瓦斯防治第2講

1、第第2講講 瓦斯賦存介質(zhì)瓦斯賦存介質(zhì)-煤的孔隙特征與吸煤的孔隙特征與吸附性能及瓦斯壓力測定附性能及瓦斯壓力測定王亞軍黑龍江科技學院安全工程學院黑龍江科技學院安全工程學院20102010年年現(xiàn)在擬就以下現(xiàn)在擬就以下3 3方面內(nèi)容進行闡述：方面內(nèi)容進行闡述：1、煤的孔隙特征、煤的孔隙特征2、煤的吸附性能、煤的吸附性能3、煤層瓦斯壓力的測定、煤層瓦斯壓力的測定主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、一、 孔隙類別孔隙類別 微孔：直徑微孔：直徑 10-1 mm，層流和紊流混合滲透區(qū)間。層流和紊流混合滲透區(qū)間。 煤中孔隙分類煤中孔隙分類滲透容積：小孔至可見孔滲透容積：小孔至可見孔孔隙體積之和?？紫扼w積之和?？偪紫扼w積：吸附

2、容積和總孔隙體積：吸附容積和滲透容積之和。滲透容積之和。中孔：直徑中孔：直徑10-4 mm10-3 mm，緩慢層流滲透區(qū)間。，緩慢層流滲透區(qū)間。大孔：直徑大孔：直徑10-3mm10-1mm，強烈的層流滲透區(qū)間。，強烈的層流滲透區(qū)間。小孔：直徑小孔：直徑10-5mm10-4mm，毛細凝結(jié)和瓦斯擴散空間。，毛細凝結(jié)和瓦斯擴散空間。課題1：煤的孔隙特性總孔隙體積總孔隙體積/ /煤體積煤體積= =孔隙率孔隙率煤的孔隙裂隙特征煤的孔隙裂隙特征1000VVVf%100)1 (100)11(100000MMMf0、%20dAdrAV0065. 0)(53. 106. 0%20dAdrAV0065. 0005

3、. 042. 1drrAVV01. 0665. 0778. 00MVVf0cm3/g011f ff 分類分類孔隙體積百分比孔隙體積百分比/%孔隙表面積百分比孔隙表面積百分比/%微微孔微微孔12.562.2微孔微孔42.235.1小孔小孔28.12.5中孔中孔17.20.2研究煤體孔隙裂隙分布狀況采用壓汞法測定煤體孔隙度、孔喉直徑；采用低溫氮法測定煤體孔隙比表面、孔體積；采用壓汞法和低溫氮法相結(jié)合的方法研究孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布及孔隙連通性。孔隙率等參數(shù)測定孔隙率等參數(shù)測定壓汞法（壓汞法（Mercury porosimetry），又稱汞孔隙率法。是測），又稱汞孔隙率法。是測定部分定部分中孔中孔和和大

4、孔大孔孔徑分布的方法?；驹硎牵瘜σ豢讖椒植嫉姆椒?。基本原理是，汞對一般固體不潤濕，欲使汞進入孔需施加外壓，外壓越大，汞般固體不潤濕，欲使汞進入孔需施加外壓，外壓越大，汞能進入的孔半徑越小。測量不同外壓下進入孔中汞的量即能進入的孔半徑越小。測量不同外壓下進入孔中汞的量即可知相應孔大小的孔體積。目前所用壓汞儀使用壓力最大可知相應孔大小的孔體積。目前所用壓汞儀使用壓力最大約約200MPa，可測孔半徑范圍為，可測孔半徑范圍為3.75750nm。礦礦 井井揮發(fā)份揮發(fā)份/%孔隙率孔隙率/%撫順老虎臺礦撫順老虎臺礦45.7614.05鶴崗大陸鶴崗大陸31.8610.6開灤馬家溝開灤馬家溝12煤煤26.

5、86.59本溪田師付本溪田師付8煤煤13.716.7陽泉三礦陽泉三礦3 煤煤6.6614.1焦作王封大煤焦作王封大煤5.8218.5我國一些礦井煤的孔隙率我國一些礦井煤的孔隙率Vr/%f /%焦煤焦煤 瘦煤瘦煤長長無無)exp(0ff f過程與原理過程與原理 課題2：煤的吸附性能P or tP or t吸吸附附PXt=const等溫吸附線等溫吸附線tXP=const等壓吸附線等壓吸附線bPabPX1bPabPkX1100100)(exp(31. 0110wAttnwknkPX/1nEPPTaX)/ln(574. 4exp00WXXgch31. 0111001000wAXX3.1 3.1 煤層瓦

6、斯壓力的概念煤層瓦斯壓力的概念 煤層瓦斯壓力概念煤層瓦斯壓力概念賦存在煤層孔隙賦存在煤層孔隙中的游離瓦斯所中的游離瓦斯所表現(xiàn)出來的氣體表現(xiàn)出來的氣體壓力。壓力。當煤的孔隙率相同當煤的孔隙率相同時，游離瓦斯量與時，游離瓦斯量與瓦斯壓力成正比瓦斯壓力成正比當煤的吸附瓦斯能當煤的吸附瓦斯能力相同時，煤層瓦力相同時，煤層瓦斯壓力越高，煤的斯壓力越高，煤的吸附瓦斯量越大。吸附瓦斯量越大。課題3：煤層瓦斯壓力的測定（H1,P1）(H2,P2)(H,P)H(m)P(MPa)nHHPP)()(12121212HHPPgp11)(PHHgPp00)(PHHgPp2211fXfXffq3.2 3.2 煤層瓦斯壓力

7、的測定方法煤層瓦斯壓力的測定方法 測壓的封孔方法測壓的封孔方法煤層瓦斯壓力測定煤層瓦斯壓力測定測壓測壓技術施工方法技術施工方法從圍巖巷道（石從圍巖巷道（石門或圍巖鉆場）門或圍巖鉆場）向煤層打孔徑為向煤層打孔徑為505075mm75mm的鉆孔的鉆孔，孔中放置測壓，孔中放置測壓管，將鉆孔封閉管，將鉆孔封閉后，用壓力表直后，用壓力表直接進行測定。接進行測定。填料填料封孔法封孔法封孔器封孔法封孔器封孔法膠圈封孔器法膠圈封孔器法膠圈膠圈粘液封粘液封孔器法孔器法課題3：煤層瓦斯壓力的測定q3.3 3.3 煤層瓦斯壓力的測定方法煤層瓦斯壓力的測定方法 填料封孔法填料封孔法填料封孔法是應用最廣泛的一種填料封孔

8、法是應用最廣泛的一種測壓封孔方法。采用該法時，在測壓封孔方法。采用該法時，在打完鉆孔后，先用水清洗鉆孔，打完鉆孔后，先用水清洗鉆孔，再向孔內(nèi)放置帶有壓力表接頭的再向孔內(nèi)放置帶有壓力表接頭的測壓管，管徑約為測壓管，管徑約為6 68mm8mm，長度，長度不小于不小于6m6m，最后用充填材料封孔，最后用充填材料封孔。圖為填料法封孔結(jié)構(gòu)示意圖。圖為填料法封孔結(jié)構(gòu)示意圖1 1前端篩管；前端篩管；2 2擋料圓盤；擋料圓盤；3 3充填材料；充填材料；4 4木楔；木楔；5 5測壓管；測壓管；6 6壓力表；壓力表；7 7鉆孔鉆孔技術方法技術方法封孔結(jié)構(gòu)示意圖封孔結(jié)構(gòu)示意圖課題3：煤層瓦斯壓力的測定3m測壓管測壓

9、管檢查管檢查管注漿管注漿管q3.3 3.3 煤層瓦斯壓力的測定方法煤層瓦斯壓力的測定方法 封孔器封孔法封孔器封孔法主要優(yōu)點：簡便易行，封孔器可主要優(yōu)點：簡便易行，封孔器可重復使用；重復使用；缺點：封孔深度小，且要求封孔缺點：封孔深度小，且要求封孔段巖石必須致密、完整。段巖石必須致密、完整。 優(yōu)缺點優(yōu)缺點結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖膠圈封孔器法膠圈封孔器法1 1測壓管；測壓管；2 2外套管；外套管；3 3壓緊螺帽；壓緊螺帽；4 4活動擋圈；活動擋圈；5 5固定擋圈；固定擋圈；6 6膠圈；膠圈；7 7壓力表；壓力表；8 8鉆孔鉆孔課題3：煤層瓦斯壓力的測定q3.3 3.3 煤層瓦斯壓力的測定方法煤層瓦斯壓

10、力的測定方法 封孔器封孔法封孔器封孔法主要優(yōu)點：封孔主要優(yōu)點：封孔段長度大，壓力段長度大，壓力粘液可滲入封孔粘液可滲入封孔段巖（煤）體裂段巖（煤）體裂隙，密封效果好隙，密封效果好。特點特點結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖膠圈膠圈壓力粘液封孔器法壓力粘液封孔器法課題3：煤層瓦斯壓力的測定測壓管測壓管膠圈膠圈注粘液注粘液q4.1 4.1 煤層瓦斯含量煤層瓦斯含量煤層瓦斯含量：指單位質(zhì)量或體積的煤中所含有的煤層瓦斯含量：指單位質(zhì)量或體積的煤中所含有的瓦斯量，單位是瓦斯量，單位是m m3 3/t/t或或m m3 3/m/m3 3。 原始瓦斯含量：指煤層未受采動影響時的瓦斯含量原始瓦斯含量：指煤層未受采動影響時的瓦

11、斯含量。殘存瓦斯含量：殘存瓦斯含量：指煤層受到采動影響，已經(jīng)排放出指煤層受到采動影響，已經(jīng)排放出部分瓦斯，則剩余在煤層中的瓦斯含量部分瓦斯，則剩余在煤層中的瓦斯含量。三三種種含含量量的的定定義義 課題1：煤層瓦斯含量00TPVPTXy壓壓 力力(MPa)溫溫 度度 ()010203040500.11.02.03.04.05.06.07.01.000.970.950.920.900.870.850.831.041.021.000.970.950.930.900.881.081.061.041.021.000.980.950.931.121.101.081.061.041.021.000.981.

12、161.141.121.101.081.061.051.041.201.181.161.141.121.111.101.09tmWAWebpabpXttnx3)(,10010031. 01110pn07.0993.002.00200400600800200400600800V/mltt 0GVVVVX43210X0煤樣的原始瓦斯含量，ml/g;V1煤樣解吸測定中累計解吸出的瓦斯體積，ml；V2計算出的瓦斯損失量，ml；V3煤樣粉碎前的脫出量，ml；V4煤樣粉碎后的脫出量，ml；G煤樣重量，g； 撫順分院在撫順分院在1980198019811981年期間，研究提出了鉆屑解吸法測定煤年期間，研究提

13、出了鉆屑解吸法測定煤層瓦斯含量的方法。方法的原理與地勘鉆孔所用解吸法相同。與在層瓦斯含量的方法。方法的原理與地勘鉆孔所用解吸法相同。與在地勘鉆孔中應用相比，該法在井下煤層鉆孔應用的明顯優(yōu)點：地勘鉆孔中應用相比，該法在井下煤層鉆孔應用的明顯優(yōu)點： 一是煤樣暴露時間短，一般為一是煤樣暴露時間短，一般為3 35min5min，且易準確進行測定；，且易準確進行測定； 二是煤樣在鉆孔中的解吸條件與在空氣中大致相同，無泥漿和二是煤樣在鉆孔中的解吸條件與在空氣中大致相同，無泥漿和泥漿壓力的影響。泥漿壓力的影響。 式中式中 q-在解析時間為在解析時間為t時煤樣的解析瓦斯速度，時煤樣的解析瓦斯速度，ml/g.m

14、in q1-t=1min時煤樣瓦斯解析速度，時煤樣瓦斯解析速度，ml/gmin； k-解析速度隨時間的衰減系數(shù)；解析速度隨時間的衰減系數(shù)；在解析時間為在解析時間為t t時累計的解析瓦斯量為：時累計的解析瓦斯量為：鉆孔見煤至煤樣測定解吸這段時間鉆孔見煤至煤樣測定解吸這段時間t t0 0，損失的瓦斯量為：，損失的瓦斯量為：式中式中 Q2-煤樣瓦斯損失量，煤樣瓦斯損失量，ml/g； t0-煤樣解吸前的暴露時間，煤樣解吸前的暴露時間，min。當當k1時，無解，只適用于時，無解，只適用于k1的情況。的情況?，F(xiàn)場解吸瓦斯量、殘存量計算與地勘解吸計算方法相同?，F(xiàn)場解吸瓦斯量、殘存量計算與地勘解吸計算方法相同

15、。-k1q= q tt-k1-k 110qQ=q t dt=t1-k 中國礦業(yè)大學的俞啟香教授提出了一種新的鉆屑解吸法，中國礦業(yè)大學的俞啟香教授提出了一種新的鉆屑解吸法，簡稱鉆屑解吸法簡稱鉆屑解吸法(B)(B)。和鉆屑解吸法。和鉆屑解吸法(A)(A)相比，鉆屑解吸法相比，鉆屑解吸法(B)(B)只是對取樣時的鉆屑損失瓦斯量計算作了改進，改進后只是對取樣時的鉆屑損失瓦斯量計算作了改進，改進后的方法適應于所有煤層，無論突出煤還是非突出煤，也無的方法適應于所有煤層，無論突出煤還是非突出煤，也無論煤樣粒度。論煤樣粒度。損失量計算公式：損失量計算公式：式中式中r r0 0鉆屑開始解吸瓦斯時的解吸瓦斯速度；

16、鉆屑開始解吸瓦斯時的解吸瓦斯速度；k k常數(shù)；常數(shù)； t t1 1煤樣從脫離煤體至開始解吸測定所用時間。煤樣從脫離煤體至開始解吸測定所用時間。 1102ktekrQ 無論是鉆屑解吸法無論是鉆屑解吸法A A或或B B，均要計算，均要計算取樣損失量取樣損失量、殘存殘存量量這些測定在需要在專門的實驗室完成，因此測定周期長。這些測定在需要在專門的實驗室完成，因此測定周期長。為了實現(xiàn)井下煤層瓦斯含量快速測定，撫順分院在為了實現(xiàn)井下煤層瓦斯含量快速測定，撫順分院在1993199319951995年期間提出了一種新的鉆屑解吸法年期間提出了一種新的鉆屑解吸法鉆屑解吸法鉆屑解吸法(C)(C)，研制了研制了WP-

17、1WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測定儀。型井下煤層瓦斯含量快速測定儀。 計算公式：計算公式：式中式中X煤層瓦斯含量，煤層瓦斯含量，ml/g；ab反映反映X與與V1間特性常數(shù)，不同煤層值不同；間特性常數(shù)，不同煤層值不同； V1煤樣從脫離煤體至開始解吸測定所用時間。煤樣從脫離煤體至開始解吸測定所用時間。1XabVKt煤樣瓦斯解吸速度衰減系數(shù)，煤層瓦斯突出危險性重要煤樣瓦斯解吸速度衰減系數(shù)，煤層瓦斯突出危險性重要指標之一；指標之一；K1煤屋瓦斯突出危險性重要指標之一，煤屋瓦斯突出危險性重要指標之一，cm3/g.min；V1單位重量煤樣暴露第一分鐘的瓦斯解吸速度，與煤層單位重量煤樣暴露第一分鐘的瓦斯解

18、吸速度，與煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力有直接關系，瓦斯含量、煤層瓦斯壓力有直接關系，cm3/g.min;Q2瓦斯解吸速度衰減系數(shù)；瓦斯解吸速度衰減系數(shù)；W煤層瓦斯含量預測值，煤層瓦斯含量預測值，cm3/g;P煤層瓦斯壓力預測值，煤層瓦斯壓力預測值，MPa;R相關系數(shù)，反映測定結(jié)果的可靠性。相關系數(shù)，反映測定結(jié)果的可靠性。pX(1) 在掘進巷道的新鮮暴露煤面，用煤電鉆打眼采煤樣，煤在掘進巷道的新鮮暴露煤面，用煤電鉆打眼采煤樣，煤樣粒度為樣粒度為0.10.2mm，重量為，重量為6075g，裝入密封罐。，裝入密封罐。(2) 用井下鉆孔自然涌出的瓦斯作為瓦斯源，用特制的高壓用井下鉆孔自然涌出的瓦斯作為瓦斯源，用特制的高壓打氣筒，將鉆孔涌出的瓦斯打入密封罐內(nèi)。為了排除氣筒打氣筒，將鉆孔涌出的瓦斯打入密封罐內(nèi)。為了排除氣筒和罐內(nèi)殘存的空氣，應先用瓦斯清洗氣筒