煤層瓦斯含量直接測(cè)定理論與方法

煤層瓦斯含量直接測(cè)定實(shí)際與方法中國(guó)礦業(yè)大學(xué)羅新榮ChinaUniversityofMiningandTechnologyLuoXinrong2021.8一、煤層瓦斯含量直接測(cè)定實(shí)際二、煤層瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)及方法一、煤層瓦斯含量直接測(cè)定實(shí)際1、煤的容滲性實(shí)驗(yàn)研討2、雙重孔隙介質(zhì)模型3、煤塊瓦斯涌出實(shí)際1、煤的容滲性實(shí)驗(yàn)研討采用宏觀觀測(cè)和測(cè)定煤樣割理及浸透率，并結(jié)合掃描電鏡、透視電鏡、壓汞儀和等溫吸附儀分析孔隙的微觀構(gòu)造，定性和定量分析煤的容積性〔含氣量〕和浸透性特征。煤孔隙分類克努森數(shù)knkn=l/d式中：l分子自在程；d孔徑.根據(jù)克努森數(shù)劃分的流動(dòng)形狀，將煤中孔隙劃分為兩級(jí)5類。其中一級(jí)包含微孔和小孔，構(gòu)成吸附容積；二級(jí)包含中孔、大孔和可見裂隙，構(gòu)成浸透空間。體視顯微鏡與掃描電鏡圖片圖1-1氣肥煤煤樣掃描電鏡圖片，少量中孔和大量小孔及微孔?！?5000圖1-2無煙煤煤樣掃描電鏡圖片，大量小孔及微孔和一條微裂紋?！?5000圖1-3焦煤煤樣掃描電鏡圖片，大孔和中孔，連通性好。×15000圖1-4氣肥煤煤樣透視電鏡圖片?！?10000圖1-5無煙煤煤樣透視電鏡圖片。×250000圖1-6焦煤煤樣透視電鏡圖片。×250000微觀研討實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 〔1〕煤層孔隙可以分為兩級(jí)5類：一級(jí)為吸附容積，包括孔徑小于10nm的微孔和孔徑10---100nm的小孔，并以瓦斯分散運(yùn)動(dòng)為主；二級(jí)為浸透容積，包括孔徑0.1---1um的中孔和孔徑1---100um大孔以及大于0.1mm的裂隙，瓦斯運(yùn)動(dòng)為層流或紊流滲流。 〔2〕煤孔隙浸透性〔浸透率〕和容積性〔含氣量〕可以采用宏觀觀測(cè)和測(cè)定煤樣割理及浸透率，并結(jié)合掃描電鏡、透視電鏡、壓汞儀和等溫吸附儀分析孔隙的微觀構(gòu)造，定性和定量分析煤的容積性〔含氣量〕和浸透性。 〔3〕煤孔隙構(gòu)造差別，導(dǎo)致等溫吸附曲線不同。蘭格繆爾方程適宜于微孔占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的煤炭等溫吸附曲線；而弗里得里希方程適宜于大、中孔占優(yōu)勢(shì)的煤炭等溫吸附曲線；由于煤中微孔總占有較大比重，因此，蘭格繆爾方程擬合煤樣等溫吸附曲線一直為優(yōu)。2、雙重孔隙介質(zhì)模型煤層普通由割理和割理切割的基巖煤塊組成雙重孔隙體系圖1煤的雙重孔隙構(gòu)造3、煤塊瓦斯涌出實(shí)際煤層普通由割理和割理切割的煤巖基塊組成雙重孔隙體系?；鶐r煤塊中以微孔為主，是瓦斯吸附儲(chǔ)存空間。而割理那么是氣體流動(dòng)的主要通道。非吸附平衡態(tài)準(zhǔn)穩(wěn)定流模型中的煤塊瓦斯運(yùn)移，可采用集總參數(shù)分析方法，將煤塊視為一點(diǎn)，該點(diǎn)集中了煤塊質(zhì)量及吸附瓦斯質(zhì)量，忽略煤塊的尺寸。準(zhǔn)穩(wěn)定流煤塊瓦斯運(yùn)移方程及定解條件方程式的解析解：方程式的物理意義： 當(dāng)煤塊開場(chǎng)解吸甲烷后，到達(dá)解吸時(shí)間τ，約有63%的可解吸甲烷解吸出來。煤層煤樣的解吸時(shí)間在數(shù)小時(shí)至幾百天。顧橋北一13-1軌道下山水力壓裂鉆孔煤芯解吸瓦斯的實(shí)際曲線〔無量綱〕顧橋北一13-1軌道下山水力壓裂鉆孔煤芯解吸瓦斯的實(shí)際曲線二、煤層瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)及方法1緒論2北一采區(qū)13-1煤層瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)及方法3數(shù)據(jù)處置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果4煤層瓦斯含量直接測(cè)定方法〔企業(yè)規(guī)范〕5煤層瓦斯含量直接測(cè)定程序與平安規(guī)程6結(jié)論與展望1緒論1.1工程研討目的及意義直接測(cè)定顧橋煤礦13-1煤層瓦斯含量，制定顧橋煤礦13-1煤層瓦斯含量直接法測(cè)定與評(píng)價(jià)方法的規(guī)范體系。將對(duì)淮南礦區(qū)深部煤層開采的瓦斯治理具有艱苦的實(shí)際意義和運(yùn)用價(jià)值，也對(duì)我國(guó)其他礦區(qū)瓦斯治理具有指點(diǎn)意義和示范價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研討現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外煤層瓦斯含量測(cè)定實(shí)際與技術(shù)直接法測(cè)定煤層瓦斯含量方法最初是由法國(guó)貝爾塔等人在1970年提出的，主要用來估算井下程度鉆孔煤芯的含氣量。1973年美國(guó)礦業(yè)局將貝爾塔方法進(jìn)展改良，用于地面垂直鉆井取芯的瓦斯含量測(cè)定，并規(guī)范采樣操作過程。因此，該方法又稱為美國(guó)礦業(yè)局直接法，并得到推行運(yùn)用。1.2國(guó)內(nèi)外研討現(xiàn)狀1.2.2國(guó)內(nèi)煤層瓦斯含量測(cè)定實(shí)際與技術(shù)國(guó)內(nèi)直接法測(cè)定煤層瓦斯含量技術(shù)方法沿用了美國(guó)礦業(yè)局直接法，只是改良了剩余脫氣方法。由于我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，不同區(qū)域煤層差別性極大，為了找到合理的損失量推算模型，研發(fā)人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)展了1000多組不同粒徑與吸附平衡壓力的煤樣瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)，初步得到了煤樣破壞類型與解吸特征，為煤層瓦斯含量直接測(cè)定中的損失瓦斯含量推算奠定了根底。但對(duì)含水煤樣的瓦斯解吸規(guī)律缺乏深化的實(shí)驗(yàn)研討，全鉆孔全煤芯取樣解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)技術(shù)需求進(jìn)一步的完善。1.3主要實(shí)驗(yàn)研討內(nèi)容〔1〕原始煤層水分條件下的鉆孔煤芯瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)〔2〕穿層全鉆孔全煤芯取樣解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)技術(shù)〔3〕取樣煤芯解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)〔4〕實(shí)驗(yàn)選擇區(qū)域北一13-1煤層回風(fēng)大巷順層鉆孔和北一13-1軌道下山穿層鉆孔〔4〕實(shí)驗(yàn)區(qū)域2北一采區(qū)13-1煤層瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)及方法2.1測(cè)定內(nèi)容(1)分別在北一13-1煤層回風(fēng)大巷順層鉆孔、北一13-1軌道下山鉆孔，采取鉆孔全煤芯解吸瓦斯法直接測(cè)定13-1煤層瓦斯解吸量；(2)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤芯樣品的解吸瓦斯量、剩余瓦斯量、解吸瓦斯氣體成分，以及工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)。2.2測(cè)定方法2.2.1煤樣損失瓦斯量2.2.2井下解吸瓦斯量2.2.3煤樣粉碎前解吸瓦斯量2.2.4煤樣粉碎后解吸瓦斯量2.2.5不可解吸瓦斯量2.2.1煤樣損失瓦斯量

2.2.2井下解吸瓦斯量解吸時(shí)間2小時(shí)以內(nèi)的解吸實(shí)驗(yàn)方程為：瓦斯解吸速度方程為：采用自然對(duì)數(shù)法擬合推定損失瓦斯量，將實(shí)測(cè)得到的解吸瓦斯量Qt與解吸時(shí)間〔1+t〕數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為半對(duì)數(shù)坐標(biāo)作圖，如下圖。詳細(xì)做法是以解吸瓦斯量Qt作為縱坐標(biāo)，以解吸時(shí)間的自然對(duì)數(shù)ln(1＋t)作為橫坐標(biāo)作散點(diǎn)圖，用直線接近各測(cè)點(diǎn)，并外延至Y坐標(biāo)，得到Y(jié)坐標(biāo)的截距，即為損失瓦斯量。煤的損失瓦斯量也可以用Excel表的做圖和數(shù)據(jù)處置程序得到2.2.3煤樣粉碎前解吸瓦斯量采用排水集氣法測(cè)定瓦斯量。井下送交煤樣罐檢查氣密性確認(rèn)不漏氣后，將煤樣罐的出氣口用膠管銜接到量筒的進(jìn)氣口，翻開煤樣罐閥門和秒表，每隔1分鐘記錄排水的體積(cm3)和時(shí)辰〔min〕。延續(xù)察看記錄60～120min，當(dāng)煤樣罐的出氣量小于2cm3/min時(shí)，得到煤樣粉碎前解吸瓦斯量。封鎖煤樣罐閥門。2.2.4煤樣粉碎時(shí)的解吸瓦斯量將粉碎機(jī)的出氣膠管與水瓶的進(jìn)氣口銜接好。記錄初始水瓶讀數(shù)。翻開粉碎機(jī)的開關(guān)和秒表，粉碎機(jī)開場(chǎng)振動(dòng)粉碎煤樣并脫氣，然后按秒表指示的分鐘整數(shù)時(shí)辰，每隔1min讀數(shù)，記錄排水的體積和時(shí)辰。延續(xù)粉碎察看記錄30min，得到煤樣粉碎后解吸瓦斯量。封鎖粉碎機(jī)的開關(guān)。2.2.5不可解吸瓦斯量大氣壓下煤樣不可解吸瓦斯含量，可用低壓吸附實(shí)驗(yàn)法確定。實(shí)驗(yàn)測(cè)得北一13-1軌道下山3#壓裂鉆孔13-1煤層煤樣的大氣壓下吸附瓦斯含量1.133～1.677，平均為1.40m3/t?；虬吹葴厍€公式計(jì)算：根據(jù)顧橋礦13-1煤層實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的平均值，計(jì)算得到1.235m3/t。2.2現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查技術(shù)方案

2.2.1北一13-1煤層回風(fēng)大巷順層鉆孔2.2.2北一13-1軌道下山調(diào)查鉆孔2.3鉆孔煤樣井下解吸瓦斯量測(cè)定程序

2.3.1井下解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)預(yù)備任務(wù)煤樣采集井下自然解吸瓦斯量測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟2.3鉆孔煤樣井下解吸瓦斯量測(cè)定程序2.3.2順層鉆孔打鉆取樣操作程序2.3.3穿層鉆孔打鉆取樣操作程序2.3.4井下煤樣解吸瓦斯測(cè)試記錄程序2.4地面解吸瓦斯操作程序〔1〕地面實(shí)驗(yàn)人員收到煤樣罐后，應(yīng)先測(cè)定煤樣罐的解析瓦斯壓力，檢查煤樣罐的氣密性，確認(rèn)不漏氣后，方可進(jìn)展地面解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)。并事先將解吸儀的水瓶充溢清水，預(yù)備好記錄表格和筆?！?〕將煤樣罐的出氣口用膠管銜接到水瓶的出氣口，記錄初始水瓶讀數(shù)。〔3〕翻開煤樣罐閥門和秒表，然后按秒表指示的分鐘整數(shù)時(shí)辰，每隔1分鐘讀數(shù)，記錄排水的體積(cm3)和時(shí)辰〔min〕。〔4〕延續(xù)察看記錄60～120分鐘，當(dāng)煤樣罐的出氣量小于2cm3/min時(shí)，封鎖煤樣罐閥門。2.5地面粉碎煤樣解吸瓦斯操作程序〔1〕當(dāng)煤樣罐的出氣量小于2cm3/min時(shí)，快速翻開煤樣罐蓋，取出200～400g煤樣，稱重記錄后，裝入粉碎機(jī)的容器內(nèi)。〔2〕將容器放在粉碎機(jī)上，并擰緊壓蓋，蓋上粉碎機(jī)的蓋子。將粉碎機(jī)的出氣膠管與水瓶的進(jìn)氣口銜接好。記錄初始水瓶讀數(shù)?！?〕翻開粉碎機(jī)的開關(guān)和秒表，粉碎機(jī)開場(chǎng)振動(dòng)粉碎煤樣并脫氣，然后按秒表指示的分鐘整數(shù)時(shí)辰，每隔1分鐘讀數(shù)，記錄排水的體積(cm3)和時(shí)辰〔min〕?！?〕延續(xù)粉碎察看記錄30min，封鎖粉碎機(jī)的開關(guān)。2.6數(shù)據(jù)處置程序〔1〕將煤樣解吸得到的氣體體積按下式換算為規(guī)范形狀下體積〔2〕煤層自然瓦斯成分計(jì)算〔3〕各階段瓦斯體積換算〔4〕各階段氣體體積計(jì)算〔5〕煤層瓦斯含量計(jì)算3數(shù)據(jù)處置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1北一13-1煤層回風(fēng)大巷順層鉆孔

3.1.1北一13-1煤層回風(fēng)大巷1#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置3.1.1北一13-1煤層回風(fēng)大巷1#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置1#調(diào)查鉆孔20米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.1.1北一13-1煤層回風(fēng)大巷1#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置1#調(diào)查鉆孔30米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.1.1北一13-1煤層回風(fēng)大巷1#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置1#調(diào)查鉆孔40米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.1.2北一13-1煤層回風(fēng)大巷2#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2#調(diào)查鉆孔20米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.1.2北一13-1煤層回風(fēng)大巷2#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2#調(diào)查鉆孔30米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.1.2北一13-1煤層回風(fēng)大巷2#調(diào)查鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2#調(diào)查鉆孔40米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2北一13-1軌道下山調(diào)查鉆孔3.2.1北一13-1軌道下山1號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置1-2#調(diào)查鉆孔22米處取煤芯(1-5mm)解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2.1北一13-1軌道下山1號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置1-2#調(diào)查鉆孔22米處取煤芯(平行樣)解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2.1北一13-1軌道下山1號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置1-1#調(diào)查鉆孔22米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程1-1#調(diào)查鉆孔22米處取煤芯(平行樣)解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2.1北一13-1軌道下山1號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置3.2.2北一13-1軌道下山2號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2-2#調(diào)查鉆孔24米處取煤芯〔>5mm〕解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2.2北一13-1軌道下山2號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2-2#調(diào)查鉆孔24米處取煤芯〔平行樣〕解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2.2北一13-1軌道下山2號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2-1#調(diào)查鉆孔24米處取煤芯〔>5mm〕解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.2.2北一13-1軌道下山2號(hào)調(diào)查鉆場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置2-1#調(diào)查鉆孔24米處取煤芯〔平行樣〕解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.3北一13-1軌道下山3#水力壓裂鉆孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置

3.3.13#水力壓裂鉆孔煤芯井下解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置3#調(diào)查鉆孔30米處取煤芯解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.3.13#水力壓裂鉆孔煤芯井下解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置3#調(diào)查鉆孔30米處取煤芯〔平行樣〕解吸瓦斯量曲線及回歸方程3.3.23#水力壓裂鉆孔煤芯地面解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置3#壓裂鉆孔30m處M26煤芯的瓦斯含量為：3.3.23#水力壓裂鉆孔煤芯地面解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處置3#壓裂鉆孔30m處M28煤芯的瓦斯含量為：3#壓裂鉆孔30m處煤芯M26、M28平行樣品的瓦斯含量平均值為：q＝(6.353+6.337)／2＝6.350(cm3/g)4煤層瓦斯含量直接測(cè)定方法〔企業(yè)規(guī)范〕目錄1范圍2規(guī)范性援用文件3術(shù)語及定義4儀器設(shè)備5采樣6測(cè)定方法及步驟7數(shù)據(jù)處置8測(cè)定報(bào)告9測(cè)定結(jié)果的評(píng)價(jià)附錄A附錄B附錄D附錄E附錄F附錄G5煤層瓦斯含量直接測(cè)定程序與平安規(guī)程5.1井下解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)原理及方法5.2井下直接測(cè)定瓦斯含量操作規(guī)程5.3井下測(cè)定瓦斯含量地點(diǎn)規(guī)定5.4地面解吸瓦斯操作程序及規(guī)定5.5數(shù)據(jù)處置程序6結(jié)論及展望6.1結(jié)論〔1〕經(jīng)過大量現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)，得到原始煤層水分條件下的鉆孔煤芯瓦斯解吸規(guī)律：解吸速度方程：〔2〕獨(dú)創(chuàng)全煤芯取樣解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)技術(shù)，具有數(shù)字顯示精度高，直觀方便等優(yōu)勢(shì)；〔3〕完善了粉碎煤芯解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，更加快捷、準(zhǔn)確的測(cè)定粉碎煤芯解吸瓦斯量；〔4〕制定了煤層瓦斯含量直接測(cè)定方法的企業(yè)規(guī)范、操作流程和平安規(guī)