瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定

1、1.煤層基礎(chǔ)參數(shù)現(xiàn)場測定實驗方案1.1煤層瓦斯壓力1.1.1測試原理直接測定法是用鉆機由巖層巷道或煤層巷道向預(yù)定測量瓦斯地點打一鉆孔， 然后在鉆孔中放置測壓裝置、再將鉆孔嚴密封閉堵塞并將壓力表和測壓裝置相連 來測出瓦斯壓力。如果在測定中能保證鉆孔封閉嚴密不漏氣， 則壓力表顯示的數(shù) 值即為測點的實際瓦斯壓力，直接測定法的關(guān)鍵是封閉鉆孔的質(zhì)量。 根據(jù)封孔原 理的不同，一般將封孔方法分為被動式與主動式。本次采用主動式封孔技術(shù)。主動式封孔測壓其基本原理是：固體封液體、液 體封氣體，即采用液體作為封孔介質(zhì)，以解決固體物不能嚴密封閉鉆孔周邊裂隙 孔道的困難，并保持封孔液體的壓力在測定過程中始終大于瓦斯壓力

2、，粘液在壓力作用下滲入鉆孔周邊裂隙，杜絕瓦斯的泄漏；為了維持封孔液體的壓力和防止 液體向鉆孔內(nèi)滲透，在封孔液體段的兩端用固體封閉鉆孔，形成用固體封液體、 用液體封氣體的封孔系統(tǒng)。實踐表明：在石灰?guī)r、砂巖和頁巖巖層的鉆孔中，均 能嚴密封閉鉆孔，準(zhǔn)確測得煤層的瓦斯壓力。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前主動式瓦 斯測壓封孔裝置主要有：普通膠圈-壓力粘液封孔測壓儀、 可變形膠圈-壓力粘 液封孔測壓儀、膠囊-壓力粘液封孔測壓儀、膠圈(囊)-三相泡沫密封液測壓 儀等。MWYZ系列化主動式煤層瓦斯壓力測定儀主要由鋼絲膠囊、護管和連接罐、尼 龍壓力管(瓦斯管、膠囊液管和壓力粘液管)、儲能罐和壓力粘液罐、手動試壓泵、 粘

3、液封孔材料以及測壓儀表等配件組成。1.1.2測定儀器測試儀器選用華北科技學(xué)院研發(fā)的MWYZ - IV型和MWYZ - III型主動式煤層 瓦斯壓力測定儀各一套。具體技術(shù)參數(shù)如表1.1所示。表1.1測壓儀參數(shù)表型號單根膠囊長度(m)粘液段長度(m)膠囊直徑(mm)適用鉆孔(mm)連接方式MWYZIII1.72486065中間直桿，夕卜護管連接MWYZIV1.52607075全部護管連接1.1.3測點布置為了最大限度反應(yīng)原始狀態(tài)下的瓦斯壓力，選擇測壓地點時可參考以下原則：1）目標(biāo)煤層周圍無采空區(qū)，盡量選取在最近幾年新開拓的巖石巷道；2）瓦斯壓力測量地點一般選擇在巖石比較完整，周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)單一的巖巷

4、中進 行；測壓鉆孔及其見煤點應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、巷道的卸壓圈和采動影響范圍， 測壓煤層周圍巖石致密完整、無破碎帶；3）煤層50m范圍內(nèi)無斷層和大的裂隙；巖層無淋水，巖柱（垂高）至少大于 10m；4）同一地點測壓應(yīng)打兩個測壓鉆孔，鉆孔口距離應(yīng)在其相互影響范圍外，其見 煤點的距離除石門測壓外應(yīng)不小于20 m。瓦斯壓力測量結(jié)果以壓力較大的一個為 準(zhǔn)；5）選擇瓦斯壓力測定地點應(yīng)保證有足夠的封孔深度。一般的巖巷打鉆，鉆孔深 度不宜小于10m；6）應(yīng)盡可能地選擇施工仰角測壓孔，避免俯角和水平鉆孔，同一地點測壓應(yīng)打 兩個測壓鉆孔；7）如果選取順煤層施工測壓孔，鉆孔長度不小于40m,選取構(gòu)造簡單有利于施 工

5、的最新開掘的煤巷。1.1.4測試步驟及方法具體測試過程如下：1） 鉆機隊在指定地點打鉆，鉆頭采用直徑為75mm，記錄見煤時間后，繼續(xù)鉆進，同時測壓技術(shù)人員準(zhǔn)備瓦斯壓力測定設(shè)備，配置壓力粘液和乳化液，同時連接部分管線，準(zhǔn)備測壓儀安裝工具；2）煤層鉆進3.8m停止鉆進，退出鉆桿，準(zhǔn)備安裝測壓儀，記錄鉆孔具體參 數(shù)見表1.2；表1.2鉆孔參數(shù)表鉆孔編號測壓鉆孔參數(shù)土寸孔長度（m）巖孔長煤孔長度（m）瓦斯室長度（m）夾角（0）傾角（0長度（m）度(m)3）測壓技術(shù)人員首先送入鉆孔第一膠囊，然后連接開槽的連接管和2根尼龍 壓力管（首先將輸送膠囊液和測瓦斯用的尼龍壓力管放入連接管中），第一膠囊和連接管送入

6、鉆孔，連接管伸出鉆孔約 30cm，連接第二膠囊，送進鉆孔，最后 連接并送入鉆孔2根長2m的外接護管（首先將輸送膠囊液、輸送壓力粘液、測 瓦斯用的尼龍壓力管放入外接護管中），護管伸出鉆孔約25cm,利用鐵絲將外露 護管固定在水管上，測壓儀封孔段和外接護管安裝完成。4）分別將輸送膠囊液、輸送壓力粘液、測瓦斯用的尼龍壓力管連接手動液 壓泵、壓力粘液管和液壓泵、三通閥門。5）利用手動液壓泵向膠囊中注入乳化液，加壓至 1.5MPa,用力拉護管，未拉動，說明膠囊已充分膨脹，繼續(xù)加壓，最終壓力達到5.2MPa；6） 利用手動液壓泵輸送乳化液壓粘液罐里的壓力粘液（膨潤土 +水，1: 7） 進入鉆孔兩根膠囊之間

7、的封孔段，在粘液罐里乳化液和壓力粘液有明顯的分層，通過稱重確定罐內(nèi)粘液是否輸送完， 及時罐內(nèi)補充粘液；最終孔內(nèi)壓力粘液壓力 達到1.7MPa （必須大于預(yù)計測定煤層瓦斯壓力）。7） 利用壓風(fēng)進行補氣，補氣壓力約 0.7 MPa （表壓），補氣約50分鐘，停 止補氣，壓力降為0.45MPa，觀測30分鐘，壓力基本穩(wěn)定在0.45MPa。8）將手動液壓泵、壓力粘液罐、各種管線等布置在合理的位置，并用鐵絲 將外露護管掛上警示牌，測壓技術(shù)人員及礦上相關(guān)人員離開測壓位置。1.2瓦斯含量測定瓦斯含量測定有直接法和間接法，本次測定采用直接法。直接法測定煤層瓦 斯含量，即利用煤層鉆孔采集原始煤體煤芯，用解吸法直

8、接測定煤層原始瓦斯解 吸量。該方法測定煤層瓦斯含量的原理是：根據(jù)煤樣瓦斯解吸量、解吸規(guī)律推算 煤樣從采集開始至裝罐解吸測定前的損失瓦斯量，再利用解吸測定后煤樣中殘存 瓦斯量計算煤層瓦斯含量。其測定步驟如下：1）在新暴露的采掘工作面煤壁上，用煤電鉆垂直煤壁打一個42mm孔深8m以上的鉆孔，當(dāng)鉆孔鉆至8m時開始取樣，并記錄采樣開始時間ti ；2）將采集的新鮮煤樣裝罐并記錄煤樣裝罐后開始解吸測定的時間t2,用FHJ-2型瓦斯解吸速度測定儀（圖1.1）測定不同時間t下的煤樣累積瓦斯解吸總 量Vi，瓦斯解吸速度測定一般為30min,解吸測定停止后擰緊煤樣罐以保證不 漏氣，送實驗室測定煤樣殘存瓦斯量。圖1

9、.1瓦斯解吸速度測定儀與密封罐示意圖1量管 2吸氣球3溫度計 4水槽5螺旋夾6彈簧夾7排水管 8排氣膠管 916號胸骨穿刺針頭10密封罐11壓緊螺帽3）損失量計算將不同解吸時間下測得數(shù)據(jù)按下式換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積V oi:V _273.2（P0-9.81hw - PS"0i 一 1.013 105（273 tw）（1-1）式中 V0i算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的解吸瓦斯體積，ml ；Vi不同時間解吸瓦斯測定值，ml ；Po大氣壓力，Pa；hw量管內(nèi)水柱高度，mm；Ps hw下飽和水蒸汽壓力，Pa；tw 量管內(nèi)水溫，°C。煤樣解吸測定前的暴露時間為to, to=t2-tl；不同時間t下

10、測定的Voi值所對應(yīng) 的煤樣實際解吸時間為to+t;用繪圖軟件繪制全部測點(to+t)°5, Voi，將測點的 直線關(guān)系段延長與縱坐標(biāo)軸相交，直線在縱坐標(biāo)軸上的截距即為瓦斯損失量。4) 將解吸測定后的煤樣連同煤樣罐送實驗室測定其殘存瓦斯量、水分、灰分 等；5) 根據(jù)煤樣損失瓦斯量、解吸瓦斯量及殘存瓦斯量和煤中可燃質(zhì)重量，即可 求出煤樣的瓦斯含量：X=(Vo+Vi+V2)/Go( 1-2)式中：Vo標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣瓦斯解吸量，ml ；Vi 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣損失瓦斯量，ml ；V2標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣殘存瓦斯量，ml ；Go煤樣可燃質(zhì)重量，g；X煤樣瓦斯含量，ml/g。1.3透氣性系數(shù)煤層透氣性表

11、征煤層對瓦斯流動的阻力，它反映著瓦斯沿煤層流動的難易程 度，通常用透氣性系數(shù)表示。原始煤層的滲透性往往是很低的， 瓦斯在煤層的中 的流速也很小，流動狀態(tài)屬于層流運動，即瓦斯流動速度與壓力梯度成正比，一 般符合達西定律，與煤的滲透性成正比，一般用下式表示：k dp(1-3)v =卩dx式中：v為瓦斯流動速度，cm/s； k為煤的滲透率，cm2；為瓦斯的絕對粘8度，1.08 X0" Pas； dp為在dx內(nèi)的壓差，MPa； dx為與瓦斯流動方向一致的某 一極小長度，cm。如果把流速v變成為壓力1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度相當(dāng)于煤體溫度條件下的瓦 斯流量，即：k p dp _ k dP dp(1-

12、4)=扎J Pn dx 2"pn dx dx式中：q為比流量，即在1m2煤面上1d通過的瓦斯量，m3/m2； Pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為透氣性系數(shù)，,m2/(MPa2d)。2旳我國煤層的透氣性系數(shù)常用的單位為 m2/(MPa2d)，其物理意義是在1m長 的煤體上，當(dāng)壓力平方差為1 MPa2時，通過1 m2煤層斷面，每日流過的瓦斯量 m3。1 m2/(MPa2 d)相當(dāng)于0.025mD (毫達西)。研究表明：實驗室測定煤樣的滲 透性不能代表地下煤層的透氣性能。表1.3徑向不穩(wěn)定流動參數(shù)計算公式流量準(zhǔn)數(shù)丫時間準(zhǔn)數(shù)Fo =系數(shù)a指數(shù)b煤層透氣性系數(shù)k常數(shù)A常數(shù)Bb A 丫 =aF° -

13、210211-0.381 A1.%164A-q1.1.5 BTP。1101-0.281x = a1.39b2.56101020.93-0.201& =1.1A1251021030.588-0.121人=1.83人.1忻A 2 2 P0 - P1B 2 a11031050.512-0.101& = 2.1A1.11B?1051070.344-0.0651人=3.14A1.07B而式中：丫為流量準(zhǔn)數(shù)，無因次；Fo為時間準(zhǔn)數(shù)，無因次；a、b為系數(shù)與指 數(shù)，無因次；po為煤層原始絕對壓力，MPa ； p1為鉆孔排瓦斯時的瓦斯壓力， 一般為0.1MPa ； n為鉆孔半徑，m ; 為煤層透

14、氣性系數(shù)m2/(MPa2 d)； q在排 放瓦斯為t時鉆孔煤壁單位面積瓦斯涌出量，m3/m2d ； q ； Q為在時2町丄間為t時鉆孔流量，m3/d ； L為煤孔長度，m ;t為從開始排放瓦斯到測量瓦斯1流量q時的時間間隔，d ；:-為瓦斯含量系數(shù)，m3/(t MPa2)。計算過程為：先計算A、B,然后任選一個F值，根據(jù)其相應(yīng)的公式計算.最后根據(jù)、B計算F。若F值在原定范圍內(nèi)，則即是煤層透氣性系數(shù)，否則重 新進行計算。1）現(xiàn)場測定煤層瓦斯透氣性系數(shù)的步驟：按照上述計算過程主要在現(xiàn)場需要測定鉆孔的瓦斯流量，按照如下步驟進行 鉆孔瓦斯流量的測定：（1）打鉆測定煤層瓦斯壓力。在石門或圍巖巷道向煤層打

15、測壓鉆孔，鉆孔 應(yīng)該打穿煤層全厚。打鉆過程中，記錄鉆孔見煤或穿透煤層的時間， 取這兩個時 間的平均值作為鉆孔開始排放瓦斯的起始時間。 打鉆完成后清洗鉆孔，封孔測壓。 封孔要求嚴密不漏氣，巖孔封孔長度不小于 3m。當(dāng)壓力表讀數(shù)上升至穩(wěn)定的最 高位時，即為煤層原始瓦斯壓力值。（2）卸壓測定鉆孔瓦斯流量。測定完成瓦斯壓力后，將煤氣表或浮子流量計按照下圖與測壓管路連接，然后打開閥門，測定鉆孔瓦斯流量，每天測試一次。 測量計算出的透氣性系數(shù)是流動場煤層透氣性系數(shù)的平均值。（3）測定煤的瓦斯含量系數(shù)。煤層的瓦斯含量系數(shù)一般是在實驗室通過吸 附試驗確定的。（4）計算煤層透氣性系數(shù)。依據(jù)測定數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)場測定

16、煤層透氣性系數(shù) 的計算公式進行透氣性系數(shù)的計算。2）現(xiàn)場測定透氣性系數(shù)的注意事項（1）打鉆時要注意有無噴孔，如有噴孔應(yīng)測定噴出煤量，然后折合計算孔 徑。（2）測定鉆孔瓦斯流量時，可在不同時間多測幾個瓦斯流量值，以便分析 距鉆孔不同距離媒體透氣性的變換規(guī)律。（3）在卸壓后到測定流量時間長時，鉆孔見煤長度可不取實測值，而取煤 厚值；如時間短，可取鉆孔見煤長度 L;（4）計算透氣性系數(shù)時，若排放瓦斯時間小于 1天，則先選用F=110進 行試算；若排放瓦斯時間大于1天，則先選用F= 102103進行試算。1.4鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)測算方法：選擇具有代表性的地區(qū)打鉆孔，先測定其初始瓦斯流量:_,經(jīng) 過時

17、間t后，在測瓦斯流量，用下式計算：疔（1-5）q、鉆孔初始瓦斯流量，m3/min ；Q鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1 ；t時間，d;百米鉆孔瓦斯流量，m3/（min hm）。上式可用于計算鉆孔瓦斯涌出衰減和鉆孔的初始瓦斯流量。1.5吸附常數(shù)1）煤樣制備取煤樣1000g粉碎，過6080目標(biāo)準(zhǔn)篩，取0.200.25mm間的顆粒煤裝滿 煤樣罐，放好密封圈、墊，密封煤樣，并力爭在短時間內(nèi)完成。2）實驗裝置實驗采用煤科院重慶分院的高容量吸附常數(shù)測定儀，吸附儀其結(jié)構(gòu)及工作原理見示意圖1.2圖1.2試驗裝置系統(tǒng)圖瓦斯膠囊3）實驗原理煤樣吸附等溫線的測定，首先打開罐閥和真空抽氣閥，關(guān)閉高壓充氣閥和放 氣閥，設(shè)定

18、水浴溫度為60C± C,開啟真空泵，進行長時間脫氣，直到真空計顯 示壓力為4 Pa時，關(guān)閉真空抽氣閥和各罐閥。設(shè)定恒溫水浴溫度為實驗溫度 （30°C ± °C ）。擰開高純甲烷閥門和充氣罐閥門，使高壓甲烷氣進入充氣罐及連通 管，關(guān)閉充氣罐閥門，讀出充氣罐壓力值 Pi。讀出Ri后，緩慢打開煤樣罐閥門， 使充氣罐中甲烷氣進入吸附罐，待罐內(nèi)壓力達到設(shè)定壓力時（一般在實驗壓力范圍內(nèi)設(shè)定測N二6個壓力間隔點數(shù)，每點約為最高壓力的l/n），立即關(guān)閉罐閥門, 讀出充氣罐壓力P>i、室溫ti 按式（1-6）計算充入吸附罐內(nèi)的甲烷量 Qci。PiZiiBi、273.

19、2 Vo)Z2/ (273.2 ti) 0.101325(1-6)式中：Qci為第i次充入煤樣罐的甲烷標(biāo)準(zhǔn)體積，cm3 ; Ri、F2i為第i次向煤樣罐充氣前后的充氣罐內(nèi)的絕對壓力，MPa ;乙Z2i為對應(yīng)于Ri、P2i和t1下的 甲烷的壓縮系數(shù)，MPa-1，可查表求得；t1為室內(nèi)溫度，C； V0為充氣罐及連通管標(biāo)準(zhǔn)體積，cm3。煤樣罐等溫吸附8小時后，將達到吸附平衡，讀出平衡壓力P。按照式（1-7）計算出吸附罐內(nèi)死空間游離甲烷量QdiQdi273.2 漢 Vd 漢 PZi (273.2 t3)0.101325(1-7)式中：Qdi為煤樣罐內(nèi)死空間的游離甲烷量，cm3; Vd為煤樣罐內(nèi)除煤實體

20、外的全部剩余體積，cm3 ; P為吸附平衡時的壓力，MPa;乙為對應(yīng)于Pi和t3下甲烷的壓縮系數(shù)，MPa-1; t3為實驗溫度，C；煤樣罐死空間體積（Vd ），也叫煤樣罐剩余體積，是指煤樣罐中除純煤體積 外包括煤顆粒內(nèi)孔隙、顆粒間空隙、吸附罐殘余空間和實驗儀器通徑體積的總和。其測定方法主要有兩種，即直接法和間接法。所謂直接法是指在一定的溫度和壓 力下，選用一種吸附量可以忽略的氣體（通常為氦氣），通過氣體膨脹來探測煤 樣罐的剩余體積，該方法實際上是用氦氣的體積表示煤樣罐自由空間的體積。直接法確定自由空間體積的方法，雖然存在一定的爭議，但仍然是許多文獻推薦使 用的方法。所謂間接法是根據(jù)煤樣真相對密

21、度和質(zhì)量計算出煤樣罐中煤樣的體 積，用煤樣罐的空罐體積減去煤樣體積得到自由空間體積，計算公式如式（1-8）。由于實驗室尚無氦氣，本次實驗關(guān)于煤樣罐自由空間體積的確定均采用間接法。Vd =Vs-V廠 Vs-G/TRD20（ 1-8）式中：Vd為煤樣罐自由空間體積，cm3 ； Vs為煤樣罐的容積，cm3 ； TRD2q為煤樣的真相對密度，g/cm3 ； G為煤樣罐中的煤樣質(zhì)量，g。充入吸附罐的甲烷量扣除吸附罐內(nèi)剩余體積放出的游離甲烷量即為壓力段內(nèi)煤 樣吸附甲烷量=Qi，按照式（1-9）計算。(1-9)Qi = Qci 一 Qd單位重量可燃物吸附的甲烷量 Xi按照式（1-10）計算。Gr(1-10)式中：Qi為煤樣吸附甲烷量，cm3 ； Gr為煤樣品可燃物質(zhì)量，g依次重復(fù)上述步驟，逐步增高實驗壓力，可以測得6個Qci、Qdi > Qi及Xi。由于充氣罐向煤樣罐充氣為逐次充入的單值量，而充入煤樣罐的總氣量是各單值 量的累計量故逐次按式（1-11）計算時，充入吸附罐的總氣量 Qci應(yīng)是：nQ。八 Qci（ 1-11）i T同時，隨實驗壓力的增高，達 0.5MPa以上后，吸附平衡時間應(yīng)改為 4 h。 按逐次測得的P及Xi作圖，即為Langmuir吸附等溫線，將（P、Xi ）代入式（1-12）， 用