煤层瓦斯含量测定方法分类.doc

第四节 煤层瓦斯含量测定 一、煤层瓦斯含量测定方法分类 煤层瓦斯含量是煤层瓦斯主要参数之一，它是矿井进行瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出预测的重要依据参数之一。 煤层瓦斯含量测定方法根据应用范围分为地质勘探钻孔中应用的方法和煤矿井下应用的方法两大类；根据方法本身的特点，又可分为直接方法和间接方法。 直接法比较简单，应用该法时，直接从采取的煤、岩试样中抽出瓦斯，确定瓦斯成份和瓦斯含量。该法的优点是瓦斯量是直接测定的，避免了间接法测定许多参数时的测定误差；缺点是在试样采取过程中难免有部分瓦斯逸散，需要建立补偿瓦斯损失量的方法。 间接法比较复杂，它是先在井下实测或根据赋存规律推算煤层瓦斯压力，并在试验室测定煤的孔隙率、吸附等温线和煤的工业分析，然后再计算煤层瓦斯含量。该法的优点是煤样不须密封，采样方法简单，且如果已知煤层各个不同区域的瓦斯压力，则可根据吸附等温线推算各个不同区域的煤层瓦斯含量；该法的缺点是需要在井下实测煤层瓦斯压力。 二、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 测定煤的残存瓦斯含量时，可采用直接法。采用该法的测定步骤如下 （1）采样。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，利用图4－1所示的真空脱气装置，加热至95℃用真空泵抽出煤样中的气体然后用气色谱仪分析气体成份。 图41 真空脱气装置 （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，扣除混入的空气成份，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份、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。 2、地勘期间煤层瓦斯含量测定方法地勘解吸法 为了在地勘期间准确测定煤层原始瓦斯含量，必须使用专门的仪器在地质钻孔中采样，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。 我国自60年代起，在地勘钻孔中采用集气式岩芯采取器测定煤层原始瓦斯含量，但应用表明，该法测定成功率仅为50～60，近年来已逐渐被淘汰。当前我国地勘时期广泛使用解吸法测定煤层原始瓦斯含量。 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。 该法采样与真空罐法相同，只是在采样后要进行煤样瓦斯解吸规律测定，并根据解吸规律和煤样暴露时间推算损失的瓦斯量。 解吸法测定煤层原始瓦斯含量的具体步骤如下 （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300～400g，立即放进密封罐中密封，密封罐结构如图4－2所示。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 煤样装入密封罐后，在拧紧罐盖过程中，应将穿刺针头插入垫圈，以便在密封罐时能排出罐内气体。密封后，密封罐应立即与瓦斯解吸速度测定仪连接，以测定煤样解吸瓦斯量随时间的变化规律。抚顺分院研制的解吸速度测定仪如图4－3所示。 测定进行2h后，把煤样送到试验室进行脱气和气体分析。 图42 密封罐 图 43 煤芯瓦斯解吸速度测定仪 （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。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 （4－1） 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，。 显然，解吸测定测出的瓦斯解吸量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 （4－2） 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，也可用作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4－4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瓦斯量。 从现场应用该法的实践结果来看，损失 瓦斯量占煤样总瓦斯量的10～50。煤的 瓦斯含量越大，煤越粉碎，损失瓦斯量所占 比例也越大。由于该法未考虑煤芯在钻孔和 空气中解吸规律的差别，而且钻孔中煤样的 瓦斯解吸时间未准确确定，故当前瓦斯损失 量的确定仍是半经验性的近似计算，因此， 为了提高煤层瓦斯含量的测定精度，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。 （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。 图44 瓦斯损失量计算图 最后将煤样称重并进行工业分析。 5、煤层瓦斯含量计算 煤层瓦斯含量是上述各阶段放出的瓦斯总体积与损失瓦斯量之和同煤样重量的比值。即 （4－3） 式中 X0煤层原始瓦斯含量，ml/g； V1煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯体积，ml； V2推算出的瓦斯损失量，ml； V3煤样粉碎前脱出的瓦斯量，ml； V4煤样粉碎后脱出的瓦斯量，ml； G煤样重量，g。 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。 3、井下煤层瓦斯含量测定方法钻屑解吸法A 抚顺分院在1980～1981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3～5min，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。 试验表明，煤样解吸瓦斯随时间变化的规律较好地符合下式 qq1t-k（4－4） 式中 q在解吸时间为t时煤样的解吸瓦斯速度，ml/gmin； q1t1min时煤样瓦斯解吸速度，ml/gmin； k解吸速度随时间的衰减系数。 在解吸时间为t时累计的解吸瓦斯量为 （4－5） 在测定时从石门钻孔见煤时开始计时，直至开始进行煤样瓦斯解吸测定这段时间即为煤样解吸测定前的暴露时间t0，显然，瓦斯损失量为 （4－6） 式中 Q2煤样瓦斯损失量，ml/g； t0解吸测定前煤样暴露时间，min。 由式4－6可以看出，当k≥1时，无解；因此，利用幂函数规律求算瓦斯损失量仅适用于k1的场合，为此在采煤样时应尽量选取较大的粒度。 应用该法测定煤层瓦斯含量时，同样需要测定钻屑的现场解吸量Q1和试验室测出的试样粉碎前后瓦斯脱出量Q3和Q4，将Q1＋Q2＋Q3＋Q4值除以钻屑试样的重量G，即可得到煤层的瓦斯含量，有关Q1、Q3和Q4的测定方法同前。 4、井下煤层瓦斯含量测定方法钻屑解吸法B 在钻屑解吸法A中，用于推算取样损失量的公式不能用于k≥1的煤层。为了弥补这一不足，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。 钻屑解吸法B采用的取样损失量推算公式为 （4－7） 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。 至于Q1、Q3和Q4的测定，与钻屑解吸法A完全相同。 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或钻屑解吸法B，无一例外地要推算煤样在取样过程中的损失量Q2、煤样解吸测定终了后的残存瓦斯量Q3＋Q4。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，煤炭科学研究总院抚顺分院在1993～1995年期间提出了一种新的钻屑解吸法钻屑解吸法C，并以此为基础研制了WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。WP-1型瓦斯含量快速测定仪的测定依据如下 XabV1..（4－8） 式中 X煤层瓦斯含量，ml/g； V1单位重量煤样在脱离煤体1min时的瓦斯解吸速度，ml/gmin； a、b反映V1与X间的特征常数，不同煤层有不同值，需要在实验室模拟测定得到。 WP-1型瓦斯含量快速测定仪利用井下煤层钻孔采集煤屑，自动测定煤样的瓦斯解吸速度V1值和瓦斯含量X值，由于不需要测定取样损失瓦斯量和试样的残存瓦斯量,测定周期大大缩短，整个测定周期仅需15～30min，真正实现了井下煤层瓦斯含量就地快速测定。 6、煤层可解吸瓦斯含量测定 该法的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。该法首先在法国得到成功应用，现已在西欧一些国家应用。根据这种方法测定的不是煤层原始瓦斯含量，而是煤的可解吸瓦斯含量。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。采用可解吸瓦斯含量的概念后，就没有必要再把煤样在真空下进行脱气了。 应用该法进行测定的步骤如下。 （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12～15m的钻孔，每隔2m取两个煤样，打钻时使用中空螺旋钻杆。图4－5所示为带有压风引射器的取煤样装置。 图4--5 钻孔取样装置 图4--6 瓦斯解吸量测定装置 不采样时，阀门3和4关闭，阀门5打开。钻进时，压风经接头7和钻杆8的中心孔吹向孔底，将钻屑排出孔外。采煤样时，关闭阀门5，打开阀门3和4，压风经阀门4和引射器1吹出，在孔底造成负压，钻孔底部钻屑在负压作用下，瞬间经钻杆中心孔、接头7、阀门3进入煤样筒，煤样筒装有筛网，煤屑经筛选将粒度为1～2mm的煤样收集起来。取煤样10g，装入样品管中，同时记录从采样到装入样品管的时间t1（一般为1～2min）。 （2）瓦斯解吸量测定 样品管预先与瓦斯解吸仪连接，测定经过相同时间t1的瓦斯解吸量q。 解吸仪最简单的型式是如图4－6所示的皂膜流量计。测定时用秒表计时测定经t1时间皂膜移动的距离，得出瓦斯解吸量q。 （3）送样过程中的瓦斯解吸量 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20～30min，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。 （5）可解吸瓦斯量的计算 煤的可解吸瓦斯量由下列三部分组成，分别计算如下 ①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。 根据累计瓦斯解吸量与解吸时间成正比的规律，根据式（4－1）有 （4－9） （4－10） 则有 Q13.4q（4－11） ②煤样在塑料瓶中在运送期间泄出的瓦斯量Q2按下式计算 （4－12） 式中 V塑料瓶体积，ml； C0采样地点井下空气中瓦斯浓度； C煤样粉碎前装煤样的塑料瓶中的瓦斯浓度，。 ③煤样粉碎过程中和粉碎后释放的瓦斯量Q3直接测定得出。 最后按下式计算煤的可解吸瓦斯含量 （4－13） 式中 X纯煤的可解吸瓦斯含量，ml/g； m煤样重量，g； Aad煤灰分校正系数。 1.1煤灰分校正系数。 该法简单易行，井下解吸测定时间短，且采样方法能保证准确判定采样地点。对不同深度进行采样测定，能判断工作面排放带的影响范围。沿孔深实测最大而稳定的瓦斯含量即为煤层原始可解吸瓦斯含量。 三、煤层瓦斯含量间接测定方法 1、根据煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线确定煤的瓦斯含量 根据已知煤层瓦斯压力和试验室测出的煤对瓦斯吸附等温线，可用下式确定纯煤（煤中可燃质）的瓦斯含量 （4－14） 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，； n系数，按下式确定 （4－15） K煤的孔隙容积，m3/t； k甲烷的压缩系数，见表4－1。 甲烷的压缩系数k值 表4－1 压 力 （MPa） 温 度 （℃） 0 10 20 30 40 50 0.1 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 1.0 0.97 1.02 1.06 1.10 1.14 1.18 2.0 0.95 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 3.0 0.92 0.97 1.02 1.06 1.10 1.14 4.0 0.90 0.95 1.00 1.04 1.08 1.12 5.0 0.87 0.93 0.98 1.02 1.06 1.11 6.0 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 7.0 0.83 0.88 0.93 0.98 1.04 1.09 如需确定原煤瓦斯含量，则可按下式进行换算 （4－16） 式中 X0原煤瓦斯含量，m3/t； Aad煤中灰份含量，； Mad煤中水分含量，。 2、含量系数法 为了减小试验室条件和天然煤层条件的差异所带来的误差，中国矿业大学周世宁院士研究提出了井下煤层瓦斯含量测定的含量系数法，他在分析研究煤层瓦斯含量的基础上，发现煤中瓦斯含量和瓦斯压力之间的关系可以近似用下式表示 （4－17） 式中 α煤的瓦斯含量系数，； P瓦斯压力，MPa。 Mad煤中水分含量，。 煤层瓦斯含量系数在井下可直接测定得出。 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0.1～0.2mm，重量为60～75g，装入密封罐（图4－2）。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。煤样罐充气达2.0MPa以上时，即关闭罐的阀门，然后送入试验室在简易测定装置上（图4－7）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（4－17）求出平均的煤的瓦斯含量系数α值。 3、根据煤的残存瓦斯含量推算煤层瓦斯含量 根据煤的残存瓦斯含量推算煤层原始瓦斯含量是一种简单易行的方法。在波兰，该法得到较广泛应用。使用该法时，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0.2～0.3m深，再采煤样。 当实测煤的残存瓦斯含量在3m3/t可燃物以下时，按下式计算煤的原始瓦斯含量 X0＝1.33Xc（4－18） 式中 X0纯煤原始瓦斯含量，m3/t； Xc实测煤的残存瓦斯含量，m3/t。 由式看出，这时的瓦斯损失量取为定值25。 当煤的残存瓦斯含量大于3m3/t可燃物时，用下式计算煤的瓦斯含量 X0＝2.05 Xc -2.17（4－19） 在所采两煤样中，以实测较大的残存量为计算依据。 8