地质勘探时期煤层瓦斯含量测定方法.doc

煤矿安全新技术 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，国家有关部委和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。 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原始瓦斯含量；受采动影响，已有部分瓦斯排出而剩余在煤层中的瓦斯量称残存瓦斯含量。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 地质勘探时期煤层瓦斯含量测定方法 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的瓦斯量最小，或者采用某种方法对损失的瓦斯量加以补偿。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有如下具体步骤。 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，标明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 一钻孔深度小于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 式中 Va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； 2-1-2 t1提钻时间，据经验煤样在钻孔的暴露解吸时间取为，min； t2二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 2-1-3 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。 图2-1-1 损失量计算图 二钻孔深度大于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。通过使用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的研究结果表明，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。在其他条件相同时，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，三者之间的关系为 2-1-4 式中 A3、B3为与煤层性质有关的系数。 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用规律拟合测得数据t，Q，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δ用离差的平方来衡量；如果δ小于某一足够小的数ε，则输出提钻过程和装罐过程损失瓦斯量；如果δε，则按一定方式修正D、d及pCH4值，并重复上述程序，直至δε为止。在淮南矿业集团潘一矿和焦作市白庄矿做的实测结果对比，其推算结果的相似误差均小于15％。上述方法对浅孔与深孔同样适用，但应用时较复杂。 四、瓦斯残存量实验室测定 经过解吸测定的煤样，在密封状态下应尽快送到实验室进行粉碎前加热95℃真空脱气，脱气后将煤样粉碎，再粉碎后进行脱气，最后进行气体组分分析。脱气、粉碎和气体分析均为残存瓦斯含量测定步骤之一，得出实验室煤样粉碎前后脱出的瓦斯量V3、V4，最后将煤样称重并进行煤样工业分析，得出煤样质量。 五、煤层瓦斯含量计算 煤层瓦斯含量是上述各阶段泄出的瓦斯总体积与损失瓦斯量之和同煤样重量的比值， 即 （2-1-5） 式中 X0煤层原始瓦斯含量，mL／g或mL／gr可燃基； V1煤样解吸测定中累计解吸的瓦斯体积，mL； V2推算出的瓦斯损失量，mL； V3实验室煤样粉碎前脱出的瓦斯量，mL； V4实验室煤样粉碎后脱出的瓦斯量，mL； G煤样质量，g或煤的可燃基gr。 应当指出，各阶段放出的瓦斯体积皆应换算为标准状态下的体积进行计算。