Mpa)瓦斯压力梯度(MPa/hm)淮北芦岭矿81.1淮南潘一矿C134936501.3鸡西滴道120.62454820.22.965207803.634.92.44.4六枝四角田矿71南桐鱼田堡矿41.6702070.451.912184321.524.95白沙里王庙井60.7涟邵立新蛇形山井41.1401183880.571.282.972142522.182.61.1天府磨心坡矿K21.55607135.126.863635136336523.54.87.57.85矿井煤层北票台吉一井4《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座3煤层的透气性及其测算3.1定义和影响因素煤层透气性是煤层对瓦斯流动难易程度的属性。它是煤层瓦斯流动规律考察、瓦斯抽放可行性分析、煤与瓦斯突出预测和防治研究的基础性质。煤层的透气性常用煤层透气性系数或渗透率的大小来定量表达。煤层透气性系数大，表明煤层透气性好，瓦斯流动容易。煤层的透气性主要取决于：煤体空隙结构分布及大小；煤层层理、节理、及裂隙发育程度；地应力大小以及采动影响等，可以通过实际测定获得煤层透气性系数。《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座煤层透气性系数是衡量煤层透气性大小的指标。物理意义是在1m3煤体的两侧，压力平方差为1MPa2时，通过1m长度的煤体，在1m2煤面积上每天流过的瓦斯量。煤层透气性系数在不同地点相差很大。在集中应力带，煤层透气性可降低一半或更多；而在卸压带，则可增加几十倍到几万倍。1m1MPaP21m1mM3/m2.dλ《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座3.2测定与计算方法煤层透气性系数测定单一钻孔流量法：打一个垂直穿透煤层钻孔，封孔后，测出煤层真实的瓦斯压力，压力煤层钻孔流量计阀门压力表测压管钻孔密封段值稳定后，打开测压孔排放瓦斯，记录排放瓦斯的时间和流量以及煤层厚度、钻孔直径等参数，利用表2.2.1所列公式进行计算。煤层透气性测定示意图《煤矿瓦斯灾害防治技术》讲座4tp01.5qr14tp01.5F0=————,A=————,B=————r2p02-p12r2F0=10-2~1F0=1~10F0=10~102F0=102~103F0=103~105F0=10