煤层瓦斯参数测定

煤层瓦斯参数测定中国矿业大学安全工程学院2013年5月杨永良副教授主要参数测定及计算一、煤层瓦斯压力测定二、煤层瓦斯含量测定三、煤层透气性系数计算四、煤层百米钻孔瓦斯流量衰减系数测试五、抽放钻孔的抽放半径测定六、排放钻孔的排放半径测定七、突出敏感指标的测定八、工作面可解吸瓦斯量测试九、煤的坚固性系数的测试一、煤层瓦斯压力测定瓦斯在煤层中赋存及流动规律瓦斯压力测定的目的和意义瓦斯压力测定技术发展概况瓦斯压力测定国家标准淮北矿区瓦斯测压难点淮北矿业集团瓦斯压力测定方法概述1.11.11.21.31.41.51.61.71.1概述指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，是决定瓦斯含量的主要因素，造成突出的重要压力之一。多年来，面对淮北矿区复杂的地址条件，经过不断的探索和创新，总结出了一套行之有效的钻孔施工和封孔方法。煤层瓦斯赋存和流动规律，总结了前人煤层瓦斯压力测定工艺，介绍了瓦斯压力测定的国家标准，详细介绍淮北矿区测压工序。1.1概述煤层瓦斯压力淮北矿区瓦斯压力测定概况本节主要内容1.2瓦斯在煤层中赋存及流动规律瓦斯的概念及来源；瓦斯的性质；瓦斯的生成。瓦斯在煤层内的存在状态；煤层瓦斯赋存的垂向分带；煤对瓦斯的吸附特性；影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素。瓦斯在煤层中运移的基本规律；煤层中瓦斯流动状态分类。1.2.1瓦斯的性质及生成1.2.2煤层瓦斯赋存1.2.3煤层瓦斯运移的基本规律1.2.1瓦斯性质及其生成1、瓦斯及性质广义上讲，矿井瓦斯是井下有害气体的总称。包括：甲烷（CH4）、重烃（CnHm）、氢气（H2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氡（Rn）等。煤矿大部分瓦斯来自于煤层，而煤层中的瓦斯一般以甲烷为主（可达80%~90%），它是威胁矿井安全的主要危险源，所以在煤矿狭义的瓦斯专指甲烷（CH4）。甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧和爆炸的气体。其爆炸极限为5%~16%，它对人体的影响同氮相似，可使人窒息。当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常急促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即可处于昏迷状态，有死亡危险。1.2.1瓦斯性质及其生成2、瓦斯生成在生物化学作用成气时期是从腐植型有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的，在温度不超过65℃条件下，腐植体经厌氧微生物分解成甲烷和二氧化碳，其模式可用下式来概括：在瓦斯生成的同时，芳香核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中缩聚芳香核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳香核组成。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。61054296247CH8COCHO3HOCHO隔绝空气＋＋＋¨1.2.2煤层瓦斯赋存1、煤层瓦斯赋存状态游离瓦斯：由于甲烷分子的自由热运动，显示出相应的瓦斯压力，这种状态的瓦斯服从气体状态方程；吸附瓦斯：存在在微孔表面上和在煤的粒子内部占据着煤分子结构的孔穴或煤分子之间的空间。煤层中瓦斯除吸附和游离状态以外，还有可能以瓦斯水化物晶体形式存在，其结构形式为xM·yH2O，其中M代表烃；固溶态等。但现有开采水平下，游离瓦斯仅占5～12％，其余为吸附瓦斯1.2.2煤层瓦斯赋存2、煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯沿垂向一般可分为两个带：瓦斯风化带与甲烷带。瓦斯风化带是CO2－N2、N2与N2－CH4三个带的统称，各带不仅瓦斯组分不同而且瓦斯含量也不相同。1.2.2煤层瓦斯赋存2、煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带的下部边界可按下列条件确定：甲烷及重烃浓度之和＝80％（按体积）；瓦斯压力P＝0.1～0.15MPa；相对瓦斯涌出量qCH4＝2～3m3/t煤；煤层瓦斯含量x＝1.0～1.5m3/t可燃物（长焰煤）x＝1.5～2.0m3/t可燃物（气煤）x＝2.0～2.5m3/t可燃物（肥、焦煤）x＝2.5～3.0m3/t可燃物（瘦煤）x＝3.0～4.0m3/t可燃物（贫煤）x＝5.0～7.0m3/t可燃物（无焰煤）1.2.2煤层瓦斯赋存2、煤层瓦斯垂向分带甲烷带：位于瓦斯风化带下边界以下的属于甲烷带，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加呈有规律的增长。增长的梯度，在不同煤质（煤化程度）、不同地质构造与赋存条件有所不同。瓦斯压力梯度的变化范围为0.007～0.012MPa/m，近似于静水压力值。1.2.2煤层瓦斯赋存3、煤对瓦斯的吸附特性煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素压力与温度：煤层瓦斯压力越大，其含量越高；温度温度每升高1℃，吸附瓦斯的能力降低约8％。水分：WXXdw31.011.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素煤变质程度的影响：煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成，一般讲，从挥发分为20～26％之间的煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速的增长。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素煤层和围岩的透气性：一般情况下，煤层及围岩透气性越大，瓦斯越易流失，瓦斯含量越小；反之，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量大，比如孔隙与裂隙发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气性非常大，它比致密而裂隙不发育的岩石的透气系数高百万倍，在漫长的地质年代中，会排放大量的瓦斯。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素埋深及煤层倾角：一般情况下，随着煤层埋深增加，煤层瓦斯含量也与随之增大。在同一埋深下，煤层倾角越小，煤层瓦斯含量越高。例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡（40～80°），相对瓦斯涌出量约20m3/t，无瓦斯突出现象；而南翼煤层倾角缓（6～12°）相对瓦斯涌出量达150m3/t，而且发生了煤与瓦斯突出。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素煤层露头：煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多；反之，地表无露头的煤层，瓦斯含量越高。例如中梁山煤田，煤层无露头，而且为背斜构造，所以煤层瓦斯含量大。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素地质构造：煤系地层为沉积地层，各种岩石的透气性有很大差别，在地层与地质构造的共同作用下，可能形成封闭型地质构造或开放型地质构造。封闭型地质构造有利于瓦斯储存，开放型地质构造有利于瓦斯排放。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素地质构造（褶曲构造）：闭合而完整的背斜或穹窿又覆盖有不透气的地层是良好的储存瓦斯构造，其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶”。在倾伏背斜的轴部，瓦斯浓度通常也高于翼部。但是当背斜轴顶部因张力形成连通地表的裂隙时，瓦斯易于流失，轴部瓦斯含量反而低于翼部。向斜构造存在两种情况:一种情况下，因轴部受到强力挤压，透气性差，使轴部的瓦斯含量高于翼部:另一种情况下，由于向斜轴部瓦斯补给区域缩小，当轴部裂隙发育，透气性好时，有利于瓦斯流失，开采至向斜轴部时，相对瓦斯涌出量反而减少。受构造影响形成局部变厚的大煤包时，也会出现瓦斯含量增高的现象。这是因为煤包在构造应力作用下，周围煤层被压薄，上下透气性差的岩层形成对大煤包的封闭条件。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素火成岩的侵入：岩浆侵入含煤岩系、煤层，使煤、岩层产生膨胀及压缩。火成岩侵入煤层对瓦斯赋存既有形成、保存瓦斯的作用，也有某些条件下使瓦斯逸散的可能。通常情况下，火成岩侵入带与未侵入带的过渡地带瓦斯含量往往较大，如淮北局的杨柳矿，皖北局的卧龙湖矿。岩浆岩侵入带易发生煤与瓦斯突出，如北票矿区，岩浆岩侵入带发生的突出（265）次占突出总数的25%。这是由于尤其是岩浆岩侵入引起的煤层局部变质带，当煤的变质程度不一而形成混杂状态时，煤的力学性质的变化，以及由此引起的应力不均匀分布更为明显。1.2.2煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素煤化程度：煤是天然吸附体，煤层的煤化程度越高，其存贮瓦斯的能力越强。在甲烷带内，在其它因素相同条件下，煤化程度不同的煤，其瓦斯含量不仅不同，而且随深度增加其瓦斯含量增加也不同；对于高变质无烟煤（挥发分低于120mL/g）其瓦斯含量不服从上述规律。这是因为这种煤的结构发生了质的变化，其瓦斯含量很低，而且与埋深无关，例如湖南煤田矿区的文化村矿，煤变质已接近石墨（挥发分仅3.14%）,煤层瓦斯含量很低。1.2.3煤层瓦斯运移的基本规律瓦斯在煤层中运移的基本规律煤层的孔隙和裂隙的尺寸是不均匀的，因而在大裂隙带中可能出现紊流，而在微裂隙中则属于层流运动，在微孔中还存在扩散分子滑流。根据实验室和在现场对瓦斯流动规律的测定，其流动规律主要是遵循达西定律，即是层流运动。在一般情况下，以达西定律为基础来研究煤层瓦斯流动规律还是可行的，但是在特殊情况下，如石门揭开煤层、瓦斯喷出或突出，则必须按当时条件加以修正。瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内的运移有层流和紊流两种形式，而层流运移通常又可分为线性和非线性渗透两种，紊流一般只有发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯突出时的瓦斯流动，在原始煤层中瓦斯的运移是层流运动。1.2.3煤层瓦斯运移的基本规律线性渗透当瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时，即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成正比时，呈线性规律，符合达西定律。中国矿业大学在实验室中对用煤粉压制的圆柱形人工煤样进行的大量瓦斯渗透试验表明：瓦斯在孔隙直径较大的煤样中流动时，完全服从达西定律。即：式中q――比流量，m3/(m2·d)λ――透气系数，；P1――入口处瓦斯压力平方，MPaP2――出口处瓦斯压力平方，MPa2；L――煤样长度，m。1.2.3煤层瓦斯运移的基本规律非线性渗透当雷诺数大于一定值以后，瓦斯在煤层中的流动即处于非线性渗流而不服从达西定律。在非线性渗流条件下，比流量与压力差之间关系可用指数方程表示，即：式中qn――在n点的比流量m3/(m2•d)；m――渗透指数．m＝1～2；dP――瓦斯压力平方的差，；dn――与瓦斯流动方向一致的某一极小长度，m；λ――透气系数，。当m＝1时，上式与达西定律相同；当m＞1时，表明随着雷诺数增大，流体流动时在转弯、扩大、缩小等局部阻力处引起的压力损耗增大，致使比流量降低，此时流体在多孔介质中的流动就表现为非线性渗流。1.3瓦斯压力测定的目的和意义瓦斯的概念及来源；瓦斯的性质；瓦斯的生成。瓦斯在煤层内的存在状态；煤层瓦斯赋存的垂向分带；煤对瓦斯的吸附特性；影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素。瓦斯在煤层中运移的基本规律；煤层中瓦斯流动状态分类。1.2.1瓦斯的性质及生成1.2.2煤层瓦斯赋存1.2.3煤层瓦斯运移的基本规律1.3瓦斯压力测定的目的和意义煤层瓦斯压力是指煤层中瓦斯所具有的气体压力，由游离瓦斯形成。煤层瓦斯含量大小煤层瓦斯流动动力源煤与瓦斯突出重要因素评价瓦斯储量、瓦斯涌出量、瓦斯流量的重要依据。瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数。瓦斯抽采与瓦斯突出问题中，掌握准确可靠的瓦斯压力数据最为重要。1.4瓦斯压力测定技术发展概况黄泥封孔；普通水泥浆封孔；胶囊-粘液封孔；胶圈-粘液封孔；聚氨酯泡沫封孔。煤层原始瓦斯含量法；煤层瓦斯涌出量法；残余瓦斯含量法；测压地点深度估算法。压力测定方法1.4.1瓦斯压力直接测定法1.4.2瓦斯压力间接测定法1.4.1瓦斯压力直接测定法1、黄泥封孔1980年以前，国内外常用固体材料进行封孔。黄泥封孔是常见的固体材料封孔方法（尤其在石门测压时）的一种。对于孔深5~10m，孔径Φ50~75mm，倾角不大的钻孔均可采用该方法进行封孔。该方法以质地致密、富于可塑性的半干的黄泥或水泥团为封孔材料。1-压力表；2-三通；3-木楔；4-测压管；5-挡板；6-煤层图4-1黄泥封孔测压简图1.4.1瓦斯压力直接测定法2、普通水泥浆封孔水泥浆液封孔是早期固体材料封孔方法的一种。由于其特殊的物性特征和成本较低等优点，致使该方法一直延用至今。水泥浆液封孔是用水泥浆液代替黄泥和