瓦斯含量测试方法与原理

瓦斯含量测试方法与原理提纲瓦斯含量测试方法概述瓦斯含量测试方法与原理–地勘时期煤层瓦斯含量测定方法–煤层瓦斯含量井下直接测定方法–间接法瓦斯参数测定–瓦斯涌出量反演瓦斯含量小结与讨论瓦斯含量测试方法概述——术语及定义煤层瓦斯含量在原始状态下，单位质量或单位体积媒体中所含有的甲烷及重烃气体量。残存瓦斯量煤样解析后在一个大气压（1.013×105𝑃𝑎）条件下，残留在煤样中的瓦斯含量。损失瓦斯量煤样从暴露到开始测定解析量期间所遗失的瓦斯量。粉碎前脱气量在负压状态下，煤样在粉碎前所解析的瓦斯量。粉碎后脱气量在负压状态下，煤样在球磨机中粉碎到80%以上的煤样粒度小于0.25mm时所解析的瓦斯量。粉碎前自然解析瓦斯量一个大气压下，煤样井下解吸后运送到实验室粉碎前所解吸的瓦斯量。粉碎后自然解析瓦斯量一个大气压下，煤样在粉碎机中粉碎到95%以上煤样粒度小于0.25mm时所解吸的瓦斯量。煤层瓦斯含量的测定方法有很多种，按照应用范围可以分为地勘阶段测定方法和煤矿生产期间测定方法；按照方法本身的特点，又可以分为直接法和间接法。直接法包括地勘钻孔瓦斯解吸法、井下钻孔瓦斯解吸法等。直接法是直接从采取的煤样中抽出瓦斯，分析并确定煤中的瓦斯成分与瓦斯含量。间接法是先在井下实测或根据已知规律推算煤层瓦斯压力，并在实验室测定煤样的孔隙率、煤样吸附等温线与煤的工业分析参数，最后计算煤层瓦斯含量。瓦斯含量测试方法概述地勘钻孔瓦斯解吸法井下钻孔瓦斯解吸法瓦斯参数测定瓦斯涌出量反演瓦斯含量间接法直接法地勘阶段测定方法煤矿生产期间测定方法提纲瓦斯含量测试方法概述瓦斯含量测试方法与原理–地勘时期煤层瓦斯含量测定方法–煤层瓦斯含量井下直接测定方法–间接法瓦斯参数测定–瓦斯涌出量反演瓦斯含量小结与讨论瓦斯含量测试方法与原理——地勘时期煤层瓦斯含量测定方法地勘阶段测定瓦斯含量的方法有真空罐法、集气式岩芯采取器法、地勘钻孔解吸法。前两者近年已被淘汰，地勘钻孔解吸法是目前煤田地质勘探和煤层瓦斯地面开发时广泛应用的煤层瓦斯含量测定方法，该方法最早是1973年由美国矿业局(USBM)研究提出，并在之后得到广泛应用。经过不断发展，目前我国沿用2009年颁布的《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T23249—2009)至今。仪器设备煤样罐、瓦斯解吸速度测定仪、温度计、空盒气压计、胸骨穿刺针头（型号16）瓦斯含量测试方法与原理——地勘时期煤层瓦斯含量测定方法1——罐盖；2——罐体；3——压紧螺丝；4——垫圈；5——胶垫；6——“O”型密封圈。1——量管；2——水槽；3——螺旋夹；4——吸气球；5——温度计；6、8——弹簧夹；7——排水管；9——排气管；10——穿刺针头；11——密封罐。采样前准备：•密封罐气密性检查；•解吸仪气密性检查；采样：•煤芯提出钻孔口应尽快装进密封罐，煤芯在空气中暴露时间不应超过8min。•选取煤芯应去除矸石等杂质，不能水洗、压实，保持自然状态放入密封罐。•先将穿刺针头刺入罐盖上部密封胶垫，用扳手拧上罐盖，再将解吸仪排气管与穿刺针头连接，立即打开弹簧夹，记录此时时间T3。瓦斯含量测试方法与原理——地勘时期煤层瓦斯含量测定方法T1起钻时间T3开始解吸测定时间T2钻具提至井口时间瓦斯解吸速度的测定测定一直进行2h，第一至三点每1~2min读数，之后每2~5分钟读取一次量管读数，后一个小时每10~20min读数，然后再次检查密封罐的气密性。确认无漏气后，把煤样送到实验室进行残存瓦斯量测定。瓦斯含量测试方法与原理——地勘时期煤层瓦斯含量测定方法瓦斯损失量的计算——图解法以实际测量的累计瓦斯解吸量V为纵坐标，以𝑡0+𝑡为横坐标，把全部解吸测定点标在坐标纸上，将幵始解吸一段时间内呈直线关系的测点连线，并延长与纵坐标轴相交，其截距即为所求的损失瓦斯量。瓦斯损失量的计算——解析法煤样在刚开始暴露的一段时间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比，即𝑉=𝑎+𝑏𝑡0+𝑡上式为直线方程式，可用最小二乘法求出常数a和b，a即为所求的损失瓦斯量。损失瓦斯气量计算解吸气体积校正（将量管读数逐个换算为标准状态下各观测时间的累积解吸瓦斯量）煤样解吸瓦斯时间计算𝑇0=𝑡0+𝑡=𝑡1+𝑡2+𝑡𝑇0——煤样瓦斯解吸总时间𝑡0——煤样装罐前暴露时间𝑡1——钻孔内暴露时间（注意零时间）𝑡2——空气中暴露时间𝑡——封罐后解吸观测时间（从𝑇3算起）求出每个观测点的𝑡0+𝑡填入A2表中。由于该法未考虑煤芯在钻孔和空气中解吸规律的差别，而且钻孔中煤样的瓦斯解吸时间未准确确定，故当前瓦斯损失量的确定仍是半经验性的近似计算，因此，为了提高煤层瓦斯含量的测定精度，应尽量减少煤样的暴露时间，尽量选取较大颗粒的煤样，以减少瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。瓦斯含量测试方法与原理——地勘时期煤层瓦斯含量测定方法煤样残存瓦斯量测定对送到实验室的煤样进行脱气并抽气进行气体组分分析，测定煤的残存瓦斯含量，具体测定步骤如下:①实验室脱气与气体分析试样送到实验室后，利用真空脱气装置，加热至95℃，用真空泵抽出煤样中的气体，然后用气相色谱仪分析其气体成分。②煤样粉碎。煤样脱气结束后，打开真空罐取出煤样，放进密封球磨罐进行粉碎。要求粉碎后煤样绝大部分(80%以上)的粒度在0.25mm以下。③粉碎后脱气和气体分析——将装有己粉碎煤样的密封球磨罐进行加热和真空脱气，直到基本上无气体解吸为止。④煤样称重，进行煤质工业分析。煤中残存瓦斯量计算根据两个阶段脱气的气体分析结果中的氧含量，扣除混入的空气成分，即换算出了无空气基的煤层气体成分，再根据两次脱气抽出的气体体积和成分，就可以计算出煤的残存瓦斯量。瓦斯含量测试方法与原理——地勘时期煤层瓦斯含量测定方法煤层总瓦斯含量计算煤层总瓦斯含量包括采样过程瓦斯损失量、煤样瓦斯解吸量、粉碎前脱气瓦斯量、粉碎后脱气瓦斯量，总瓦斯量除以煤样可燃质质量，得出每克可燃质中含有瓦斯量，称为煤样的煤层可燃质瓦斯含量。注意：每个阶段的瓦斯量要换算到标准状态下，并扣除空气体积；煤层深度大于500m时数据需进行校正；煤样质量为可燃质质量，即干燥无灰基。瓦斯含量测试方法与原理——煤层瓦斯含量井下直接测定方法煤层瓦斯含量井下直接测定方法实验方法的原理与地勘时期钻孔所用解吸法相同，详见2009年颁布的《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T23250—2009)。其中瓦斯损失量的计算需要建立合理的补偿模型对损失的瓦斯进行补偿。巴雷尔式计算模型累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比该计算模型在解吸最初期间算式成立，放散时间越长，误差越大；该计算模型没有考虑煤样的破坏类型对解吸规律的影响。负指数函数模型该补偿模型为钻孔煤屑瓦斯解吸速率与解吸时间之间为负指数函数关系幂函数计算模型(文特式)煤炭科学研究总院重庆研究院运用文特式对煤屑瓦斯损失量进行了计算，该模型为瓦斯解吸速率随时间的变化可用幂函数关系表示在瓦斯解吸初始阶段，实测值和模型计算结果较一致，但随着测定时间的增加，计算结果趋于无穷大；且未考虑粒度对瓦斯解吸速率的影响。研究表明，煤吸附甲烷能力随着煤变质程度增高而增加，随温度升高而降低，随煤中水分增加其吸附量减小，煤吸附甲烷量与瓦斯压力之间的关系符合双曲线关系——即朗格缪尔(Langmuir)公式。因此，当瓦斯压力不大时，煤吸附甲烷量与瓦斯压力几乎成正比关系，而瓦斯压力很高时，就接近一个常数。实际上，当瓦斯压力达到5.0~6.0MPa左右时，煤的吸附容量已接近于极限值。在试验室内做出煤对甲烷的吸附等温线，计算出吸附常数值，测出煤中孔隙体积，再考虑到煤中水分对吸附的影响，当已知煤层温度及瓦斯压力后，即可求出煤的甲烷容量，这个数值即相当于煤的原始瓦斯含量。煤的吸附瓦斯含量𝑋𝑥煤的游离状态瓦斯含量（𝑋𝑦）按气体状态方程计算间接法测定的煤层瓦斯含量（X）为游离状态的瓦斯含量（𝑋𝑦）与吸附状态的瓦斯含量（𝑋𝑥）之和，即瓦斯含量测试方法与原理——间接法瓦斯参数测定在煤矿井下，一般可以比较容易地测定煤层瓦斯压力，所以，间接方法在煤矿井下应用比较广泛。但是，在地质勘探钻孔中，测定煤层瓦斯压力的工作比较困难。煤层瓦斯涌出量，是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出采掘空间和抽入管道中的瓦斯量。瓦斯涌出量的大小与煤层瓦斯含量、开采深度、开采规模、幵采技术等因素密切相关。煤层瓦斯含量越大，瓦斯涌出量越大，两者之间有很大的关联性。所以，可以根据瓦斯涌出量的资料来反算煤层瓦斯含量。矿井回采工作面的瓦斯来源主要由幵釆本煤层的瓦斯涌出、邻近层煤层瓦斯涌出和采煤工作面采空区瓦斯涌出。本煤层的瓦斯涌出主要由工作面煤壁和工作面连续落煤两部分组成，涌出量Q统计理论表达式为瓦斯含量测试方法与原理——瓦斯涌出量反演瓦斯含量根据煤层瓦斯涌出量反算煤层瓦斯含量时，关键参数的准确测定是影响反演结果精确程度的主要因素。提纲瓦斯含量测试方法概述瓦斯含量测试方法与原理–地勘时期煤层瓦斯含量测定方法–煤层瓦斯含量井下直接测定方法–间接法瓦斯参数测定–瓦斯涌出量反演瓦斯含量小结与讨论小结与讨论由于目前还没有一个衡量瓦斯含量测定结果的可靠标准，所以，往往是通过几种方法测定结果的对比加以评价。解吸法瓦斯含量具有测值偏低、测值误差随煤层埋深增加而加大的缺陷。矿井生产期间直接测定的煤层瓦斯含量被认为是最接近原始瓦斯含量的方法，但其仍然存在着误差。在现有的技术和装备条件下，解吸瓦斯测定量和残存瓦斯量的计算误差可控制在很小的范围内，唯有损失量推算值偏低，目前还没有一种理想的解决方法。间接法测定瓦斯含量煤样无需密封，采样方法简单但是压力的测定值往往误差较大。运用瓦斯涌出量反演瓦斯含量的限制条件比较苟刻，影响的因素较多，反演结果精度较低。注意事项。各个方法的误差来源。有没有提高实验结果精度的办法（想法）。小结与讨论THEEND!