新型煤層瓦斯含量準確測定方法研究

1、第 27卷 第 1期 2010年 03月采礦與安全工程學報Journal of Mining &Safety EngineeringVol. 27No. 1March 2010收稿日期 :2009208205基金項目 :國家重點基礎研究發(fā)展計劃 (973 項目 (2005cb221504作者簡介 :齊黎明 (19792 , 男 , 安徽省安慶市人 , 講師 , 從事礦山安全方面的研究 . E 2m ail :Q. cn T el :010261590332文章編號 :167323363(2010 0120111205新型煤層瓦斯含量準確測定方法研究齊黎明 1,2,

2、陳學習 1, 程五一 2, 馬尚權 1(1. 華北科技學院 安全工程學院 , 北京 101601; 2. 中國地質(zhì)大學 工程技術學院 , 北京 100083摘要 :為了更準確的測定煤層瓦斯含量 , 提出了新型煤層瓦斯含量測定原理 , 根據(jù)煤芯瓦斯總量 守恒 , 從理論上對取芯前的煤芯瓦斯漏失量進行分析 , 采用新型煤層瓦斯含量準確測定取芯儀器 進行取芯實驗 , 并測定瓦斯含量 . 結(jié)果表明 , 10%; 取芯儀器既能取到比較完整的煤芯 , 解吸法相比 , 低損失瓦斯量 . 因此 , 新方法的可靠性更高 . 關鍵詞 :瓦斯含量 ; 取芯 ; 中圖分類號 :Newly Met hod for Ex

3、act Measurement of Gas ContentQ I Li 2ming 1,2, C HN E Xue 2xi 1, CH EN G Wu 2yi 2, MA Shang 2quan 1(1. School of Safety Engineering , North China Institute of Science and Technology , Beijing 101601, China ;2. School of Engineering and Technology , China University of G eosciences , Beijing 100083,

4、 China Abstract :In order to exactly test t he gas content , we p ropo se t he p rinciple for t he new met hod of testing coal gas. Then , t he quantity of gas leakage before core drilling is t heoretically ana 2lyzed based on t he law of gas gross conservation in t he coal core ; Finally , by using

5、 t he t he core drilling equip ment which is a part of t he new type measurement inst rument of coal gas content , we measure t he gas content. The result s show t hat t he quantity of gas leakage account s for a 2bout 10%of coal core gas content ; t he core drilling equip ment can not only fetch a

6、quite com 2plete coal core but also achieve t he coal core wrapping wit h sealing fluid ; Compared wit h t he t raditional working face drilling yields desorption met hod , t he new met hod of coal gas content can ensure t hat t he coal cores are f rom t he f rontage of bores completely and reduce t

7、 he quantity of gas leakage effectively. Therefore , t he reliability of new met hod is much higher. K ey w ords :gas content ; core drill ; sealing 煤層瓦斯含量指單位重量的煤中所含有的瓦 斯量 , 它是煤與瓦斯突出危險性預測 、 煤層瓦斯儲 量計算及煤層瓦斯可抽采性評價等瓦斯治理工作 的基礎參數(shù)之一 125. 目前 , 瓦斯含量測定方法主要 有間接法和直接法兩種 628.間接法是根據(jù)煤層原始瓦斯壓力 、 工業(yè)分析數(shù) 據(jù)及其吸附常數(shù) , 通過朗格繆

8、爾方程和氣體狀態(tài)方 程分別求出煤層的吸附瓦斯量和游離瓦斯量 , 將兩者相加后得出煤層的瓦斯含量 . 間接法測定煤層瓦 斯含量所需數(shù)據(jù)較多 , 其中 , 關鍵在于準確測定煤 層瓦斯壓力 , 眾所周知 , 準確測定煤層瓦斯壓力非 常難 , 而且周期長 ; 因此 , 在實際煤層瓦斯含量測定 中 , 更多的是使用直接法 .直接法通過鉆孔取鉆屑 , 并篩選 13mm 的 煤樣 , 測定和計算采樣過程的損失瓦斯量 、 解吸瓦采礦與安全工程學報 第 27卷 斯量和殘存瓦斯量 , 這 3部分之和為煤層原始瓦斯 含量 . 直接法有兩個不足之處 :1 損失瓦斯量是通過補償推算得來的 , 關于 損失瓦斯量的補償計算

9、 , 有關研究人員提出了多種 補償計算公式與方法 ; 不同時間段 、 不同煤質(zhì)與不 同介質(zhì)中瓦斯解吸規(guī)律不盡相同 , 因而推算出來的 損失瓦斯量誤差較大 .2 通過打鉆取鉆屑 , 難以保證所取鉆屑來自 于鉆孔前方 ; 因為 , 打鉆過程中 , 由于鉆桿有可能晃 動 , 使得鉆孔周圍的煤體破裂 , 產(chǎn)生部分鉆屑 , 這些 鉆屑也會從鉆孔內(nèi)向外流出 .針對直接法存在的不足之處 , 國內(nèi)外對其做了 大量改進研究 ; 煤炭科學研究總院重慶分院采用雙 層取芯管通過風水聯(lián)動鉆取煤芯 , 澳大利亞與淮南 礦業(yè)集團合作 , 研究出了新型取屑技術 ,方的鉆屑從鉆桿中間流出 2., ,究 .為此 ,進行了研究 ,

10、 該技術通過直接鉆取鉆孔前方煤芯并 采用密閉液包裹進行煤層瓦斯含量測定 , 既能夠確 保煤芯來自于鉆孔前方 , 又能減少瓦斯損失 ; 而且 , 從理論上對煤芯瓦斯漏失量進行了分析 , 得出了相 應的瓦斯損失量補償計算公式 , 從而基本上解決了 直接法測定瓦斯含量技術的缺陷 .1 新型煤層瓦斯含量準確測定基本原理針對現(xiàn)有瓦斯含量測定方法均存在準確性方 面的問題 , 本研究對現(xiàn)有的直接法進行改進 , 新方 法的基本研究思路是 :先在煤層內(nèi)打一個鉆孔至預 定深度 ; 然后采用含有密閉液的取芯器獲取鉆孔前 方的煤芯 (在取芯時 , 密閉液自動流向取芯器的端 部 , 當取芯完畢 , 密閉液實現(xiàn)對煤芯的密

11、封 ; 拔出 取芯器 , 讓煤芯在自然狀態(tài)下解吸瓦斯 , 并測定解 吸量 ; 最后 , 密閉煤芯 , 帶回實驗室進一步測定煤芯 的殘存瓦斯量 .新型煤層瓦斯含量準確測定結(jié)果包括以下 3個部分 .1 取芯前的煤芯瓦斯漏失量從打完鉆孔到采用取芯器取芯大約需要 30 min , 在這段時間內(nèi) , 由于煤體里的瓦斯壓力遠高 于鉆孔內(nèi)的氣體壓力 (約 0. 1M Pa , 根據(jù)達西滲流 定律 , 煤體里的瓦斯將向鉆孔涌出 , 這些瓦斯有一 部分來源于所取煤芯 , 因此 , 在采取煤芯之前 , 已經(jīng) 有一部分瓦斯漏失 , 在此 , 這部分瓦斯用 Q 1表示 . 2 取芯過程中煤芯瓦斯解吸量在取芯過程中 ,

12、 密封液主要密封煤芯的側(cè)面及 前端 , 而后端呈自然狀態(tài) , 那么 , 煤芯里的瓦斯會在 壓力梯度的作用下從后端流向瓦斯倉 , 在此過程 中 , 煤芯瓦斯壓力降低 , 瓦斯倉氣體壓力升高 , 直到 二者趨于平衡為止 .煤芯取好后 , 采用有關儀器將瓦斯倉里的瓦斯 導出來 , 最終導出的瓦斯量即為取芯過程中煤芯瓦 斯解吸量 , 用 Q 2表示 .3 煤芯殘余瓦斯含量, .碎 , , 用用 Q 3 .根據(jù)以上分析 , 煤層瓦斯含量為取芯前的煤芯 瓦斯漏失量 、 取芯過程中煤芯瓦斯解吸量及煤芯殘 余瓦斯含量 3者之和除以所取煤芯質(zhì)量 .x =G, (1 式中 :x 為煤層瓦斯含量 , m 3/t ;

13、 G 為所取煤芯質(zhì) 量 ,t.由此可見 , 新方法與現(xiàn)有的直接法相比 , 區(qū)別 主要體現(xiàn)在兩個方面 :新方法取的是整塊煤芯 , 而 直接法取的是 13mm 的煤屑 ; 新方法采用了密 閉液對煤芯瓦斯進行封堵 , 而直接法則任由瓦斯在 自由空間內(nèi)解吸 . 因此 , 新方法的瓦斯損失量 (取芯 前的煤芯瓦斯漏失量 應該比直接法要小很多 , 該 方法的成功與否也在很大程度上取決于它的大小 . 2 鉆孔前方煤層瓦斯?jié)B流模型井下瓦斯含量測定鉆孔如圖 1所示 (假定鉆孔 前方為半球形 , 其直徑為鉆孔直徑 6. 鉆孔前方煤 體瓦斯的流場屬于球向流場 , 瓦斯含量測定過程 中 , 煤芯來源于鉆孔前方 , 因

14、此 , 瓦斯流動分析只需 考慮該部分煤體的瓦斯流動狀況 , 而不需要考慮鉆 孔周圍煤體的瓦斯流動 .圖 1 瓦斯含量測定取芯鉆孔模型Fig. 1 Core drill borehole model of gascontent mensuration211 第 1期 齊黎明等 :新型煤層瓦斯含量準確測定方法研究3 鉆孔前方煤芯瓦斯漏失分析3. 1 鉆孔前方煤體瓦斯壓力分布規(guī)律在瓦斯壓力測定鉆孔封孔之前 , 周圍的瓦斯壓 力可采用式 (2 表示 ; 同樣 , 假定鉆孔前方煤芯的瓦 斯壓力也大致服從此規(guī)律 , 即也可采用式 (2 表 示 9p =(p 1-p 0-e -b(r-a /t+p 0, (

15、2式中 :p 為鉆孔前方煤體瓦斯壓力 , M Pa ; p 1為原 始煤層瓦斯壓力 ,M Pa ; p 0為鉆孔大氣壓力 ,M Pa ; b 為一常數(shù) , min/m ; t 為瓦斯流動時間 , min ; a 為 鉆孔半徑 ,m ; r 為鉆孔前方煤體內(nèi)某點距孔壁中心 的距離 ,m. 3. 2 鉆孔前方卸壓瓦斯帶寬度分析打完取芯鉆孔后 , 此 , 吸量 . 即 , 內(nèi)的瓦斯含量 .R+a a 24r 2d r +t0B 1t B 24a 22d t =3(R +a 3-3a321, (3 式中 :R 為鉆孔前方煤體卸壓瓦斯帶寬度 ,m ; a 為瓦斯含量系數(shù) ; B 1和 B 2均為常數(shù) .

16、將式 (2 代入式 (3 , 并進行積分 ,(R 3+3Ra 2+3aR 21-2(B 2+1 t B 2+1=245b 2p 1-p 0(R +a 1-e -bR/t4+ 169-131-e -bR/t4.(4 根據(jù)式 (2 , 從理論上講 , 只有當 r 達到無窮大 時 , 瓦斯壓力才能達到原始煤層瓦斯壓力 , 但當 r =R 時 , 該點的瓦斯壓力已經(jīng)很接近原始煤層瓦斯 壓力了 , 因此(p 1-p 0-e-bR/t+p 0=A p 1, (5式中 A 為一待定系數(shù) , 它的值接近于 1.將式 (5 代入式 (4(R 3+3Ra 2+3aR 21-2(B 2+1 t B 2+1=245l

17、n (1-(p 1-p 022p 1-p 0(R +a (p 1-p 04. 5+169+13ln (1-(p 1-p 02 (p 1-p 06. 5.(6 在上式中 , p 1, p 0, a , B 1, B 2, A 均可根據(jù)瓦斯 含量測定過程的實際條件得出 , 剩下 b, R , t 這 3個 未知數(shù) , 其中 , b 為一定值 , 而 R 則隨 t 的變化而變 化 , 在實際工程應用中 , 可首先假定時間 t , 然后 , 根據(jù)將式 (6 和式 (5 依次得出 b 和 R.假定某礦瓦斯參數(shù)測定如下 :瓦斯測定鉆孔直 徑為 75mm , 分別為 1. 0Pa 和 0. 1M 18m 3

18、/(3 M 2 , B 12, A , -0. 05和 , 1所示 .表 1 不同釋放時間的卸壓瓦斯帶寬度 排放時間 t /min 110203040瓦斯排放半徑 R /m0. 1610. 3590. 4570. 5250. 578 從表 1可清楚看出 :卸壓瓦斯帶寬度隨釋放時 間的增大而增大 , 但這種增大趨勢逐漸變緩 ; 在有 限的時間內(nèi) , 卸壓瓦斯帶寬度不大 , 但仍然足以對 瓦斯含量測定的精確性構成一定影響 . 3. 3 鉆孔前方煤芯瓦斯漏失分析鉆孔所取煤芯大致為一圓柱體 , 其底部缺一半 球 , 為簡化計算 , 假定頂部剛好多出一個半球 , 具體 見圖 2. 圖 2中 , R 1為

19、煤芯長度 , a 1為煤芯半徑 .圖 2 所取煤芯示意圖Fig. 2 The sketch map of fetched coal core 所取煤芯的瓦斯損失量為 Q 1=2a (a -2-a 21 R 11-R 1+aa2a (a -2-a 21 d r =2a (a -2-a 21 R 11-2b1-p 0arctan-e -bR 1/t -2-e -bR 1/t -2ln -bR 1/t-e-bR 1/t+. (7311采礦與安全工程學報 第 27卷 根據(jù)相關參數(shù) , 可計算出不同釋放時間下 , 不 同長度煤芯的瓦斯損失情況 , 具體如表 2所示 .表 2 瓦斯損失與釋放時間及煤芯長度

20、的關系T able 2 The relation of gas leak qu antity ,排放時間 t/min 110203040煤芯長度 R 1/m1. 0Q 1/(10-3m 3 4. 8366. 7277. 6468. 2698. 744比例 /%7. 510. 511. 912. 913. 6 從表 2可清楚看出 :在取芯前 , 煤芯里已有一 部分瓦斯漏失 , 其漏失量不大 , 占煤芯瓦斯含量的 10%左右 , 且隨漏失時間的延長而增大 , 但是增大 的趨勢逐漸變緩 .4 瓦斯含量準確測定取芯實踐礦井 , 該礦為突出礦井 , 究在該礦 -, 而且在 取芯過程中 , 也基本實現(xiàn)了密

21、閉液對煤芯的包裹 , 取芯結(jié)束時取芯器入口的外形和所取得的煤芯分 別如圖 3,4所示. 圖 3 取芯器入口外形圖Fig. 3 The outline of coal core drillequipment 圖 4 所取煤芯圖Fig. 4 The map of fetched coal core5 新型煤層瓦斯含量準確測定技術應用5. 1 測定方法當鉆孔打至取芯預定位置時 , 退出鉆桿 , 并記 錄煤芯損失瓦斯解吸初始時間 ; 將取芯儀器送入鉆 孔 , 到取芯位置時 , 記下?lián)p失瓦斯解吸終止時間 , 采 取煤芯 (在取芯同時 , 密閉液自動對煤芯進行包 裹 ; 退出取芯儀器 , 打開瓦斯倉 ,

22、導出瓦斯 , 測定計 算出流量 Q 2; 取出所取煤芯 , 裝入煤樣罐 , 帶回實驗室后裝入密封的粉碎系統(tǒng)加以粉碎 , 測量解吸出 的瓦斯量 (真空下 Q 3. 5. 2 測定結(jié)果瓦斯 含 量 測 定 對 比 實 驗 地 點 在 望 峰 崗 礦 512(5 工作面運輸巷 , 分別采用新型煤層瓦斯含量 準確測定法和工作面鉆屑解吸法 .所取煤芯直徑為 42mm , 原始煤層瓦斯壓力 和鉆孔氣體壓力分別為 1. 2M Pa 和 0. 1M Pa , 瓦 斯含量系數(shù)為 11. 8m 3/(m 3 M Pa 2 , B 1, B 2, A 分別約為 80, -0. 05和 0. 99, 取芯前煤芯損失瓦

23、 斯解吸時間為 20min , 煤芯長度為 0. 5m. 將上述 (5 (7 , , 瓦斯損失量Q 11273. ml. 68, 合計 9636. 35ml. 煤芯質(zhì)量 900g , 則原煤瓦斯含量為 10. 71ml/g. 采用 工作面鉆屑解吸法測定瓦斯含量時所取煤樣質(zhì)量 為 600g , 瓦斯含量為 9. 73ml/g.為了便于對比分析 , 現(xiàn)將新型瓦斯含量準確測 定方法所測定的瓦斯量換算成 600g 煤樣條件下 的數(shù)量 , 則這兩種方法所測數(shù)據(jù)具體如表 3所示 .表 3 瓦斯含量測定結(jié)果統(tǒng)計表 測定方法 損失量 /ml 井下解吸 量 /ml 實驗室解吸量 /ml新型瓦斯含量準確測定法 8

24、48. 83578. 454996. 95工作面鉆屑解吸法 632. 34879. 593861. 20 測定方法合計 /ml 煤樣 質(zhì)量 /g瓦斯含量 /(ml g -1新型瓦斯含量準確測定法 6424. 2360010. 71工作面鉆屑解吸法5373. 136008. 96 根據(jù)表 3可知 , 與傳統(tǒng)的工作面鉆屑解吸法相 比 , 新型瓦斯含量準確測定法所測得的瓦斯含量較 高 , 并且實驗室所解吸的煤體殘存瓦斯量要遠大于前者 , 井下解吸瓦斯量相對較小 , 通過計算的損失 瓦斯量較大 . 這表明工作面鉆屑解吸法測定瓦斯含 量時有可能所取鉆屑并不完全來自于鉆孔前方或 者損失量計算公式適用性比較

25、差 . 因此 , 相比較而 言 , 新型瓦斯含量準確測定法更可靠 .6 討 論本研究雖然在新型煤層瓦斯含量準確測定方 面取得了一定進展 , 但是 , 要正真實現(xiàn)煤層瓦斯含 量準確測定 , 以下幾個方面的工作還有待進一步改 進 :1 計算取芯前的煤芯瓦斯漏失量時 , 采用了一411 第 1期 齊黎明等 :新型煤層瓦斯含量準確測定方法研究些假設 (比如瓦斯壓力的分布狀況 , 這對計算結(jié)果 會產(chǎn)生一定影響 , 因此 , 需要從理論或?qū)嵺`上對它 的計算結(jié)果作進一步修正 ;2 淮南礦業(yè)集團望峰 崗礦取芯實踐表明 , 現(xiàn)有的密閉液雖然密閉性能較 好 , 但是 , 操作過程中 , 如果黏在手上或者衣服上 ,

26、 則 , 難以清洗 , 因此 , 新方法如果要廣泛推廣 , 則需 要改善密閉的性能 , 或研發(fā)新的個人防護裝備 ;3 所取煤芯由幾段組成 , 長短不一 , 因此 , 還應提高打 鉆的工藝水平 .7 結(jié) 論1 取芯前的煤芯瓦斯漏失量約占煤芯瓦斯含 量的 10%, 且隨漏失時間的延長而增大 , 但是增大 的趨勢逐漸變緩 .2取到比較完整的煤芯 , 而且 , ,3 ,鉆孔前方 , 又能有效降低損失瓦斯量 ; 因此 , 其可靠 性更高 .參考文獻 :1 Q I Li 2ming , WAN G Y i 2bo , SON G Xiao 2yan. Study on the coal gas press

27、ure dynamic distribution law in the f ront of tunneling place J .Journal of the Southern Aferican Institute of Mining and Metallur 2 gy , 2007, 107(7 :4312433.2 胡千庭 , 鄒銀輝 , 文光才 , 等 . 瓦斯含量法預測突出危 險新技術 J. 煤炭學報 ,2007,32(3 :2762280. HU Qian 2ting , ZOU Y in 2hui , WEN Guang 2cai , etal. New technology of outburst danger prediction by gas content J .Journal of China Coal Society , 2007,32(3 :2762280.3 仇海生 , 張保泉 .