瓦斯抽采基本参数及其测定方法中国矿业大学俞启香教授

煤层瓦斯抽采基本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主要内容1．瓦斯压力2、煤层瓦斯含量3、煤层透气性系数4、钻孔流量衰减系数5、超前钻孔有效排放半径的测定（瓦斯流量法）6、气体流量的测量7、一些单位换算瓦斯抽采基本参数•矿井应抽采与利用瓦斯，并且提前3～5年制定抽采与利用瓦斯规划，每年年底前编制下年度的抽采瓦斯与利用计划，以确保抽采瓦斯工作面的正常衔接，做到“抽、掘、采”平衡。•瓦斯抽采基本参数是抽采与利用瓦斯规划、设计和技术管理的基本科学依据与基础，应保证测定数据的真实与准确。•每个采区垂深每增加50m，应测定煤层原始瓦斯含量和压力。•瓦斯抽采量的计量器具必须采用符合国家标准的计量器具。瓦斯抽采基本参数瓦斯来源分析矿井瓦斯来源是确定抽放方法的主要依据，因此，应尽量详细地做好下述测定工作：(1)必须测定出掘进、采煤与采空区的瓦斯涌出量分别占全矿井瓦斯涌出量的比例；(2)必须准确地判断出采区工作面的瓦斯主要是来自本煤层还是邻近层。•一般把回采工作面老顶初次冒落前的平均瓦斯涌出量认为是本煤层的瓦斯涌出量。而将老顶初次冒落后的平均瓦斯涌出增加量认为是邻近层的瓦斯涌出量。瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力1）定义、重要性与规律（1）定义：①煤层瓦斯压力是煤中游离瓦斯分子热运动撞击所形成的压强。②未受采动影响区域的瓦压力称为原始瓦斯压力，③受采动影响已排放瓦斯区域的煤层瓦斯压力称为残存瓦斯压力。（2）重要性：煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和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。瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力1）定义、重要性与规律（3）分布规律：①当煤层有露头时，在瓦斯风化带以下，甲烷带上部边界煤层瓦斯压力一般为0.25~0.3MPa，②煤层瓦斯压力随深度而增加。据北票、南桐、天府、鸡西等矿井统计，每100m垂深，瓦斯压力梯度为0.6~1.6MPa/hm。③煤层连续稳定同一深度的瓦斯压力基本相同。如中梁山煤矿K1煤层在垂深378m水平沿走向128m范围内，实测瓦斯压力均在2.8MPa左右。④地质构造带煤层瓦斯压力可能异常。瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力1）定义、重要性与规律（3）分布规律：我国部分矿井实测煤层原始瓦斯压力及其梯度表阳泉一矿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瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力2）瓦斯压力的测定煤层瓦斯压力测定方法有直接测定法和间接测定法2类。•直接测定法分为打钻、封孔、测压3个步骤。其关键的是严密封闭钻孔，微量的漏气将导致测得瓦斯压力值大大小于真实的瓦斯压力值。•传统的测定方法是从岩石巷道向煤层打穿层钻孔，然后在钻孔底设集气室并设置导气管、用粘土等不透气材料封堵钻孔，最后在导气管外端安装压力表显示瓦斯压力。•近年研制出新的封孔材料和方法，很好地解决了煤层中的钻孔封孔不严的难题，也可在煤巷中打钻测压。•封孔的方法：人工填料封孔、机械压入填料封孔、胶圈封孔、胶囊密封液封孔和三相泡沫密封煤层钻孔等。只要封孔严密，直接测定法能测出准确的瓦斯压力值，应用普遍。Prof.Dr.Cheng瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力2）瓦斯压力的测定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人工填料封孔示意图瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力2）瓦斯压力的测定煤层测压钻孔测压室抽放钻场测压导管回液管注浆管封孔段机械压入填料封孔示意图瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力2）瓦斯压力的测定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、粘液罐胶圈密封液封孔示意图瓦斯抽采基本参数2）瓦斯压力测定（煤层钻孔）胶囊实物照片胶囊、复合材料、聚胺脂综合封孔法胶囊、复合材料、聚胺脂综合封孔法封孔工艺：煤层钻孔施工→埋测压管（前端进气室2）→封孔胶囊3→10m测压管→封孔胶囊5→10m测压管→封孔胶囊4→固定圆环13→安装软绳14→注浆管10→10~12m测压管→通过注水软管7向封孔胶囊3注水使用单组份聚胺脂膨胀→通过注水软管8向封孔胶囊4注水使用单组份聚胺脂膨胀→通过注浆管10向封孔胶囊3~4间的钻孔高压注浆（注浆压力不低于10MPa→堵塞排气软管9和注浆管10→通过注水软管6向封孔胶囊5注水使用单组份聚胺脂膨胀，进一步对注入胶囊间的浆料进行增压→依次调制双组份聚胺脂17、16、15→将双组份聚胺脂15、16、17利用软绳14和圆环13送到封孔胶囊4位置→双组份聚胺脂17膨胀封堵4~17钻孔空间→双组份聚胺脂16膨胀充填钻孔壁裂隙→双组份聚胺脂15膨胀进一步充填钻孔壁裂隙→安装压力表→三天后补压至预计瓦斯压力的50%→每天观测→测定测压地点实际空气压力→结果确定瓦斯抽采基本参数2）瓦斯压力测定（煤层钻孔）胶囊实物照片胶囊、复合材料、聚胺脂综合封孔法胶囊、复合材料、聚胺脂综合封孔法封孔实例：平煤十二矿已15-31010进风巷瓦斯压力测定钻孔孔径89mm，本煤层钻孔深度不低于50m（钻孔内煤粉吹净）与巷道水平夹角90度，俯角-4度，封孔深度35m，测压点垂深1180m。封孔浆液压力4Mpa。封孔材料：普通硅酸盐水泥中掺入5%的铝酸盐水泥（AT16）。封孔后瓦斯表压力（MPa）与时间关系表日期6.236.246.256.266.276.286.296.307.17.27.31＃0.20.51.01.71.92.12.12.12.12＃0.20.40.71.11.82.02.22.22.22.23#0.20.30.50.91.41.82.12.12.12.12.1瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力3）瓦斯压力间接测定方法：测定出煤层瓦斯含量后，按式下计算瓦斯压力：X=[abp/(1+bp)][(100-Aad-Wad）/100][1/(1+0.31Wad)]++10kp/r（1）式中X──煤层瓦斯含量，m3/t；a、b──吸附常数；p──煤层绝对瓦斯压力，MPa；Aad──煤的灰分，%；Wad──煤的水分，%；k──煤的孔隙率，m3/m3；r──煤的容重(假比重)，t/m3。瓦斯抽采基本参数1．瓦斯压力2）瓦斯压力的测定•测定选点与测定工作应注意：(1)测定地点要选在无断层、裂隙等地质构造处，瓦斯赋存状况要具有代表性；(2)测压巷道距煤层的岩柱距离不应小于10m；(3)测压孔的孔径以75mm为宜，要贯穿整个煤层(厚煤层应钻入煤层3m以上)，完钻后应及时封孔，封孔要严密，测压管接头不得漏气。瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量1）定义在自然条件下，单位质量或体积的煤体中所含的瓦斯量。m3/t煤或m3/m3煤.2）重要性：煤层瓦斯含量是决定煤层瓦斯储量、瓦斯涌出量和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。Prof.Dr.Cheng瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：可采用直接法测定或用间接法计算。（1）地勘解吸直接法（2）井下解吸直接法（3）间接法——实测出煤层瓦斯压力后，按前述式（1）计算瓦斯含量Prof.Dr.Cheng瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（1）地勘解吸法地勘解吸法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，煤样在地面的解吸瓦斯量与解吸时间之间遵循V1——(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；⑤煤芯在地面的解吸瓦斯量V2由煤芯瓦斯解吸仪测得；⑥残存瓦斯量V3由真空脱气测定装置测得。Prof.Dr.Cheng150∮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-1000-800-600-400-20002004006008001000020406080100120（t0+t）0.5解吸瓦斯量（ml）漏失瓦斯量（ml）直接法测定煤层瓦斯含量仪表与曲线图Prof.Dr.Cheng瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：地勘解吸法的评价：从地勘解吸法十年多来的应用情况统计分析结果看出：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%。瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（2）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，采集煤屑（本煤层）或打穿层钻孔采集煤心（邻近层），然后测定采集的煤样在空气介质中的瓦斯解吸规律，并据此推算煤屑或煤心在采集过程中的漏失瓦斯量，最后根据漏失瓦斯量V1、解吸瓦斯量V2、残存瓦斯量V3和煤样重量计算煤层原始瓦斯含量。该法解吸瓦斯量V2和残存瓦斯量V3的测定同前述的地勘法。瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（2）井下解吸法该法推算试样采集过程中的漏失瓦斯量经验式有：①Q1=k(to+t)0.5ⅰ试样的瓦斯解吸从到达既定深度（本煤层）或穿过岩层见煤（邻近层）时开始计时；ⅱ本煤层钻屑采集过程中煤样的漏失瓦斯量按Q—(t0+t)0.5规律推算，邻近层穿层钻孔煤心采集过程试样漏失瓦斯量按Q—(t0+t)0.5规律推算。瓦斯抽采基本参数2、煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（2）井下解吸法该法推算试样采集过程中的漏失瓦斯量经验式有：②Q1=at-iⅰ将煤心分为五种（完整、不完整、块状、块粒混、粒状）类型，分别测定其Qt=at-i实验值，统计确定各类a、i常数。ⅱ漏失瓦斯量按Qt=at–i计算，如某块粒混合状煤心：Qt=8.1911t-0.881。瓦斯抽采基本参数2煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（2）井下解吸法快速测定技术游离量煤层瓦斯含量损失量解吸量残存量推算推算实测推算2煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（2）井下解吸法瓦斯抽采基本参数瓦斯压力测定时间长，效果检验时预抽钻孔数量多，间距小，测定难度非常大。瓦斯含量快速测定技术。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-1000-800-600-400-20002004006008001000020406080100120（t0+t）0.5解吸瓦斯量（ml）漏失瓦斯量（ml）煤层瓦斯含量直接测定法测定流程瓦斯抽采基本参数2煤层瓦斯含量3）煤层瓦斯含量测定：（2）井下解吸法快速测定技术实验室实验煤的解吸特性曲线图现场测试解吸煤的实际解吸曲线完善解吸曲线推算损失量与煤的解吸特性曲线对比，选择对应的解吸曲线，反推瓦斯压力解吸瓦斯量损失瓦斯量游离瓦斯量残存瓦斯量煤的瓦斯含量ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ01234560306090120150180时间/min解吸量/ml.g-