第一章 煤层瓦斯含量及压力测定方法.doc

第二篇 矿井瓦斯预测、抽放及局部瓦斯积聚防治技术 在我国煤矿的特大事故中，瓦斯、煤尘爆炸的次数及死亡人数均占85左右。为了防治煤矿瓦斯爆炸事故,近10多年来，国家、原煤炭部组织了多项安全技术的科研攻关。为了掌握矿井瓦斯赋存、涌出规律、消除爆炸瓦斯源、变害为利、开发利用瓦斯资源，开展了矿井瓦斯预测、瓦斯抽放及局部瓦斯积聚防治技术的攻关研究，为保障煤矿安全生产起到了积极作用。 第一章 煤层瓦斯含量及压力测定方法 煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据，是矿井通风及瓦斯抽放设计的重要参数之一。煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含瓦斯的体积。煤层未受采动影响时瓦斯含量称谓原始瓦斯含量；受采动影响，已部分排出瓦斯而剩余在煤层中的瓦斯量称谓残存瓦斯含量。在用煤层瓦斯含量预测矿井瓦斯涌出量时，运至地表的煤炭中的瓦斯含量亦简称为残存瓦斯含量。煤层瓦斯压力是用间接法计算瓦斯含量的基本参数，也是衡量煤层突出危险性的重要指标。 煤层瓦斯含量测定方法根据应用范围可分为地质勘探钻孔法和井下测定法两类。 第一节 地质勘探时期测定煤层瓦斯含量方法 为了准确测定煤层原始瓦斯含量，必须使用专门的仪器在地质勘探钻孔中采样，以保证采样过程中损失瓦斯量最小，或者采用某种方法对损失瓦斯量加以补偿。当前我国地质勘探时期广泛使用解吸法测定煤层原始瓦斯含量。该法是以测量煤中解吸的瓦斯数量和解吸强度为基础的一种测定方法。其测定煤层原始瓦斯含量的具体步骤如下 一、采样 用普通岩芯管采取煤芯（煤样），当煤芯（煤样）提升至地表之后，选取煤样300～400g，立即装入密封罐中密封。在采样过程中，标记提升煤芯（煤样）在空气中的暴露时间。 二、瓦斯解吸量测定 煤样装入密封罐后，在拧紧罐盖之前，应将穿刺针头插入垫圈，以便使密封时排出罐内气体。密封后，密封罐应立即与瓦斯解吸仪连接，以测定煤样解吸瓦斯量随时间的变化。测定2h后，得出解吸瓦斯体积V1，然后把装有煤样的密封罐送至实验室进行脱气和气体分析。 三、瓦斯损失量推算 ㈠ 钻孔深度小于500m时计算方法 煤样解吸测定前损失的瓦斯量多少取决于煤芯（煤样）在钻孔内和空气中的暴露时间和煤样瓦斯解吸规律。通过试验和理论分析得出，煤样在刚暴露的一段时间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比，即 （2-1-1-1） 式中 Vs煤样自暴露时起至进行解吸测定时间为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； （2-1-1-2） t1提钻时间，据经验煤样在钻孔的暴露解吸时间取为，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，。 显然，解吸测定测出的瓦斯解吸量V1仅为煤样总解吸量的一部分（即是从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 （2-1-1-3） 上式为直线方程式，可用最小二乘法求出常数K和V2，V2即为所求的瓦斯损失量，为简便起见，也可用做图法求算瓦斯损失量。为此，以实测累计瓦斯解吸量V为纵坐标，以为横坐标，把全部解吸观测点标绘在如图2-1-1-1所示的坐标纸上，将开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的瓦斯量。 ㈡ 钻孔深度大于500m时计算方法 现有的地勘解吸法测定煤层瓦斯含量，存在着钻孔取样深度越大，煤层瓦斯含量预测值越低的严重缺陷，其原因是所采用的取芯损失瓦斯量推算方法不科学，有局限性。通过泥浆介质中提钻过程煤芯（煤样）瓦斯解吸过程模拟测试装置研究结果表明煤芯（煤样）原始瓦斯压力、钻孔泥浆压力、提钻速度、瓦斯解吸性能、破坏类型、粒度、内在水分和泥浆温度是影响泥浆介质中提钻取芯时煤芯（煤样）瓦斯解吸过程的影响因素，其中煤芯（煤样）原始瓦斯压力、泥浆压力、提钻速度和煤破坏类型是主要影响因素。 提钻取芯过程中，只有当煤芯（煤样）瓦斯压力大于作用于煤芯（煤样）上泥浆压力时，煤中瓦斯才能解吸。泥浆介质中提钻取芯过程中，煤芯（煤样）瓦斯解吸是典型的非等压解吸过程，从开始瓦斯解吸到被提至地面的一段相当长的时间内，煤芯（煤样）中瓦斯处于增速解吸过程。解吸特性与煤在空气介质解吸特性截然不同，故不能用空气介质中煤的瓦斯解吸规律准确推算取芯过程的瓦斯损失量。 根据模拟试验结果，以菲克扩散定律为基础，推导建立了描述泥浆介质中提钻过程，煤芯（煤样）瓦斯非等压解吸过程的理论方程和数值模拟法推算取芯过程煤芯（煤样）损失瓦斯量的新方法。在其它条件相同时，提钻过程煤芯（煤样）损失瓦斯量X值随提钻速度v增加而减少，随煤层原始瓦斯压力P增大而增大，三者之间遵循 （2-1-1-4） 式中，A3、B3为煤层性质有关的系数。 图2-１-1-1 损失量计算图 数值模拟法推算取芯过程煤芯（煤样）损失瓦斯量步骤如下 1）. 用规律拟合测得（t，Q）数据，获得煤芯（煤样）瓦斯扩散系数（D）与等价平均粒度（d）得比值D/d； 2）. 将各提钻循环的提钻长度、提钻时间、泥浆比重、煤芯（煤样）装罐时间、地面瓦斯解吸数据（t，Q）、D/d，煤的瓦斯吸附常数（a、b）等原始数据录入计算机，形成一定格式的数据文件； 3）. 启用包括有泥浆介质提钻过程和取出煤芯（煤样）在空气介质中瓦斯解吸理论方程数值模拟软件，在赋予D、d及煤层原始瓦斯压力PCH4初始值的条件下（D和d用测算的值确定初值，PCH4暂按钻孔见煤深度一半所对应的泥浆压力确定初值），试算包括出现PCH4 Pmud（泥浆压力）后的提钻过程、装罐过程和地面解吸测定过程在内的煤芯（煤样）累计瓦斯解吸量，并绘制其与解吸时间的数值模拟关系曲线； 4）. 比较数值模拟关系曲线中对应于地面解吸测定时的曲线段与实测地面瓦斯解吸曲线的近似程度（用离差的平方来衡量）；如果小于某一足够小的数，则输出提钻过程和装罐过程损失瓦斯量；如果，则按一定方式修正D、d及PCH4值，并重复上述程序，直至朗格缪尔方程计算方法计算A’、B’方法。 按照上述原则，用QPC-1型仪器自动测量并计算煤层瓦斯压力和含量，并具有显示等功能。 该仪器还具有语音提示、过量程指示、电池欠压指示、故障自动诊断报警指标指示、掉电自动保护数据和电源过放电自动保护等功能。受实验室瓦斯吸附和解吸试验装置条件的限制，目前仅能得出瓦斯压力为3Mpa以下的瓦斯解吸规律和吸附常数。因此仪器目前也仅能适用于瓦斯压力为3Mpa以下的瓦斯压力和含量的测定。 （二）仪器主要技术指标 测压范围0～10kPa 测量误差150Pa 分 度 值10Pa 显示方式16位点阵式液晶显示 存储容量EPROM 16K,RAM 8K,共存储150个点的压力、含量和原始数据 键盘键数15个 语音容量1024KB 放音速率8Kbps、11Kbps和16Kbps可选 放音功率0.25W 电 源1.8Ah6镍氢蓄电池组 工作电流200mA 工作时间≮8h 环境条件温 度 0～40℃,相对湿度 95,大气压力 86kPa～110kPa 防爆型式矿用本质安全型ibI （＋150℃） 第四节 瓦斯等值线图计算机编绘方法 瓦斯等值线图包括煤层瓦斯含量、瓦斯压力及瓦斯涌出量图是煤矿瓦斯防治不可缺少的基础图件。为了提高工作效率和绘图精度，煤炭科学研究总院抚顺分院研制开发了瓦斯等值线图计算机自动编绘方法及其编图软件系统。 一、瓦斯等值线图计算机编绘原理 按采用的原理不同，计算机绘制瓦斯等值线图的方法可分为二大类矩形网格法和非规则网格法。下面介绍矩形网格法绘制瓦斯等值线图的方法。 矩形网格法就是把离散分布的瓦斯参量瓦斯含量、压力、涌出量数据点拟合成一张光滑曲面或通过插值的方法分配到预先布置的规则矩形网格节点上，然后在网格边上线性内插等值点，再按一定的判别方式连接等值点绘出等值线。 二、瓦斯等值线图计算机编绘软件系统功能 整个系统具有如下八个基本功能 1.原始数据生成。利用数据库转换与生成接口软件将数据库数据生成高级语言可识别的原始数据文件，并可对生成的数据文件进行查看与删除。 2.原始数据坐标转换。对1生成的原始数据的坐标进行坐标平移、旋转。 3.趋势面分析及优化。对目标参量进行不同次趋势模拟并根据模拟结果进行趋势结果优化。 4.屏幕图形自动绘制。将瓦斯等值线图在屏幕上显示，与3结合使用可实现趋势模拟成图优化。 5.绘图信息数据文件生成。将等值线追踪所得等值点数据、等值点间内插数据、等值线标注、边界、断层等数据形成顺序数据文件保存。 6.绘图信息数据文件转化为DXF文件。将5中生成的绘图信息数据文件转化为AUTOCAD系统可识别的DXF文件。 7.进入AUTOCAD系统绘图。进入AUTOCAD系统，将DXF文件转化成DWG实体图形，驱动绘图仪绘图。 8.退出绘图系统。自动关闭显示窗口并退出绘图系统。 三、瓦斯等值线图计算机编绘实例 ㈠ 计算机自动编绘瓦斯等值线图的实践 图2-1-4-1、图2-1-4-2分别是由计算机及绘图仪自动绘制出的焦作市方庄煤矿2-1煤瓦斯含量等值线预测图和焦作矿务局冯营煤矿2-1瓦斯涌出量等值线预测图。 图2-1-4-1 焦作市方庄煤矿2-1煤瓦斯含量等值线预测图 图2-1-4-2 焦作矿务局冯营煤矿2-1瓦斯涌出量等值线预测图 ㈡ 成图效果考察 1.绘图速度。利用计算机和绘图仪绘制一张瓦斯等值线图，依图幅的大小不同略异，一般约20～30min包括计算与绘图过程； 2.图幅质量。与手工相比，更具客观性并能消除人为误差，图面清晰美观，同时还可根据不同要求选用不同的线型、颜色来标绘图线与数字； 3.可重复性。可无限重复绘制同一图件（如忽略绘图笔磨损造成的误差），图件的重复保证度为100。 此外，各类图件可根据需要选择不同图幅大小输出；也可直接将图绘于透明胶片上，用于晒制大量的同一图件，减少绘图至成图间的描图环节。 12