煤层瓦斯参数测定

主讲人：袁军伟博士/副教授电话：[phone]E-mail：[e-mail]微信：yjw3056724002020/4/21红旗公司瓦斯治理专项培训瓦斯基础参数测定个人简介袁军伟：河南许昌人，现就职于河南理工大学安全学院，主要从事瓦斯灾害预测与防治的教学与科研工作。2003年毕业于焦作工学院采矿工程专业（本科）；2006年毕业于河南理工大学采矿工程专业（硕士）；2006.7-2007.12安全学院瓦斯地质研究所；2008年-安全学院瓦斯灾害防治技术及装备研究所；2010.9-2014.6中国矿业大学（北京）安全技术及工程专业（博士）。主要参数测定及计算一、煤层瓦斯含量测定二、煤层瓦斯压力测定三、煤层透气性系数计算四、煤层百米钻孔瓦斯流量衰减系数测试五、抽采影响半径测定1.相关规定的要求《煤矿安全规程》《防治煤与瓦斯突出细则》《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》（AQ1024-2006）《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026-2006）《煤矿瓦斯抽采规范》（AQ1027-2006）瓦斯基本参数测定的重要性2.瓦斯治理的需要煤矿通风设计矿井瓦斯涌出量预测瓦斯突出防治煤矿井下瓦斯抽采瓦斯基本参数测定的重要性瓦斯基本参数测定的重要性3.瓦斯资源开发利用的需要煤矿瓦斯抽采系统设计煤层气商业开发瓦斯（煤层气）利用设计一、煤层瓦斯含量测定集气法瓦斯含量测定方法直接法间接法地勘方法井下方法解吸法钻屑解吸法密闭法煤层瓦斯含量：单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（20℃，0.1MPa）的瓦斯体积称之为煤层瓦斯含量，单位m3/t和cm3/g。一、煤层瓦斯含量测定国际上现在普遍采用地勘解吸法来测定煤层瓦斯含量，建立了相关的测定标准：煤层气含量测定方法（GB/T19559-2004）地勘时期煤层瓦斯含量测定方法（AQ1046-2007）USBM解吸法Smith—Williams解吸法一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法PCH4煤层泥浆vv钻孔P泥浆P泥浆P空气PCH4PCH4一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法1、采样采样准备：1）所有用于取样的煤样罐在使用前必须进行气密性检测；气密性检测可以通过向煤样罐注空气至1.5MPa以上，关闭后搁置12h，压力不降低方可使用。不应在丝扣及胶垫上涂润滑油。2）解吸仪在使用前，将量管内灌满水，放置10min量筒水面不降低为合格。2）意义：煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据，是矿井瓦斯抽采设计的重要参数之一。煤样采集：采集煤芯。一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法1234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234123412341234我国地勘瓦斯含量测定装备一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法二、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法欧美国家地勘瓦斯含量测定装备一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法ttKVs0瓦斯损失量计算图一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法VSV1V2V3采样：用普通岩芯管采取煤芯(煤样)，当煤芯(煤样)提升至地表之后选取300～400g立即装入密封罐中，在采样过程中，注意记录开始提芯、煤芯提至地表和装罐前在空气中暴露的时间。瓦斯解吸量测定：煤样装入密封罐后，先将穿刺针头插入罐盖上的胶垫圈，再拧紧罐盖，并通过针头将密封罐与解吸仪连接，开始测量煤样解吸瓦斯量随时间的变化。测量2h后，得出累计瓦斯解吸体积V1，然后取出针头，将密封罐送至实验室，进行脱气和气体分析。损失瓦斯量推算：煤样在最初暴露的一段时间内，累计解吸瓦斯量与煤样解吸时间的平根成正比，即：VS=K残存瓦斯量实验室测定：经解吸测定的煤样，在密封状态下加热(95℃)真空脱气，确定V3，再粉碎后脱气，确定V4，气体组份分析煤样称重并进行工业分析tto一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法地勘瓦斯含量可靠性评价：⑴煤样灰分含量不得超过40%；⑵煤样现场瓦斯解吸测定后，必须密封装罐，脱气前不漏气；⑶煤样重量不得少于250g；⑷瓦斯带测定煤样甲烷成分不低于80%；⑸同一钻孔同一煤层有两个或两个以上的瓦斯含量测值，且均满足条件⑴～⑷时，按最大值确定煤层瓦斯含量。一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法存在问题：瓦斯含量测值随深度增加而减少04812020040060080010001200Xl(cm3/g．r)h(m)一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法11161712D15N2G141318F10E2C1CH19987354BA64ⅡⅠdacb泥浆介质取芯模拟试验装置结构示意图一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法研制的泥浆介质取芯模拟测试装置解决了二大技术难题：1.提钻过程泥浆压降模拟；2.提钻过程漏失瓦斯量实时精确测定。测定装备申报了发明专利；实验得到了“漏失瓦斯量不能用简单的计算公式来推算”的结论。一、煤层瓦斯含量测定（1）地勘解吸法提钻过程泥浆压降实际模拟曲线一、煤层瓦斯含量测定（2）钻屑解吸法要求：钻屑采自原始煤体，孔深超过12m钻屑采集方法与器具测定步骤：（1）采样：孔口取样，粒度为1-3mm，煤样100-200g；（2）煤样瓦斯解吸量测定；（3）取样过程中的瓦斯解吸量推算；（4）煤样残存瓦斯量测定；（5）瓦斯含量计算。一、煤层瓦斯含量测定（2）钻屑解吸法•原理：与地勘解吸法类似•与地勘解吸法的区别：损失瓦斯量推算方法不同•取样损失量推算公式：qt=qoe-kt缺点：无法定点取样；要推算取样损失量、测定残存瓦斯量，测定周期长。]1[102ktekrQ一、煤层瓦斯含量测定（2）钻屑解吸法现在已经不再采用！Ⅱ型定点取样器Ⅲ型定点取样器Ⅰ型定点取样器一、煤层瓦斯含量测定（2）钻屑解吸法t1t1′V1VtV1′取样时间t1对瓦斯含量测定的有什么影响呢?为何要在2min内？一、煤层瓦斯含量测定（2）钻屑解吸法一、煤层瓦斯含量测定（3）间接法KPMMAbPabPXadadd1031.0111001001朗格缪尔方法：瓦斯压力测定吸附常数测定工业分析和孔隙率公式计算缺点：需测参数多，周期长煤层原始瓦斯压力：当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力，单位为MPa（兆帕）。煤层残存瓦斯压力：当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，煤层中残留瓦斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为MPa。二、煤层瓦斯压力测定瓦斯压力测定方法测压方式被动式主动式封孔材料胶圈-粘液封孔注浆封孔黄泥封孔测压地点井下测压地面测压穿层钻孔测压煤层测压二、煤层瓦斯压力测定二、煤层瓦斯压力测定（1）地面钻孔测压黄泥（石膏）封孔二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压适用条件：封孔长度不能太长，一般10m；测压处岩石坚硬、少裂隙；穿层钻孔测压。注浆封孔法适用条件：松软岩层或煤巷测压；煤层群分层测压；穿层钻孔测压；用于煤层孔测压时，煤层倾角应该大于10°;钻孔长度≥15m.二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压胶圈粘液封孔适用条件：松软岩层穿层钻孔测压或煤巷测压；钻孔长度≤15m。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压液压封孔适用条件：封孔长度不能太长，一般10m；测压处岩石坚硬、少裂隙；穿层钻孔测压。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压391、黄泥封孔适用性：可用于任何角度的测压孔优点：不干裂，不收缩，密封性好；缺点：费时费力，封孔质量不好易漏气。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压402、水泥砂浆封孔适用性：只可用于45°的上向或下向测压孔优点：操作简单缺点：水泥砂浆具有一定收缩性收缩线二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压413、聚氨酯封孔适用性：可用于任何角度的测压孔优点：具有发泡膨胀性，充填效果好缺点：造价高，操作难度较大软胶囊聚氨酯式麻布聚氨酯式二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压42黑白料配比1：0.71：0.81：0.91：1.01：1.11：1.21：1.3透气压力/MPa0.91.21.351.471.561.71.72配比1：0.71：0.81：0.91：1.01：1.11：1.21：1.3膨胀倍数5.06.47.28.59.08.27.5膨胀开始时间／min222.534763、聚氨酯封孔不同配比聚氨酯膨胀倍数和膨胀时间不同配比聚氨酯透气性能二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压434、机械式胶圈封孔器适用性：可用于任何角度的测压孔优点：采用机械螺旋压紧胶圈的方式，操作方便，设备简单缺点：孔壁不光滑时，胶圈与孔壁接触不严，易漏气二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压445、充液式胶圈封孔器适用性：可用于任何角度的测压孔优点：采用液压的方式充涨胶囊，可采用手动加压，操作方便，设备简单。缺点：孔壁不光滑时，胶圈与孔壁接触不严；孔壁变形后封孔器难以取出。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压456、胶圈-粘液封孔适用性：可用于任何角度的测压孔，裂隙发育优点：可有效封堵围岩裂隙，处于承压状态缺点：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压467、胶囊-粘液封孔适用性：可用于任何角度的测压孔，裂隙发育优点：可有效封堵围岩裂隙，处于承压状态缺点：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压477、囊带式封孔器适用性：可用于任何角度的测压孔优点：囊袋及钻孔内浆液凝固，不用定时补压，有效时间长缺点：造价高，操作难度较大二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压测压地点选择：同一地点应打两个测压钻孔，钻孔口距离应在其相互影响范围外，其见煤点的距离除石门测压外应不小于50m；除煤巷中测定本煤层瓦斯压力外，测定地点应选择在石门或岩巷中；钻孔应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围；测定煤层原始瓦斯压力的见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道、采动及抽采等的影响范围；选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度；瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压测定方法的选择：测压处岩石坚硬、少裂隙，可采用黄泥、水泥封孔测压法。在松软岩层及煤巷中测定煤层的瓦斯压力时，钻孔长度≤15m时应采用胶囊一密封粘液封孔测压法；钻孔长度＞15m时应采用注浆封孔测压法。竖井揭煤可采用注浆封孔测压法。测定邻近煤层的瓦斯压力或煤层群分层测压应采用注浆封孔测压法。测压时间充足时，宜采用被动测压法。测压时间紧迫时，应采用主动测压法。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压封孔深度：（1）封孔深度应超过钻孔施工地点巷道的影响范围，并满足以下要求:⊙黄泥、水泥封孔测压法的封孔深度应不小于5m；⊙胶囊一粘液封孔测定本煤层瓦斯压力的封孔深度应不小于10m；⊙注浆封孔测压法的封孔深度不小于12m，煤层群分层测压时则应封堵至被测煤层在钻孔侧的顶板或底板；（2）应尽可能加长测压钻孔的封孔深度。（3）本煤层测压孔封孔应保证其测压气室长不小于1.5m，穿层测压孔的封孔不宜超过被测煤层在钻孔侧的顶板或底板。二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压图5-11测压孔Ⅰ类瓦斯压力恢复曲线00.20.40.60.811.21.41.61.8201020304050测定时间（day)表压力（MPa)Ⅰ类瓦斯压力恢复曲线瓦斯压力测值可靠性判断：二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压图5-12测压孔Ⅱ类瓦斯压力恢复曲线00.511.522.501020304050测定时间（day)表压力（MPa)Ⅱ类瓦斯压力恢复曲线瓦斯压力测值可靠性判断：二、煤层瓦斯压力测定（2）井下钻孔测压图5-13测压孔Ⅲ类瓦斯压力恢复曲