瓦斯灾害预测与防治——第讲瓦斯基础参数测定技术

瓦斯灾害预测与防治河南理工大学安全学院瓦斯防治技术及装备研究所国家安全生产专家硕士研究生课程：瓦斯灾害预测与防治2012年3月杨宏民博士教授级高工主要内容：第一讲：瓦斯基础参数测定技术第二讲：矿井瓦斯涌出量预测技术第三讲：煤层瓦斯突出预测预报技术第四讲：瓦斯与煤尘爆炸防治技术第一讲：瓦斯基础参数测定技术河南理工大学安全学院瓦斯防治技术及装备研究所国家安全生产专家硕士研究生课程：瓦斯灾害预测与防治2012年3月杨宏民博士教授级高级工程师内容提要第一章：煤层瓦斯含量测定第二章：煤层瓦斯压力测定第三章：煤层透气性系数测定第四章：煤的坚固性系数测定第五章：煤的瓦斯放散指数测定第六章：煤对瓦斯吸附常数测定第七章：煤与瓦斯突出预测指标测定第一章：煤层瓦斯含量测定xyXXXpnWAWebpabpXttnx07.0993.002.010010031.0111)(0，煤层瓦斯含量：煤层赋存状态下，单位质量（或体积）煤的微表面或基质中吸附的瓦斯量与孔隙中的游离瓦斯量之和，单位为m3/m3，m3/t。00TppTVXpy第一章：煤层瓦斯含量测定瓦斯含量构成损失量现场解吸量粉碎前真空脱气量粉碎后真空脱气量7一、方法分类方法分类技术要点与技术关键直接测定法简接测定法技术要点：根据瓦斯压力、吸附常数（a,b值）、煤质参数等，按照公式计算煤层瓦斯压力的方法。技术关键：各种基础参数的准确测定。技术要点：采用打钻、取钻屑、测定瓦斯解吸规律、推算损失瓦斯量、真空抽气测定残存瓦斯量。技术关键：取样技术。GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法8二、术语及定义1、残存瓦斯量residualgascontentincoalseam在常压状态下，煤样解吸后残留在煤样中的瓦斯量2、损失瓦斯量Iosinggascontentincoalseam煤样从暴露到开始测定解吸量期间所遗失的瓦斯量3、粉碎前脱气量negativepressuredesorptiongascontentbeforecomminution在负压状态下，煤样在粉碎前所解吸的瓦斯量4、粉碎后脱气量negativepressuredesorptiongascontentduringcomminution在负压状态下，煤样在球磨机中粉碎到80%以上的煤样粒度小于025mm时所解吸的瓦斯量9二、术语及定义5、粉碎前自然解吸瓦斯量naturaldesorptiongascontentbeforecomminution在常压状态下，煤样井下解吸后运送到实验室粉碎前所解吸的瓦斯量。6、粉碎后自然解吸瓦斯量naturaldesorptiongascontentduringcomminution在常压状态下，煤样在粉碎机中粉碎到95%以上煤样粒度小于025mm时所解吸的瓦斯量。10三、直接测定方法1、相关仪器装备11三、直接测定方法1、相关仪器装备12三、直接测定方法温度计1、相关仪器装备空盒气压计秒表煤样罐穿刺针头13三、直接测定方法1）取芯钻头取煤芯2）普通实心钻头孔口接样2、煤样采取14三、直接测定方法1）装样时间在2min内完成；2）自然接样，不得压实；3）装样高度距罐口10mm；4）确保罐口、“O”型圈清洁，无煤粒粘附；5）先穿刺，后拧盖；6）拧盖时保持罐竖直状态；7）解吸完毕后，上紧穿刺压垫和煤样罐盖；8）记录采样信息、时间等，贴标签。3、煤样装罐15三、直接测定方法1）初始水面提到0刻度；2）定时记录量管水面下降高度，连续观测2h；3）前5min内，每0.5~1min记录一次；5min~1h，视情况每2~5min记录一次；1h后，每20~30min记录一次。4）为避免送往实验室期间罐内压力上升漏气，升井后在地面再解吸24h，只记总解吸量；5）详细记录解吸时温度、气压等参数。4、煤样现场解吸16三、直接测定方法5、现场解吸记录1）样品编号：唯一性2）采样地点：矿、采区、工作面、巷道（XXXXm处）3）钻取深度：4）开始取样时间：5）开始解吸时间：6）解吸时间↔累计解吸量7）解吸结束时间8）采样过程描述9）采样地点地质描述10）采样地点煤质描述11）地面解吸时间↔总解吸量17三、直接测定方法1）、法：在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯量与解吸时间的½次方呈线性关系，通过该线性特征推算煤样从煤体剥落到开始解吸时间段内的损失瓦斯量。t6、采样过程瓦斯损失量推算损失量时当AVttBAV,018三、直接测定方法6、采样过程瓦斯损失量推算t1t1′V1VtV1′取样时间t1对瓦斯含量测定的有什么影响呢?为何要在2min内？19三、直接测定方法解吸前暴露时间确定：暴露时间(t0)为从煤样暴露到装罐结束（开始解吸测定）所用的时问，按下式计算：t0=t2-t1式中：t0——暴露时间，单位为分(min)；t1——取煤芯（屑）开始时刻，时：分：秒；t2——装罐结束（开始解吸测定）时刻，时：分：秒。6、采样过程瓦斯损失量推算20三、直接测定方法损失量的确定：图解法：以解吸时间为横坐标，累计解吸量V1为纵坐标作图，则前一段直线部分反延长与纵轴的交点值即为总损失量。解析法：将进行线性回归，得到线性拟合方程：，则拟方程中V’损即为总损失量。无论是图解法还是解析法，可以利用Excel很方便地实现。tt0),(10Vtt损VttKV06、采样过程瓦斯损失量推算21三、直接测定方法2）幂函数法在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯速度与解吸时间t的呈-n次方（常数）的幂函数关系，如下式所示。式中：qt—t时间的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0—t=0时的瓦斯解吸速度，cm3/min；q1—t=1时的瓦斯解吸速度，cm3/min；t—瓦斯解吸时间，min；n—瓦斯解吸速度衰减系数，0n1。5101520024681012解吸时间（min）解吸速度（m3/min）qt=20(1+t)-0.35ntnttqqtqq10or)1(6、采样过程瓦斯损失量推算q=20t-0.355791113151719024681012解吸时间（min）解吸速度（m3/min）22三、直接测定方法损失量计算：式中：V’损——煤样损失瓦斯量，cm3；t0——煤样暴露时间，min。nntntntnqVntqVtqVtqV10110001001or11)1(or100损损损损）（6、采样过程瓦斯损失量推算23三、直接测定方法7、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定方法取样时损失量现场解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量真空脱气法常压自然解吸法取样时损失量现场解吸量粉碎前解吸量粉碎后解吸量1atm残存解吸量损失量现场解吸量实验室粉碎前脱气量实验室粉碎后脱气量损失量现场解吸量实验室粉碎前解吸量实验室粉碎后解吸量1atm下残存量24三、直接测定方法1）真空脱气装置：恒温水浴U型水银真空计冷却器抽真空管气体量管平衡瓶真空泵煤样罐8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法25三、直接测定方法2）粉碎前真空脱气：1）煤样罐密封性检查：置于清水中，5min内不冒泡；2）脱气装置气密性检查：向真空系统抽真空，水银面不再下降时关闭阀门，隔离真空系统，4h内水银面下降≤5mm；3）系统抽真空，达到最大真空度时，10min内水银面保持不变；4）常温下煤样罐真空脱气；5）95-100℃下煤样罐真空脱气；6）分析脱气气体组分及浓度；7）将平衡瓶液面调整到与量管液面平齐，记录脱气气体体积；8）记录大气压力、温度等参数。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法261、启动真空泵，向系统抽真空。三、直接测定方法8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法272、松开螺旋夹，煤样罐内气体进入真空系统。三、直接测定方法8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法283、调整量筒液面高度。三、直接测定方法8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法294、向真空管抽真空，将负压转为正压，气体导入量筒。三、直接测定方法8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法304、向真空管抽真空，将负压转为正压，气体导入量筒。三、直接测定方法8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法31三、直接测定方法3）煤样粉碎及粉碎后脱气：1）煤样从密封罐内倒出，装入球磨罐中，确保密封性良好；2）球磨罐安装到球磨机上进行煤样粉碎；3）粉碎后煤样进行真空脱气；4）称重，进行工业分析。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法32三、直接测定方法1）煤样粉碎前常压自然解吸：①缓慢打开煤样罐阀门，隔一定时间记取一次瓦斯解吸量；②当实测解吸瓦斯体积达到单根测量管最大量程85％时，打开转换手柄用第二栏测量管测量；③当解吸一段时间后，在5min内玻璃管内不再有气泡冒出时解吸完毕，读取并记录解吸量管液面终止读数。④倒出煤样，捡杂，称重。记录周围环境的温度、大气压力。9、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——常压解吸法1-抽气管；2-排气管；3-微型真空泵；4-粉碎机料钵；5-煤样罐332）粉碎煤样称重：①取两份等量的二次煤样100-300g，选择整芯或较大块的煤样，确保二次煤样和全煤样有相同的特性；②如果两份二次煤样测试结果有较大的差别，应该再取第三份二次煤样；③若待粉碎煤样块度较大，应事先将煤样捣碎至粒度25mm左右；三、直接测定方法9、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——常压解吸法343）粉碎自然解吸瓦斯量：①将称量好的二次煤样逐份放入粉碎机料钵内，盖好带有密封目的盖子，并压紧密封严；②用胶管连接解吸量管与粉碎机气嘴，然后进行煤样粉碎；③粉碎时观测解吸瓦斯量体积，当解吸瓦斯体积达到单根量管最大量程的85%时，打开转换开关用第二根测量管测量，粉碎结束时记录量管终止读数；④解吸量=解吸结束后读数-解吸开始时读数三、直接测定方法9、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——常压解吸法1-抽气管；2-排气管；3-微型真空泵；4-粉碎机料钵；5-煤样罐35三、直接测定方法1）井下自然解吸量（标准解吸量）：tWWtVphpTV)00981.0()2.273(3.1012.27321式中：V’t——换算为标准状态下的气体体积，单位为立方厘米(cm3)；Vt——t时刻时量管内气体体积读数，单位为立方厘米(cm3)；p1——大气压力，单位为千帕(kPa)；TW——量管内水温，单位为摄氏度(℃)；hW——量管内水柱高度，单位为毫米(mm)；p2——TW时水的饱和蒸汽压，单位为千帕(kPa)。10、煤中瓦斯含量的相关计算36三、直接测定方法2）实验脱气脱气量（标准解吸量）：00)0167.0()2.273(3.1012.2732010TTVpCpTV式中：V’T0——换算为标准状态下的气体体积，cm3；VT0——实验室温度为T0，大气压为p1条件下管内气体体积，cm3；P1——大气压力，kPa；C0——气压计温度，℃；T0——实验室温度，℃；p2——TW时水的饱和蒸汽压，kPa。10、煤中瓦斯含量的相关计算37三、直接测定方法3）无空气基煤层气体积换算：100))O(57.4100(100)O(57.4100)CO()CO(100)O(57.4100)CH()CH(100)O(57.4100)O(57.3)N()N(22222442222cVVccAccAcccAii式中：A(N2)——扣除空气后的氮气浓度，%；A(CH4)——扣除空气后的甲烷浓度，%；A(CO2)——扣除空气后的二氧化碳浓度，%；c(XX)——含有空气的XX气体浓度，%；V′i——扣除空气前标准状态下各阶段瓦斯气体体积（i=1,2,3,…），cm3；V″i——扣除空气后标准状态下各阶段瓦斯气体体积（i=1,2,3,…），cm3；10、煤中瓦斯含量的相关计算38三、直接测定方法4）常压自然解吸后的不可解吸量：式中：Xb——煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，cm3/g；a