基于煤屑解吸瓦斯压力的煤层瓦斯压力测定方法

作者简介：韩世英（1985—），男，河南郑州人，河南理工大学在读硕士研究生，现主要从事矿井瓦斯预测与防治方面的研究工作。E-mail：[e-mail]基于煤屑解吸瓦斯压力的煤层瓦斯压力测定方法韩世英,魏风清,史广山,杜晓奇（河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000）摘要：煤层瓦斯压力是判断煤层突出危险性的重要指标，同时也是采取抽放措施的重要参考依据，因此快速、准确地测定煤层瓦斯压力是十分重要的。本文通过煤屑解吸瓦斯压力测定实验，对相同损失时间不同平衡瓦斯压力条件下煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线进行分析，发现煤层瓦斯压力与平衡瓦斯压力具有确定关系。实验表明，对数公式能够很好地拟合压力恢复曲线，系数A表明煤屑在不同平衡瓦斯压力下解吸的差异性，和煤层瓦斯压力具有指数关系。根据此规律，可在测得现场煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线的系数A后，结合已确定的煤层瓦斯压力指数公式推算出测压地点的煤层瓦斯压力，并在赵家寨煤矿得到了验证，效果良好。关键词：煤层瓦斯压力；平衡瓦斯压力；恢复曲线；对数公式；指数关系中图分类号：TD712文献标识码：ADeterminationofCoalSeamGasPressureBasedonGasPressureofCoalDesorptionHanShi-ying;WeiFeng-qing;ShiGuang-shan;DuXiao-qi(SchoolofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,Henan,China)Abstract:Thecoalseamgaspressureisasignificantindextojudgetheriskofcoalandgasoutburstandsimultan-eouslyisanimportantreferenceonthedrainagemeasures.Therefore,itisveryimportanttodeterminingthecoals-eamgaspressurequicklyandaccurately.Bymeansoftheexperimentsofdetermininggaspressureofbrokencoal,thepaperanalyzedgaspressurebuild-upcurvesofbrokencoalinthesamelosttimeandthedifferentbalancepres-sureandfoundthatthecoalseamgaspressurehasadeterminedrelationwiththebalancepressure.Theexperimentsshowthatthelogarithmicformulacanfitgaspressurebuild-upcurvesbetter.ThecoefficientAindicatesthediffere-nceofcoaldesorptionindifferentbalancepressureandhasanexponentialrelationshipwithcoalseamgaspressure.Basedonthislaw,aftermeasuringlivecoefficientAofgaspressurebuild-upcurvesofbrokencoal,thegaspressur-ecanbedeterminedcombiningtheknownexponentialformulaofcoalseamgaspressure,andthismethodhasbeenvalidatedinZhaojiazhaicoalminewithgoodeffect.Keywords:coalseamgaspressure;balancegaspressure;build-upcurve;logarithmicformula;exponentialrelatio-nship;煤层瓦斯压力是煤层瓦斯含量计算和煤层突出危险性预测、评价的基本参数，也是瓦斯防治措施效果检验的主要指标[1]。因此，快速、准确地测定煤层瓦斯压力，对于制定合理的煤矿瓦斯综合防治措施、保证煤矿安全生产具有十分重要的现实意义。几十年来，国内外许多学者针对如何快速、准确测定煤层瓦斯压力进行了大量的研究和试验，提出了各种各样的测定方法，其总体上可分为直接法和间接法。直接测定法按封孔材料的不同[2]主要可分为：1）水泥砂浆封孔法，该方法适用性强，操作简单，成本低，但是只适用于岩层致密完整，无裂隙发育的钻孔，地质条件复杂时难以完全封堵裂隙，封孔效果难以保证；2）封孔器测压法，该方法利用各种封孔器封堵钻孔两端，然后通过粘液充填封钻孔两端的空间及其周围裂隙，但是对于裂隙发育的岩层，粘液难以完全封堵钻孔周围裂隙。基于此，周世宁等人提出了固液气三相泡沫封孔法，利用泡沫中所携带的固相填充剂封堵煤体中的裂隙，其封孔效果明显强于前者，从而达到快速准确地测定煤层瓦斯压力的目的[3]。但是此法成本较高，操作比较繁琐，仪器回收较困难，应用较少。王轶波等人[4]提出了采用[键入文字]聚氨酯泡沫代替两段胶囊，成本低，操作简单，不需回收复用，但是由于聚氨酯的膨胀速度不好控制，所以需要多次封孔，且封孔长度短，因此现场应用也不多。当现场无法采用直接法测定煤层瓦斯压力时，间接测定法提供了一种获取瓦斯压力的重要手段。间接测定法主要是根据瓦斯压力梯度、煤层瓦斯涌出量、煤层原始瓦斯含量、残余瓦斯含量、煤屑解吸指标等参数与煤层瓦斯压力之间的关系，推算出测压地点的煤层瓦斯压力，但是其所测得的瓦斯压力准确性难以保证，有待进一步验证。煤炭科学研究总院抚顺研究院基于瓦斯解吸规律，利用井下煤屑瓦斯解吸量测算煤层瓦斯压力，方便快捷，只是需要预先测得煤对瓦斯的吸附常数a、b值。另外，许多学者从地应力、热力学等角度[5-6]推导出煤层中瓦斯压力的理论计算方法，计算结果与现场实测结果具有很好的一致性，从理论上完善了煤层瓦斯压力的计算方法，但是这些方法所需参数较多，计算较为复杂。针对上述方法存在的不足之处，本文通过相同损失时间不同平衡瓦斯压力下煤屑解吸瓦斯压力测定实验，研究了煤层瓦斯压力与平衡瓦斯压力之间的关系，并在此基础上推导出了煤层瓦斯压力的计算公式，然后结合现场钻屑解吸瓦斯压力恢复曲线，便可以推算出测压地点的煤层瓦斯压力，提出了一种基于煤屑解吸瓦斯压力的煤层瓦斯压力快速测定方法。1煤屑解吸瓦斯压力测定实验1.1实验原理煤层瓦斯压力是指煤层孔隙中所含游离瓦斯呈现的压力，即煤层的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力，因此，瓦斯压力和瓦斯含量尤其是游离瓦斯含量密切相关。煤层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷开始从微孔表面分离，即发生解吸。而影响煤层瓦斯解吸的主要因素有煤的变质程度、煤的破碎程度和煤层瓦斯含量。在测压地点一定范围内煤的变质程度基本相同，实验所用煤屑皆采用1~3mm粒径煤粒，而在其他条件相同的情况下，瓦斯含量主要取决于吸附平衡压力，因此实验室进行了不同平衡瓦斯压力下煤屑解吸瓦斯压力测定实验。1.2实验方法实验室不同平衡瓦斯压力下煤屑解吸瓦斯压力测定实验流程图见图1，实验装置见图2。采集煤样煤样制备高压充气真空脱气解吸曲线恒温平衡解吸图1实验流程图4151011932871261—煤样罐；2—真空泵；3—真空计；4—高压甲烷气瓶；5—精密压力表；6~10—截止阀；11—气体减压阀图2实验室装置具体操作步骤如下：[键入文字]（1）在郑煤集团赵家寨煤矿二1煤层采集10Kg煤样，筛选出1~3mm粒径煤粒，把煤样装至离密封罐罐口约10mm位置为佳，拧紧密封罐，然后将密封罐放置于实验装置上。（2）启动真空泵，在60℃恒温水浴中对密封罐进行脱气，抽气时间控制在24h内，同时观察真空计，当真空计的测定值达到20Pa时，则认为已经抽真空，关闭真空泵。（3）脱气结束后，打开截止阀，调节与甲烷瓶连接的气体减压阀，使充气压力达到0.3MPa，向煤样罐充入浓度为99.9％的甲烷气体，观察压力表，当其达到目标压力且连续2小时以上不发生变化，即可关闭截止阀和气体减压阀。（4）将密封罐置于30℃恒温水浴中进行吸附平衡，48h后记录煤样的平衡瓦斯压力。（5）打开截止阀，放气2min，然后开始用秒表计时，观测压力表变化，每30s记录一次压力变化，至30min后每1min记录一次，将读数记录在压力观测表上。（6）重复上述步骤，充气压力依次设置为0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa、1.5MPa，然后对实验室5组不同平衡瓦斯压力下煤屑解吸瓦斯压力数据进行拟合处理，得到5组不同平衡瓦斯压力下煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线，如图3所示。图3实验室不同平衡瓦斯压力下煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线1.3实验结果分析通过对实验数据的分析发现，对数公式能够较好地拟合煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线，即BtAPln错误!未找到引用源。。系数A表明煤屑在不同平衡瓦斯压力下解吸的差异性，如图3所示。不同平衡瓦斯压力下赵家寨煤矿二1煤层煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线拟合公式，见表1。表1赵家寨煤矿二1煤层煤样解吸瓦斯压力恢复曲线拟合公式平衡压力P/MPa拟合公式系数A相关系数R0.28011.0ln017.0tP0.0170.9930.56018.0ln031.0tP0.0310.9920.80023.0ln037.0tP0.0370.9971.22031.0ln051.0tP0.0510.9961.39044.0ln057.0tP0.0570.994[键入文字]图4煤层瓦斯压力P与系数A的关系由于系数A表明煤屑在不同平衡瓦斯压力下解吸的差异性，其值和煤层瓦斯压力P密切相关，因此分析煤层瓦斯压力P和系数A的关系，发现赵家寨煤矿二1煤层煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线的拟合公式系数A与煤层瓦斯压力P服从指数关系，对其进行指数拟合，拟合公式为AeP983.391563.0错误!未找到引用源。，相关系数为0.987，表明二者具有较高的相关性，如图4所示。那么只需在现场测压地点进行煤屑解吸，对现场解吸瓦斯压力恢复曲线进行对数拟合得到系数A，然后代入实验室所得煤层瓦斯压力的指数公式即可推算出测压地点的煤层瓦斯压力。2现场应用2.1测压地点概况赵家寨煤矿测压地点位于14采区运输上山，该区主采煤层为二1煤层，赋存于山西组下部，上距砂锅窑砂岩42.59~93.88m，平均64.72m，下距L7灰岩20~25m，平均22.28m。煤厚0~21.75m，平均5.50m，煤层倾角5~7°。煤厚沿走向变化较小，沿倾向变化相对较大，但煤层总体上属于较稳定的中厚~厚煤层。煤层直接顶板为泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩，厚度0.13~0.87m，平均0.48m。直接底板为泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩，厚度0.13~2.87m，平均厚度1.07m，属较稳定底板。2.2现场测定此次测压地点选择在14采区运输上山距16#钻场以东10m（1#钻孔）。当钻杆钻至目标煤层时，开始计时，收集压风排下的煤屑，将煤屑装至离密封罐罐口约10mm位置为佳，然后迅速拧紧密封罐，密封罐上连接精密压力表，记下此时开始解吸的时间，要求煤样自钻孔暴露至装罐解吸时间to控制在2min内。然后用秒表记录煤屑在60min内解吸瓦斯压力P随时间t的变化情况，然后对井下实测数据进行拟合，得到拟合公式0202.0ln0156.0tP错误!未找到引用源。，相关系数为0.998，拟合度较高，从而取拟合系数A=0.0156，如图4所示，将其代入AeP983.391563.0错误!未找到引用源。，可计算得煤层瓦斯压力P=0.29MPa。[键入文字]图4现场瓦斯解吸压力恢复曲线在此实验期间，笔者在14采区运输上山距16#钻场以东10m（1#钻孔）、30m(2#钻孔)采用全程套管高压注浆封孔进行了煤层瓦斯压力直接测定。经过近一个月的观察，读取