瓦斯参数测定方法.ppt

5 瓦斯参数测试方法,5.1 有关煤层瓦斯的几个概念5.2 煤层瓦斯含量测定5.3 煤层瓦斯压力测定5.4 瓦斯放散初速度测定5.5 煤的坚固性系数f值测定5.6 煤层透气性系数测定,5 瓦斯参数测试方法,煤层原始瓦斯压力煤层残存瓦斯压力煤层原始瓦斯含量煤层残存瓦斯含量煤的瓦斯容量瓦斯浓度矿井相对、绝对瓦斯涌出量瓦斯放散初速度煤的坚固性系数,5.1 有关煤层瓦斯的几个概念,5 瓦斯参数测试方法,煤层原始瓦斯含量 当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（0，0.1MPa）的瓦斯体积称之为煤层原始瓦斯含量，它常用m3/t和cm3/g作计量单位。煤层残存瓦斯含量 当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量。,5 瓦斯参数测试方法,煤层原始瓦斯压力 当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力，其物理单位为MPa（兆帕）。煤层残存瓦斯压力 当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，此时煤层中残留瓦斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为MPa。煤层的残存瓦斯压力总小于原始瓦斯压力。,5 瓦斯参数测试方法,煤的可解吸瓦斯含量 煤自原始瓦斯含量与0.1 MPa瓦斯压力下的煤层残存瓦斯含量之差称之为煤的可解吸瓦斯含量，其物理单位为m3/t或cm3/g。煤的可解吸瓦斯含量大致代表单位重量的煤在开采过程中在井下可能涌出的瓦斯量。煤的瓦斯容量 当煤中瓦斯压力无限升高时，单位重量煤所能吸附的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤的瓦斯容量。瓦斯容量与煤的变质程度有关，从褐煤到无烟煤，随着煤的变质程度的升高，瓦斯容量也随着加大。瓦斯容量实际上是煤对瓦斯的极限吸附量。,5 瓦斯参数测试方法,瓦斯浓度 单位体积空气中所含有的瓦斯体积的体积百分数称之为瓦斯浓度，常用%作单位，我们常说的瓦斯浓度为1%表示的是井下每1m3大气中含有0.01m3的瓦斯。矿井相对瓦斯涌出量矿井绝对瓦斯涌出量,A)用于民用（甲烷浓度在30%-80%）仅限于高浓度瓦斯的应用，但由于我国大部分煤矿地处偏远，利用起来存在非常大的的局限性。B)工业瓦斯锅炉（甲烷浓度在30%-80%）。该种方式采用的燃料的直接燃烧，燃料的利用效率相对较低，且适合于离城市相对较近的煤矿。C)瓦斯发电（甲烷浓度在4%）投资低，建设周期短，就地消化，就地应用或远距离输送，规模可大可小，灵活方便。D)地面抽采，做LNG或CNG（甲烷浓度80%）起步阶段，目前仅有中石油、中联煤两家公司正在开展该方面的研发。E)氧化销毁甲烷浓度1%，目前仅有几个示范项目，主要是风排。,5 瓦斯参数测试方法,瓦斯放散初速度(p)它是一个假定指标，表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的一个指标，无量纲。煤的坚固性系数(f)反映煤体破坏程度的一个指标，无量纲。,5 瓦斯参数测试方法,5.2 煤层瓦斯含量测定 5.2.1 煤层瓦斯含量测定方法分类,1.根据应用范围：地质勘探钻孔中应用方法 煤矿井下应用方法2.根据方法特点：直接测定法 间接测定方法,直接测定法比较简单，直接从煤、岩试样中抽出瓦斯，测定其成分和瓦斯含量。,比较复杂，先测定孔隙率、a、b值，煤的工业分析，再计算瓦斯含量。,5 瓦斯参数测试方法,5.2.2 煤层瓦斯含量直接测定方法 1.煤的残存瓦斯含量测定方法,(1)取样。采取新鲜煤芯或碎煤约200g，装入特制密封容器（真空罐）中加以密封。(2)试验室脱气与气体分析。试样送到试验室后常温脱气，之后加热至95进行真空脱气，抽出气体进行色谱分析。,5 瓦斯参数测试方法,5 瓦斯参数测试方法,(3)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。(4)粉碎后脱气与气体分析。将装有已粉碎煤样的密封球磨罐进行加热和真空脱气，方法同步骤（2），直到基本上无气体解吸为止。(5)煤样称重与工业分析。(6)煤中残存瓦斯量计算。根据2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、煤样重量和煤质分析结果，就很容易算出单位重量煤（或可燃质）中含有的瓦斯量，即煤的残存瓦斯含量。,5 瓦斯参数测试方法,2.地勘期间煤层瓦斯含量测定方法(解吸法)解吸法：,解吸法是把钻孔专用仪器采样改为用普通岩芯管在孔底取煤芯，利用密封罐在煤芯提升到孔口时采样。这样做的结果，既减少了钻孔采样的困难，又不影响正常钻进。该法自1973年起在美国得到了广泛的应用，抚顺分院在1978-1981年期间在我国一些煤田进行了工业试验，完善了测定中所用的成套仪器和工具，已使之标准化。,5 瓦斯参数测试方法,测定步聚：,(1)采样。用普通煤芯管采取煤芯，当煤芯升到地表之后，选取煤样约300400g，立即放进密封罐中密封，在采样过程中，测定提升煤芯和煤样在空气中的暴露时间。,(2)瓦斯解吸规律测定。测定进行2h后，把煤样送到试验室进行脱气和气体分析。,解吸速度测定仪,(3)损失瓦斯量计算。煤样解吸测定前损失的瓦斯量取决于煤芯在孔内和空气中的暴露时间和煤样瓦斯解吸规律。,5 瓦斯参数测试方法,5 瓦斯参数测试方法,试验和理论分析结果表明，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例，即：,式中 Vz煤样自暴露时起到解吸测定进行时间为t时的瓦斯总解吸体积，ml；t0煤样在解吸测定前的暴露时间，min；t1提钻时间，据经验煤样在钻孔的暴露时间取为，min；t2解吸测定前煤样在地面的暴露时间，min；t煤样解吸测定的时间，min；k比例常数，。,5 瓦斯参数测试方法,解吸实验测出的瓦斯解吸量V仅为煤样总解吸量Vz的一部分，仅是t0到t那部分解吸量，解吸测定前煤样在暴露时间t0时已损失的瓦斯量 由此 从现场应用该法的来看，损失瓦量量占煤样总瓦斯量的10%50%。应尽量减少煤样的暴露时间，尽量选取较大粒度的煤样，以减小瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。,5 瓦斯参数测试方法,(5)瓦斯含量计算。,(4)试验室煤样脱气及气体成分分析。经过解吸测定结束后的煤样，在密封状态下应尽快送到试验室进行加热（95）真空脱气，脱气完后将煤样粉碎，再进行一次脱气，最后进行气体组分分析。脱气、粉碎和气体分析方法与测残存瓦斯含量时相同。,X0煤样的原始瓦斯含量，ml/g;V1煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯体积，ml；V2计算出的瓦斯损失量，ml；V3煤样粉碎前的脱出量，ml；V4煤样粉碎后的脱出量，ml；G煤样重量，g；,5 瓦斯参数测试方法,3.井下煤层瓦斯含量测定方法钻屑解吸法(A)钻屑解吸法(A)：,抚顺分院在19801981年期间，研究提出了钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。与在地勘钻孔中应用相比，该法在井下煤层钻孔应用的明显优点：一是煤样暴露时间短，一般为35min，且易准确进行测定；二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和泥浆压力的影响。,5 瓦斯参数测试方法,煤样解吸随时间变化规律,式中 q-在解析时间为t时煤样的解析瓦斯速度，ml/g.min q1-t=1min时煤样瓦斯解析速度，ml/gmin；k-解析速度随时间的衰减系数；,在解析时间为t时累计的解析瓦斯量为：,钻孔见煤至煤样测定解吸这段时间t0，损失的瓦斯量为：,式中 Q2-煤样瓦斯损失量，ml/g；t0-煤样解吸前的暴露时间，min。,当k1时，无解，只适用于k1的情况。,现场解吸瓦斯量、残存量计算与地勘解吸计算方法相同。,5 瓦斯参数测试方法,4.井下煤层瓦斯含量测定方法钻屑解吸法(B),中国矿业大学的俞启香教授提出了一种新的钻屑解吸法，简称钻屑解吸法(B)。和钻屑解吸法(A)相比，钻屑解吸法(B)只是对取样时的钻屑损失瓦斯量计算作了改进，改进后的方法适应于所有煤层，无论突出煤还是非突出煤，也无论煤样粒度。,损失量计算公式：,式中r0钻屑开始解吸瓦斯时的解吸瓦斯速度；k常数；t1煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。,5 瓦斯参数测试方法,5.井下煤层瓦斯含量测定方法钻屑解吸法(C),无论是钻屑解吸法A或B，均要计算取样损失量、残存量这些测定在需要在专门的实验室完成，因此测定周期长。为了实现井下煤层瓦斯含量快速测定，抚顺分院在19931995年期间提出了一种新的钻屑解吸法钻屑解吸法(C)，研制了WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。,计算公式：,式中X煤层瓦斯含量，ml/g；ab反映X与V1间特性常数，不同煤层值不同；V1煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。,5 瓦斯参数测试方法,WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪测量的瓦斯参数,Kt煤样瓦斯解吸速度衰减系数，煤层瓦斯突出危险性重要指标之一；K1煤屋瓦斯突出危险性重要指标之一，cm3/g.min；V1单位重量煤样暴露第一分钟的瓦斯解吸速度，与煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力有直接关系，cm3/g.min;Q2瓦斯解吸速度衰减系数；W煤层瓦斯含量预测值，cm3/g;P煤层瓦斯压力预测值，MPa;R相关系数，反映测定结果的可靠性。,5 瓦斯参数测试方法,6.煤层可解吸瓦斯含量测定,原理是根据煤的瓦斯解吸规律来补偿采样过程中损失的瓦斯量。煤的可解吸瓦斯含量等于煤的原始含量与0.1MPa瓦斯压力下煤的残存瓦斯含量之差，它的实际意义大致代表煤在开采过程中在井下可能泄出的瓦斯量。,测定步聚(1)采样。用手持式压风钻机垂直于新鲜暴露煤壁面打直径约42mm、深1215m的钻孔，每隔2m取两个煤样，打钻时使用中空螺旋钻，1-2mm粒度，记录取样时间t1。,负压取样器,5 瓦斯参数测试方法,(2)瓦斯解吸量测定。测定经过相同时间t1的瓦斯解吸量q1,(3)送样过程中瓦斯解吸量。将煤样从样品管中取出装入容积为0.5L或1L的塑料瓶，同时测定并记下测定地点空气中的瓦斯浓度C0；样品送到试验室后开瓶前再一次测定瓶中的瓦斯浓度C。,(4)煤样粉碎过程和粉碎后解吸的瓦斯量。打开煤样瓶称煤样重量，并迅速放入密封粉碎罐中磨2030min，同时收集粉碎过程中泄出的瓦斯，直至无气泡泄出为止，记录泄出瓦斯体积Q3。,皂膜流量计,5 瓦斯参数测试方法,(5)可解吸瓦斯量计算。,从煤体钻取煤样到煤样装入塑料瓶这段时间煤样所泄出的瓦斯量Q1。它包括煤样暴露时间为t1时的损失瓦斯量和时间从t1到2t1实测的解吸量q。,煤样在塑料瓶中在运送期间泄出的瓦斯量Q2,煤样粉碎过程中和粉碎后释放的瓦斯量Q3直接测定得出,5 瓦斯参数测试方法,瓦斯含量测定步骤：（1）采样及瓦斯解吸速度测定。（2）损失瓦斯量的计算。（3）残存瓦斯含量测定：煤样粉碎前脱气及气体分析。煤样粉碎后脱气及气体分析。煤的工业分析。（4）结果计算。,5 瓦斯参数测试方法,5.2.3 煤层瓦斯含量间接测定方法 1.根据瓦斯压力和煤吸附等温曲线确定瓦斯含量,式中 X纯煤（煤中可燃质）的瓦斯含量，m3/t；p煤层瓦斯压力，MPa；a吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；b吸附常数，MPa-1；ts试验室作吸附试验的温度，；t井下煤体温度，；Mad煤中水分含量，%；,(可燃质),n系数，按下式确定：K-煤的孔隙容积，m3/t；k-甲烷压缩系数。,5 瓦斯参数测试方法,甲烷压缩系数k,5 瓦斯参数测试方法,原煤瓦斯含量,式中X0原煤瓦斯含量，m3/t；X 可燃基瓦斯含量，m3/t；Aad煤中灰分含量，%；Mad煤中水分含量，%。,5 瓦斯参数测试方法,2.含量系数法 中国矿业大学周世宁提出：,式中X煤层瓦斯含量，m3/t；p煤层瓦斯压力，MPa；煤的瓦斯含量系数，,5 瓦斯参数测试方法,测定步聚：,(1)在掘进巷道的新鲜暴露煤面，用煤电钻打眼采煤样，煤样粒度为0.10.2mm，重量为6075g，装入密封罐。(2)用井下钻孔自然涌出的瓦斯作为瓦斯源，用特制的高压打气筒，将钻孔涌出的瓦斯打入密封罐内。为了排除气筒和罐内残存的空气，应先用瓦斯清洗气筒和煤样罐数次，然后向煤样正式注入瓦斯。特制打气筒打气最高压力达2.5MPa时，即可满足测定含量系数的要求。(3)煤样罐充气达2.5MPa时，即关闭罐的阀门，然后送入试验室在简易测定装置上测定调至不同平衡瓦斯压力下煤样所解吸出的瓦斯量。最后按式求出平均的煤的瓦斯含量系数值。,5 瓦斯参数测试方法,3.根据煤残存瓦斯量推算煤层瓦斯含量 波兰提出：,在正常作业的掘进工作面，在煤壁暴露30min后，从煤层顶部和底部各取一个煤样，装入密封罐，送入试验室测定煤的残存瓦斯含量。如工作面煤壁暴露时间已超过30min，则采样时应把工作面煤壁清除0.20.3m深，再采煤样。,(1)当实测煤的残存量小于3m3/t。,(2)当实测煤的残存量大于3m3/t。,X0纯煤原始瓦斯含量，m3/t；Xc实测煤的残存瓦斯含量，m3/t。,5 瓦斯参数测试方法,5.3 煤层瓦斯压力测定,瓦斯压力：煤层中瓦斯所具有的气体压力(游离瓦斯)，p，单位MPa或kgf/cm2。测定方法,1.直接测定法被动测压法主动测压法,上行孔下行孔平行孔,当煤的孔隙率相同时，游离瓦斯量与瓦斯压力成正比。,当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤的吸附瓦斯量越大。,5 瓦斯参数测试方法,几种封孔方法,5 瓦斯参数测试方法,填料封孔法,打完钻孔后，先用水清洗钻孔,再向孔内放置带有压力表接头的测压管，管径约为6-8mm，长度不小于6m，最后用充填材料封孔。,5 瓦斯参数测试方法,几种封孔方法,5 瓦斯参数测试方法,封孔器封孔法胶圈封孔器法,优点：简便易行，封孔器可重复使用。,缺点：封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。,5 瓦斯参数测试方法,几种封孔方法,5 瓦斯参数测试方法,几种封孔方法,5 瓦斯参数测试方法,5 瓦斯参数测试方法,5 瓦斯参数测试方法,2.间接测定法(朗格缪尔方程),间接测定法煤层瓦斯压力误差大，但井下操作简单，测定时间短。直接测压煤层瓦斯压力误差小，井下封孔困难，测定周期长。,优缺点：,5 瓦斯参数测试方法,5 瓦斯参数测试方法,3.煤层瓦斯压力分布的一般规律,10,200,400,600,800,1000,同一矿区，煤层瓦斯压力随深度的增加而增大,5 瓦斯参数测试方法,5 瓦斯参数测试方法,5.4 瓦斯放散初速度测定测定步聚,(1)采样：新鲜煤壁250g，无烟煤2-3mm，其它煤种，3.5g二个，装入杯1内。煤样上放入一个小棉花团，将装好试样的杯口涂上真空油并安在玻璃塞8上。(2)煤样脱气：打开开关10，扭转试杯的玻璃塞，使内部通路与管口4相通，开动真空泵，抽吸煤样中的瓦斯1.5h。,5 瓦斯参数测试方法,5.4 瓦斯放散初速度测定,5 瓦斯参数测试方法,5.4 瓦斯放散初速度测定,(3)煤样充气：煤样充气。扭转试杯1玻璃塞8，使内部通路与管口5相通，甲烷从瓦斯罐经气表流入试杯内，使煤在1at条件下充甲烷1.5h。(4)测定瓦斯放散初速度 关闭试样瓶和甲烷瓶阀门，使试样瓶与甲烷瓶隔离；开动真空泵对仪器管道死空间进行脱气，使U型管汞真空计两端汞面相平；,5 瓦斯参数测试方法,停止真空泵，关闭仪器死空间通往真空泵的阀门，打开试样瓶的阀门，使煤样瓶与仪器被抽空的死空间相连并同时启动秒表计时，10s时关闭阀门，读出汞柱计两端汞柱差pl(mm)，45s时再打开阀门，60s时关闭阀门，再一次读出汞柱计两端差p2(mm)。(5)瓦斯放散初速度计算：瓦斯放散初速度指标按下式计算：同一煤样的两个试样测出p值之差不应大于1，否则需要重新进行测定。,5 瓦斯参数测试方法,5.5 煤的坚固性系数f值测定,(1)在煤层的上、下部各采集直径为100mm煤两块，重量约1.52.0kg，用塑料袋密封，作好标记送实验室。(2)将井下煤样用手工破碎成2030mm粒度的煤样，分成50g一份，每5份为一组(250g)，共需3组(750g)。(3)将每份煤样放入捣碎筒内后，把2.4kg的重锤提高到600mm高度并使之自由落体，每份煤样落锤冲击3次。(4)每组煤样捣碎后，经过筛分，把粒度为0.5mm以下的粉煤倒入计量筒内，轻轻敲打使之密实，插入具有刻度的活塞尺，量出粉煤高度(即粉末在计量桶内的实际高度，读至毫米)。,5 瓦斯参数测试方法,f 值测筒及落锤,当l 30mm 时，冲击次数n，即为3次，按以上步骤继续进行其它各组测定；当l 30mm时，第一组试样做废，每份试样冲击次数n改为5次，按以上步骤进行冲击、筛分和测量，仍以5份作为一组，测定煤粉高度。按下式计算每组煤的坚固性系数f值:,式中 f为煤的坚固性系数；n每份试样的冲击次数，次；l每组试样筛下粉煤计量高度，m；,3组煤所测f值的算术平均值即为测定地点煤样的坚固性系数。,5 瓦斯参数测试方法,5.6 煤层透气性系数测定,煤是一种多孔介质，在一定的压力梯度下，气体和液体可以在煤体中流动。煤层透气性是煤层对瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数来表示。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。煤层透气性系数在我国普遍用的单位是m2/MPa2.d。物理意义：在1米长的煤体上，当压力平方差为1 MPa2时，通过1m2煤层断面，每日流过的瓦斯立方米数。1m2/MPa2.d相当于0.025mD(毫达西)。,5 瓦斯参数测试方法,K计算公式(径向稳定流),式中 K-煤样的透气性系数，D(达西)；-在试验温度条件下，瓦斯的绝对粘度，10-3PaS；P1、P2-煤样瓦斯入口和出口端的瓦斯压力，Mpa；Pa-大气压力，0.1Mp；Q-瓦斯流量，cm3/s；L-煤样长度，cm；F-煤样断面积，cm2；,5 瓦斯参数测试方法,测定方法,(1)打钻测定煤层瓦斯压力。(2)卸压测定钻孔瓦斯流量。(3)测定煤层瓦斯含量系数。(4)煤层透气性系数计算方法(径向非稳定流)中国矿业大学在实验室用相似模拟试验方法进行试验，并以相似准数表达了试验的结果。,5 瓦斯参数测试方法,径向不稳定流计算公式,F0=10-21，=A1.61B0.61 F0=110，=A1.39B0.39 F0=10102=1.1A1.25B0.25 F0=102103，=1.83A1.14B0.137 F0=103105，=2.1A1.11B0.111 F0=105107，=3.14A1.07B0.07,P0-煤层原始绝对瓦斯压力(表压力加0.1)，MpaP1-钻孔中的瓦斯压力，一般为0.1Mpa；-煤层的透气性系数，m2/Mpa2.d；r1-钻孔半径，m；q-在排放时间为t时，钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量，m3/m2d；,X-煤的瓦斯含量，m3/m3；P-确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力，Mpa；,Q-时间t时测出的钻孔流量，m3/t；L-钻孔见煤长度，一般为煤层厚度，m；t-从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量时间，d；a-煤层瓦斯含量系数，,5 瓦斯参数测试方法,注意事项,(1)打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出的煤量，然后折合计算孔径；(2)测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变化规律；(3)卸压后到测定流量时间长时，钻孔见长度可不取实测值(如钻孔与煤层面斜交)，而取等于煤厚；如时间短，则L值可取为钻孔见煤长度。,5 瓦斯参数测试方法,5.6 其它瓦斯参数测定 1.吸附常数a.b值 井下取样，送实验室做等温吸附测定。2.孔隙率 井下采样，送实验室测定(真密度、视密度)3.煤比表面积 1g煤所拥有的表面积，井下采样，送实验室测定 4.煤的瓦斯解吸速度 吸附平衡煤样卸压后，瓦斯吸附量与时间变化关系呈幂指数关系。,