煤层瓦斯含量直接测定理论与方法

煤层瓦斯含量直接测定理论与方法中国矿业大学罗新荣ChinaUniversityofMiningandTechnologyLuoXinrong2011.8一、煤层瓦斯含量直接测定理论二、煤层瓦斯含量直接测定技术及方法一、煤层瓦斯含量直接测定理论1、煤的容渗性实验研究2、双重孔隙介质模型3、煤块瓦斯涌出理论1、煤的容渗性实验研究采用宏观观测和测定煤样割理及渗透率，并结合扫描电镜、透视电镜、压汞仪和等温吸附仪分析孔隙的微观结构，定性和定量分析煤的容积性（含气量）和渗透性特征。煤孔隙分类克努森数knkn=l/d式中：l分子自由程；d孔径.根据克努森数划分的流动状态，将煤中孔隙划分为两级5类。其中一级包含微孔和小孔，构成吸附容积；二级包含中孔、大孔和可见裂隙，构成渗透空间。体视显微镜与扫描电镜图片图1-1气肥煤煤样扫描电镜图片，少量中孔和大量小孔及微孔。×15000图1-2无烟煤煤样扫描电镜图片，大量小孔及微孔和一条微裂纹。×15000图1-3焦煤煤样扫描电镜图片，大孔和中孔，连通性好。×15000图1-4气肥煤煤样透视电镜图片。×110000图1-5无烟煤煤样透视电镜图片。×250000图1-6焦煤煤样透视电镜图片。×250000微观研究实验结论：（1）煤层孔隙可以分为两级5类：一级为吸附容积，包括孔径小于10nm的微孔和孔径10---100nm的小孔，并以瓦斯扩散运动为主；二级为渗透容积，包括孔径0.1---1um的中孔和孔径1---100um大孔以及大于0.1mm的裂隙，瓦斯运动为层流或紊流渗流。（2）煤孔隙渗透性（渗透率）和容积性（含气量）可以采用宏观观测和测定煤样割理及渗透率，并结合扫描电镜、透视电镜、压汞仪和等温吸附仪分析孔隙的微观结构，定性和定量分析煤的容积性（含气量）和渗透性。（3）煤孔隙结构差异，导致等温吸附曲线不同。兰格缪尔方程适合于微孔占绝对优势的煤炭等温吸附曲线；而弗里得里希方程适合于大、中孔占优势的煤炭等温吸附曲线；由于煤中微孔总占有较大比重，因此，兰格缪尔方程拟合煤样等温吸附曲线始终为优。2、双重孔隙介质模型•煤层一般由割理和割理切割的基岩煤块组成双重孔隙体系图1煤的双重孔隙结构3、煤块瓦斯涌出理论•煤层一般由割理和割理切割的煤岩基块组成双重孔隙体系。基岩煤块中以微孔为主，是瓦斯吸附储存空间。而割理则是气体流动的主要通道。•非吸附平衡态准稳定流模型中的煤块瓦斯运移，可采用集总参数分析方法，将煤块视为一点，该点集中了煤块质量及吸附瓦斯质量，忽略煤块的尺寸。准稳定流煤块瓦斯运移方程及定解条件xtVVPPPVVtVVVVtVeLL,0;,0;)(100000方程式的解析解：63.0)(1)()(00eeteeVVVVteVVVtV方程式的物理意义：当煤块开始解吸甲烷后，达到解吸时间τ，约有63%的可解吸甲烷解吸出来。煤层煤样的解吸时间在数小时至几百天。00.10.20.30.40.50.60.700.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.533.544.5500.10.20.30.40.50.60.70.80.91顾桥北一13-1轨道下山水力压裂钻孔煤芯解吸瓦斯的理论曲线（无量纲）顾桥北一13-1轨道下山水力压裂钻孔煤芯解吸瓦斯的理论曲线二、煤层瓦斯含量直接测定技术及方法•1绪论•2北一采区13-1煤层瓦斯含量直接测定技术及方法•3数据处理与实验结果•4煤层瓦斯含量直接测定方法（企业标准）•5煤层瓦斯含量直接测定程序与安全规程•6结论与展望1绪论•1.1项目研究目的及意义•直接测定顾桥煤矿13-1煤层瓦斯含量，制定顾桥煤矿13-1煤层瓦斯含量直接法测定与评价方法的标准体系。将对淮南矿区深部煤层开采的瓦斯治理具有重大的理论意义和应用价值，也对我国其他矿区瓦斯治理具有指导意义和示范价值。1.2国内外研究现状•1.2.1国外煤层瓦斯含量测定理论与技术•直接法测定煤层瓦斯含量方法最初是由法国贝尔塔等人在1970年提出的，主要用来估算井下水平钻孔煤芯的含气量。1973年美国矿业局将贝尔塔方法进行改进，用于地面垂直钻井取芯的瓦斯含量测定，并规范采样操作过程。因此，该方法又称为美国矿业局直接法，并得到推广应用。1.2国内外研究现状•1.2.2国内煤层瓦斯含量测定理论与技术•国内直接法测定煤层瓦斯含量技术方法沿用了美国矿业局直接法，只是改进了残余脱气方法。由于我国煤层赋存条件复杂，不同区域煤层差异性极大，为了找到合理的损失量推算模型，研发人员在实验室内进行了1000多组不同粒径与吸附平衡压力的煤样瓦斯解吸规律实验，初步得到了煤样破坏类型与解吸特征，为煤层瓦斯含量直接测定中的损失瓦斯含量推算奠定了基础。•但对含水煤样的瓦斯解吸规律缺乏深入的实验研究，全钻孔全煤芯取样解吸瓦斯实验技术需要进一步的完善。1.3主要试验研究内容•（1）原始煤层水分条件下的钻孔煤芯瓦斯解吸规律实验•（2）穿层全钻孔全煤芯取样解吸瓦斯实验技术•（3）取样煤芯解吸瓦斯实验室实验•（4）试验选择区域北一13-1煤层回风大巷顺层钻孔和北一13-1轨道下山穿层钻孔（4）试验区域2北一采区13-1煤层瓦斯含量直接测定技术及方法•2.1测定内容•(1)分别在北一13-1煤层回风大巷顺层钻孔、北一13-1轨道下山钻孔，采取钻孔全煤芯解吸瓦斯法直接测定13-1煤层瓦斯解吸量；•(2)实验室测定煤芯样品的解吸瓦斯量、残余瓦斯量、解吸瓦斯气体成分，以及工业分析实验。2.2测定方法•2.2.1煤样损失瓦斯量•2.2.2井下解吸瓦斯量•2.2.3煤样粉碎前解吸瓦斯量•2.2.4煤样粉碎后解吸瓦斯量•2.2.5不可解吸瓦斯量2.2.1煤样损失瓦斯量2.2.2井下解吸瓦斯量•解吸时间2小时以内的解吸实验方程为：00ln(1)tQqtQQQ•瓦斯解吸速度方程为：01tqdQqdtt•采用自然对数法拟合推定损失瓦斯量，将实测得到的解吸瓦斯量Qt与解吸时间（1+t）数据转化为半对数坐标作图，如图所示。具体做法是以解吸瓦斯量Qt作为纵坐标，以解吸时间的自然对数ln(1＋t)作为横坐标作散点图，用直线接近各测点，并外延至Y坐标，得到Y坐标的截距，即为损失瓦斯量。•煤的损失瓦斯量也可以用Excel表的做图和数据处理程序得到y=874.45Ln(x)-0.0003R2=0.99610500100015002000250030003500400001020304050607080y=723.42Ln(x)-1770.9R2=0.995802004006008001000120014000102030405060702.2.3煤样粉碎前解吸瓦斯量•采用排水集气法测定瓦斯量。井下送交煤样罐检查气密性确认不漏气后，将煤样罐的出气口用胶管连接到量筒的进气口，打开煤样罐阀门和秒表，每隔1分钟记录排水的体积(cm3)和时刻（min）。•连续观察记录60～120min，当煤样罐的出气量小于2cm3/min时，得到煤样粉碎前解吸瓦斯量。关闭煤样罐阀门。2.2.4煤样粉碎时的解吸瓦斯量•将粉碎机的出气胶管与水瓶的进气口连接好。记录初始水瓶读数。打开粉碎机的开关和秒表，粉碎机开始振动粉碎煤样并脱气，然后按秒表指示的分钟整数时刻，每隔1min读数，记录排水的体积和时刻。连续粉碎观察记录30min，得到煤样粉碎后解吸瓦斯量。关闭粉碎机的开关。2.2.5不可解吸瓦斯量•大气压下煤样不可解吸瓦斯含量，可用低压吸附试验法确定。实验测得北一13-1轨道下山3#压裂钻孔13-1煤层煤样的大气压下吸附瓦斯含量1.133～1.677，平均为1.40m3/t。•或按等温曲线公式计算：根据顾桥矿13-1煤层实验分析数据的平均值，计算得到1.235m3/t。40.1110010.110.31100abAMKQbMk2.2现场考察技术方案2.2.1北一13-1煤层回风大巷顺层钻孔2.2.2北一13-1轨道下山考察钻孔2.3钻孔煤样井下解吸瓦斯量测定程序2.3.1井下解吸瓦斯实验方法•实验准备工作•煤样采集•井下自然解吸瓦斯量测定实验步骤2.3钻孔煤样井下解吸瓦斯量测定程序•2.3.2顺层钻孔打钻取样操作程序•2.3.3穿层钻孔打钻取样操作程序•2.3.4井下煤样解吸瓦斯测试记录程序2.4地面解吸瓦斯操作程序（1）地面实验人员收到煤样罐后，应先测定煤样罐的解析瓦斯压力，检查煤样罐的气密性，确认不漏气后，方可进行地面解吸瓦斯实验。并事先将解吸仪的水瓶充满清水，准备好记录表格和笔。（2）将煤样罐的出气口用胶管连接到水瓶的出气口，记录初始水瓶读数。（3）打开煤样罐阀门和秒表，然后按秒表指示的分钟整数时刻，每隔1分钟读数，记录排水的体积(cm3)和时刻（min）。（4）连续观察记录60～120分钟，当煤样罐的出气量小于2cm3/min时，关闭煤样罐阀门。2.5地面粉碎煤样解吸瓦斯操作程序•（1）当煤样罐的出气量小于2cm3/min时，快速打开煤样罐盖，取出200～400g煤样，称重记录后，装入粉碎机的容器内。•（2）将容器放在粉碎机上，并拧紧压盖，盖上粉碎机的盖子。将粉碎机的出气胶管与水瓶的进气口连接好。记录初始水瓶读数。•（3）打开粉碎机的开关和秒表，粉碎机开始振动粉碎煤样并脱气，然后按秒表指示的分钟整数时刻，每隔1分钟读数，记录排水的体积(cm3)和时刻（min）。•（4）连续粉碎观察记录30min，关闭粉碎机的开关。2.6数据处理程序•（1）将煤样解吸得到的气体体积按下式换算为标准状态下体积•（2）煤层自然瓦斯成分计算•（3）各阶段瓦斯体积换算•（4）各阶段气体体积计算•（5）煤层瓦斯含量计算01234XXXXXX3数据处理与实验结果3.1北一13-1煤层回风大巷顺层钻孔3.1.1北一13-1煤层回风大巷1#考察钻孔实验数据与处理3.1.1北一13-1煤层回风大巷1#考察钻孔实验数据与处理y=666.5Ln(x)-0.0794R2=0.9929050010001500200025003000010203040506070801#考察钻孔20米处取煤芯解吸瓦斯量曲线及回归方程3.1.1北一13-1煤层回风大巷1#考察钻孔实验数据与处理y=588.63Ln(x)+0.5446R2=0.999305001000150020002500010203040501#考察钻孔30米处取煤芯解吸瓦斯量曲线及回归方程3.1.1北一13-1煤层回风大巷1#考察钻孔实验数据与处理y=498.95Ln(x)-0.0571R2=0.99910200400600800100012001400160018002000010203040501#考察钻孔40米处取煤芯解吸瓦斯量曲线及回归方程3.1.2北一13-1煤层回风大巷2#考察钻孔实验数据与处理y=351.56Ln(x)+0.0768R2=0.99950200400600800100012001400160001020304050602#考察钻孔20米处取煤芯解吸瓦斯量曲线及回归方程3.1.2北一13-1煤层回风大巷2#考察钻孔实验数据与处理y=770.51Ln(x)+0.0351R2=0.9979050010001500200025003000350001020304050602#考察钻孔30米处取煤芯解吸瓦斯量曲线及回归方程3.1.2北一13-1煤层回风大巷2#考察钻孔实验数据与处理y=693.76Ln(x)+0.3233R2=0.999705001000150020002500300035000102030405060702#考察钻孔40米处取煤芯解吸瓦斯量曲线及回归方程3.2北一13-1轨道下山考察钻孔3.2.1北一13-1轨道下山1号考察钻场钻孔实验数据与处理y=464.16Ln(x)+0.5056R2=0.99820200400600800100012001400160018002000220001020304050607080901-2#考察钻孔22米处取煤芯(1-5mm)