煤层瓦斯含量直接测定方法

1、2 煤层瓦斯含量直接测定方法2.1 国内外概况直接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，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了改进，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。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，采用了真空残余脱气方法（沈阳分院），但带来不可控的漏气误差。重庆分院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，得到了煤样破坏类型与解吸特征，开发了dgc型瓦斯含量直接测定装置，见图1。但对含水煤样的瓦斯

2、解吸规律缺乏深入的实验研究。图1 重庆分院dgc型瓦斯含量直接测定装置20102012年中国矿业大学在做淮南矿区瓦斯项目时，通过大量现场解吸实验，得到原始煤层水分条件下的钻孔煤屑瓦斯解吸2小时以内的规律，创立了全钻孔全煤芯取样解吸瓦斯实验技术，用于直接测定煤层瓦斯含量和瓦斯压力，见图2。图2 中国矿业大学瓦斯含量直接测定装置与在线分析气体成分分析系统2.2测定方法煤层瓦斯含量直接测定法依据国家标准gb/t 23250-2009 煤层瓦斯含量井下直接测定方法。直接、准确测定煤层瓦斯含量，用于矿井采掘部署、开拓延伸设计、煤层瓦斯赋存规律、瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采效果评价、煤层气资源评价、突出危险性

3、区域预测及区域验证等方面。 煤层瓦斯含量直接测定法中瓦斯含量由5部分组成：煤样损失瓦斯量x0、井下解吸瓦斯量x1、煤样粉碎前解吸瓦斯量x2、煤样粉碎后解吸瓦斯量x3、大气压下不可解吸瓦斯量x4。煤样损失瓦斯量为煤体暴露至装入煤样罐损失的解吸瓦斯量。不可解吸瓦斯量为大气压下煤样粉碎后仍残存在煤体中的瓦斯量，常压下不可解，对突出没有贡献，也无法抽采利用。2.2.1煤样损失瓦斯量重庆分院采用测定煤样初始解吸速度、损失时间，采用瓦斯解吸速度模型推算得到 。中国矿业大学根据原始煤层水分条件下的钻孔煤屑瓦斯解吸规律，采用3060分钟的解吸量、损失时间，应用瓦斯解吸量模型推算得到，单位煤重的解吸瓦斯量x0=

4、/g。有效地消除了速度误差。解吸时间2小时以内的解吸实验方程为：式中： t时刻的实际瓦斯解吸量，；t时刻的井下测定的瓦斯解吸量，；井下损失瓦斯量，；瓦斯解吸时间，；损失时间（煤样暴露时间），；测定时间，；g解吸煤样重量，g。瓦斯解吸速度方程为： 时刻的瓦斯解吸速度，；时的初始瓦斯解吸速度，；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。2.2.2井下解吸瓦斯量采用排水集气法测定瓦斯量。采取的煤样装入煤样罐后，将煤样罐与水量筒连接好，每隔每隔1分钟记录量管重量读数及测定时间，连续观测3060min或解吸量小于1g(cm3/min)，将观测结果填写到记录表中，得到井下解吸瓦斯量。单位

5、煤重的解吸瓦斯量x1=/g。2.2.3煤样粉碎前解吸瓦斯量采用排水集气法测定瓦斯量。井下送交地面实验室的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3060min左右，当煤样罐的出气量小于2 cm3/min时，得到煤样粉碎前解吸瓦斯量。单位煤重的粉碎前解吸瓦斯量x2=/g。2.2.4煤样粉碎时的解吸瓦斯量采用排水集气法测定瓦斯量。当煤样罐的出气量小于1 cm3/min时，快速打开煤样罐盖，取出煤样200g称重,精确到0.1g，装入粉碎机的容器内。将容器放在粉碎机上，盖上粉碎机的盖

6、子，并拧紧压盖。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35分钟，每隔5分钟读数，记录排水的体积 (cm3)和时刻（min）。直至解吸停止。得到煤样粉碎后解吸瓦斯量。单位煤重的粉碎后解吸瓦斯量x3=/200。2.2.5不可解吸瓦斯量大气压下煤样不可解吸瓦斯含量，一般采用等温吸附试验常数a、b值计算得到：式中：煤在标准大气压下的不可解吸瓦斯量，； 吸附常数，； 吸附常数，； 煤中水分含量，； 煤中灰分含量，； 煤的孔隙容积，；煤的真密度，。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参照煤层瓦斯含量井下直接测定方法（gb/t

7、 232502009）和地质勘探时期煤层瓦斯含量测定方法，采用改进的钻孔全煤芯解吸瓦斯量测定方法，见图3。井下自然解吸瓦斯量采用解吸称量仪测定。煤样罐通过排气管与解吸称量仪的水量罐连接后，随即有从煤样泄出的瓦斯进入水量罐，用排水称重法将瓦斯收集在水量罐内。l 实验准备工作1）所有用于取样的煤样罐在使用前必须进行气密性检测；气密性检测可通过向煤样罐内注空气至表压1.0mpa，关闭后搁置12h，压力不降方可使用。2）解吸仪在使用之前，将水量罐注满水，放置在电子称上，电子称读数±1g为合格。l 煤样采集1）采样钻孔布置：同一地点至少应布置两个取样钻孔，间距不小于5m。2）采样方式：在未经过

8、瓦斯抽采的石门、岩石巷道或新暴露的采掘工作面向煤层打钻，定点取样采集煤芯，采集煤芯时一次取芯长度应不小于0.4m。3）采样深度：采样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：在采掘工作面取样时，采样深度应根据采掘工作面的暴露时间来确定，但不得小于12m；在石门或岩石巷道采样时，距煤层的垂直距离应视岩性而定，但不得小于5m。测定残余瓦斯含量时,取样不受此限制。4）采样时间：采样时间是指用于瓦斯含量测定的煤样从割芯（或钻进）到被装入煤样罐密封所用的实际时间。采样时间越短越好，一般不超过10min。5）取出煤样后，保持自然状态装入密封罐中，不可压实，罐口保留约10mm 空隙。6）煤样罐密

9、封前，应将所有容器罐的阀门打开，并用软胶管连接煤样罐和水量罐，水量罐应置于电子称上。用扳手拧紧罐盖，按下秒表，开始测定瓦斯解吸量。7）参数记录：采样时，应同时收集以下有关参数记录在附表中。主要包括：a) 地质参数：取样地点、煤层名称、埋深（地面标高、煤层底板标高）、采样深度、钻孔方位、钻孔倾角；b) 时间参数：采样日期、取芯（屑）开始时间、取芯（屑）结束时间、煤样装罐结束时间、开始解吸时间等；c) 样品参数：罐号、样品编号。l 井下自然解吸瓦斯量测定实验步骤1）煤样罐通过排气管5 与解吸称量仪连接后，随即有从煤样泄出的瓦斯进入量管，用排水称重法将瓦斯收集在水量罐内。2） 每间隔一定时间记录电子

10、称读数t 、g（1 g = 1cm3）及测定时间t ，连续观测60120 min 或解吸量小于2cm3/min 为止。开始观测前30min 内，间隔1 min，以后每隔(25)min 读数一次；同时记录气温、水温及大气压力。3） 如果水量罐体积不足以容纳60 min 内从煤样泄出的全部瓦斯，可交替使用2个水量罐的水重，连续称重观测。4） 如果在解吸称量仪观测中没有瓦斯泄出，应当检查排气管及煤样罐是否堵塞。如果没有堵塞，则是瓦斯含量过小所至，此时，即可终止观测，送实验室测定。5） 观测结束后，关闭煤样罐的阀门。将压紧螺丝稍加拧紧。6） 煤样罐密封运到井上后，要进行试漏，将煤样罐沉入清水中，仔细观

11、察5min，检查有无气泡冒出。如果发现有气泡渗出，则要更换煤样罐或胶垫重新取样。如不漏气，可以送实验室继续进行实验，测定残存瓦斯含量。图3 称重法测量煤样解吸瓦斯量原理图2.3.2 顺层钻孔打钻取样操作程序（1）准备好所要用来采集煤样的煤样罐，记录煤样罐号，称量空罐质量并记录。（2）在设计钻孔位置开始钻孔，风力排渣，孔深达到预计深度时停止，并记录见煤时间，同时记录见煤深度、钻孔倾角。然后安放好塑料桶准备取样。（3）继续钻进接取煤样，记录取样开始时间。在设计取样深度内接取煤样后停止钻进，记录取样结束时间，同时记录取样深度。（4）若要对煤样进行筛分时，采样人员立即用分样筛把煤样进行筛分，然后分别装

12、入准备好的煤样罐里，记录装罐开始时间和各粒径所对应的煤样罐编号；罐口留1cm的空间，将罐口和垫片擦拭干净，装上罐盖拧好螺丝，记录装罐结束时间。（5）关闭煤样罐阀门，同时按下秒表，记录解吸开始时间。将煤样罐和秒表交给井下瓦斯含量自然解吸实验记录人员。2.3.3 穿层钻孔打钻取样操作程序（1）准备好采集煤样的煤样罐，记录煤样罐号，称量空罐重量并记录。（2）在设计钻孔深度达到预计深度前5m，改为风力排渣，钻孔见煤时停止，并记录见煤时间，同时记录见煤深度、钻孔倾角。然后安放好塑料桶准备取样。（3）继续钻孔接取煤样，记录取样开始时间。在设计取样深度内接取煤样后停止钻孔，记录取样结束时间，同时记录取样深度

13、。（4）若要对煤样进行筛分时，采样人员立即用分样筛把煤样进行筛分，然后分别装入准备好的煤样罐里，记录装罐开始时间和各粒径所对应的煤样罐编号；罐口留1cm的空间，将罐口和垫片擦拭干净，装上罐盖拧好螺丝，记录装罐结束时间。（5）关闭煤样罐阀门，同时按下秒表，记录解吸开始时间。将煤样罐和秒表交给井下瓦斯含量自然解吸实验记录人员。2.3.4 井下煤样解吸瓦斯测试记录程序（1）记录人员应事先将水罐充满清水，准备好记录表格和笔。（2）当接到煤样罐和秒表后，将煤样罐的出气口用胶管连接到水罐的出气口，开始记录初始水罐重量读数。（3）打开煤样罐阀门，然后按秒表指示的分钟整数时刻，每隔1分钟读数，记录排水的重量(g)和时刻（min）。（4）连续观察记录60分钟后，关闭煤样罐阀门。（5）将煤样罐安全送到地面实验室。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60120分钟，当煤样罐的出气量小于1 cm3/m