瓦斯防治第2讲

1、第第2讲讲 瓦斯赋存介质瓦斯赋存介质-煤的孔隙特征与吸煤的孔隙特征与吸附性能及瓦斯压力测定附性能及瓦斯压力测定王亚军黑龙江科技学院安全工程学院黑龙江科技学院安全工程学院20102010年年现在拟就以下现在拟就以下3 3方面内容进行阐述：方面内容进行阐述：1、煤的孔隙特征、煤的孔隙特征2、煤的吸附性能、煤的吸附性能3、煤层瓦斯压力的测定、煤层瓦斯压力的测定主要内容主要内容一、一、 孔隙类别孔隙类别 微孔：直径微孔：直径 10-1 mm，层流和紊流混合渗透区间。层流和紊流混合渗透区间。 煤中孔隙分类煤中孔隙分类渗透容积：小孔至可见孔渗透容积：小孔至可见孔孔隙体积之和。孔隙体积之和。总孔隙体积：吸附

2、容积和总孔隙体积：吸附容积和渗透容积之和。渗透容积之和。中孔：直径中孔：直径10-4 mm10-3 mm，缓慢层流渗透区间。，缓慢层流渗透区间。大孔：直径大孔：直径10-3mm10-1mm，强烈的层流渗透区间。，强烈的层流渗透区间。小孔：直径小孔：直径10-5mm10-4mm，毛细凝结和瓦斯扩散空间。，毛细凝结和瓦斯扩散空间。课题1：煤的孔隙特性总孔隙体积总孔隙体积/ /煤体积煤体积= =孔隙率孔隙率煤的孔隙裂隙特征煤的孔隙裂隙特征1000VVVf%100)1 (100)11(100000MMMf0、%20dAdrAV0065. 0)(53. 106. 0%20dAdrAV0065. 0005

3、. 042. 1drrAVV01. 0665. 0778. 00MVVf0cm3/g011f ff 分类分类孔隙体积百分比孔隙体积百分比/%孔隙表面积百分比孔隙表面积百分比/%微微孔微微孔12.562.2微孔微孔42.235.1小孔小孔28.12.5中孔中孔17.20.2研究煤体孔隙裂隙分布状况采用压汞法测定煤体孔隙度、孔喉直径；采用低温氮法测定煤体孔隙比表面、孔体积；采用压汞法和低温氮法相结合的方法研究孔隙结构、孔径分布及孔隙连通性。孔隙率等参数测定孔隙率等参数测定压汞法（压汞法（Mercury porosimetry），又称汞孔隙率法。是测），又称汞孔隙率法。是测定部分定部分中孔中孔和和大

4、孔大孔孔径分布的方法。基本原理是，汞对一孔径分布的方法。基本原理是，汞对一般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外压，外压越大，汞般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外压，外压越大，汞能进入的孔半径越小。测量不同外压下进入孔中汞的量即能进入的孔半径越小。测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。目前所用压汞仪使用压力最大可知相应孔大小的孔体积。目前所用压汞仪使用压力最大约约200MPa，可测孔半径范围为，可测孔半径范围为3.75750nm。矿矿 井井挥发份挥发份/%孔隙率孔隙率/%抚顺老虎台矿抚顺老虎台矿45.7614.05鹤岗大陆鹤岗大陆31.8610.6开滦马家沟开滦马家沟12煤煤26.

5、86.59本溪田师付本溪田师付8煤煤13.716.7阳泉三矿阳泉三矿3 煤煤6.6614.1焦作王封大煤焦作王封大煤5.8218.5我国一些矿井煤的孔隙率我国一些矿井煤的孔隙率Vr/%f /%焦煤焦煤 瘦煤瘦煤长长无无)exp(0ff f过程与原理过程与原理 课题2：煤的吸附性能P or tP or t吸吸附附PXt=const等温吸附线等温吸附线tXP=const等压吸附线等压吸附线bPabPX1bPabPkX1100100)(exp(31. 0110wAttnwknkPX/1nEPPTaX)/ln(574. 4exp00WXXgch31. 0111001000wAXX3.1 3.1 煤层瓦

6、斯压力的概念煤层瓦斯压力的概念 煤层瓦斯压力概念煤层瓦斯压力概念赋存在煤层孔隙赋存在煤层孔隙中的游离瓦斯所中的游离瓦斯所表现出来的气体表现出来的气体压力。压力。当煤的孔隙率相同当煤的孔隙率相同时，游离瓦斯量与时，游离瓦斯量与瓦斯压力成正比瓦斯压力成正比当煤的吸附瓦斯能当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤的斯压力越高，煤的吸附瓦斯量越大。吸附瓦斯量越大。课题3：煤层瓦斯压力的测定（H1,P1）(H2,P2)(H,P)H(m)P(MPa)nHHPP)()(12121212HHPPgp11)(PHHgPp00)(PHHgPp2211fXfXffq3.2 3.2 煤层瓦斯压力

7、的测定方法煤层瓦斯压力的测定方法 测压的封孔方法测压的封孔方法煤层瓦斯压力测定煤层瓦斯压力测定测压测压技术施工方法技术施工方法从围岩巷道（石从围岩巷道（石门或围岩钻场）门或围岩钻场）向煤层打孔径为向煤层打孔径为505075mm75mm的钻孔的钻孔，孔中放置测压，孔中放置测压管，将钻孔封闭管，将钻孔封闭后，用压力表直后，用压力表直接进行测定。接进行测定。填料填料封孔法封孔法封孔器封孔法封孔器封孔法胶圈封孔器法胶圈封孔器法胶圈胶圈粘液封粘液封孔器法孔器法课题3：煤层瓦斯压力的测定q3.3 3.3 煤层瓦斯压力的测定方法煤层瓦斯压力的测定方法 填料封孔法填料封孔法填料封孔法是应用最广泛的一种填料封孔

8、法是应用最广泛的一种测压封孔方法。采用该法时，在测压封孔方法。采用该法时，在打完钻孔后，先用水清洗钻孔，打完钻孔后，先用水清洗钻孔，再向孔内放置带有压力表接头的再向孔内放置带有压力表接头的测压管，管径约为测压管，管径约为6 68mm8mm，长度，长度不小于不小于6m6m，最后用充填材料封孔，最后用充填材料封孔。图为填料法封孔结构示意图。图为填料法封孔结构示意图1 1前端筛管；前端筛管；2 2挡料圆盘；挡料圆盘；3 3充填材料；充填材料；4 4木楔；木楔；5 5测压管；测压管；6 6压力表；压力表；7 7钻孔钻孔技术方法技术方法封孔结构示意图封孔结构示意图课题3：煤层瓦斯压力的测定3m测压管测压

9、管检查管检查管注浆管注浆管q3.3 3.3 煤层瓦斯压力的测定方法煤层瓦斯压力的测定方法 封孔器封孔法封孔器封孔法主要优点：简便易行，封孔器可主要优点：简便易行，封孔器可重复使用；重复使用；缺点：封孔深度小，且要求封孔缺点：封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。段岩石必须致密、完整。 优缺点优缺点结构示意图结构示意图胶圈封孔器法胶圈封孔器法1 1测压管；测压管；2 2外套管；外套管；3 3压紧螺帽；压紧螺帽；4 4活动挡圈；活动挡圈；5 5固定挡圈；固定挡圈；6 6胶圈；胶圈；7 7压力表；压力表；8 8钻孔钻孔课题3：煤层瓦斯压力的测定q3.3 3.3 煤层瓦斯压力的测定方法煤层瓦斯压

10、力的测定方法 封孔器封孔法封孔器封孔法主要优点：封孔主要优点：封孔段长度大，压力段长度大，压力粘液可渗入封孔粘液可渗入封孔段岩（煤）体裂段岩（煤）体裂隙，密封效果好隙，密封效果好。特点特点结构示意图结构示意图胶圈胶圈压力粘液封孔器法压力粘液封孔器法课题3：煤层瓦斯压力的测定测压管测压管胶圈胶圈注粘液注粘液q4.1 4.1 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量：指单位质量或体积的煤中所含有的煤层瓦斯含量：指单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯量，单位是瓦斯量，单位是m m3 3/t/t或或m m3 3/m/m3 3。 原始瓦斯含量：指煤层未受采动影响时的瓦斯含量原始瓦斯含量：指煤层未受采动影响时的瓦

11、斯含量。残存瓦斯含量：残存瓦斯含量：指煤层受到采动影响，已经排放出指煤层受到采动影响，已经排放出部分瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯含量部分瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯含量。三三种种含含量量的的定定义义 课题1：煤层瓦斯含量00TPVPTXy压压 力力(MPa)温温 度度 ()010203040500.11.02.03.04.05.06.07.01.000.970.950.920.900.870.850.831.041.021.000.970.950.930.900.881.081.061.041.021.000.980.950.931.121.101.081.061.041.021.000.981.

12、161.141.121.101.081.061.051.041.201.181.161.141.121.111.101.09tmWAWebpabpXttnx3)(,10010031. 01110pn07.0993.002.00200400600800200400600800V/mltt 0GVVVVX43210X0煤样的原始瓦斯含量，ml/g;V1煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯体积，ml；V2计算出的瓦斯损失量，ml；V3煤样粉碎前的脱出量，ml；V4煤样粉碎后的脱出量，ml；G煤样重量，g； 抚顺分院在抚顺分院在1980198019811981年期间，研究提出了钻屑解吸法测定煤年期间，研究提

13、出了钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。与在层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。与在地勘钻孔中应用相比，该法在井下煤层钻孔应用的明显优点：地勘钻孔中应用相比，该法在井下煤层钻孔应用的明显优点： 一是煤样暴露时间短，一般为一是煤样暴露时间短，一般为3 35min5min，且易准确进行测定；，且易准确进行测定； 二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和泥浆压力的影响。泥浆压力的影响。 式中式中 q-在解析时间为在解析时间为t时煤样的解析瓦斯速度，时煤样的解析瓦斯速度，ml/g.m

14、in q1-t=1min时煤样瓦斯解析速度，时煤样瓦斯解析速度，ml/gmin； k-解析速度随时间的衰减系数；解析速度随时间的衰减系数；在解析时间为在解析时间为t t时累计的解析瓦斯量为：时累计的解析瓦斯量为：钻孔见煤至煤样测定解吸这段时间钻孔见煤至煤样测定解吸这段时间t t0 0，损失的瓦斯量为：，损失的瓦斯量为：式中式中 Q2-煤样瓦斯损失量，煤样瓦斯损失量，ml/g； t0-煤样解吸前的暴露时间，煤样解吸前的暴露时间，min。当当k1时，无解，只适用于时，无解，只适用于k1的情况。的情况。现场解吸瓦斯量、残存量计算与地勘解吸计算方法相同。现场解吸瓦斯量、残存量计算与地勘解吸计算方法相同

15、。-k1q= q tt-k1-k 110qQ=q t dt=t1-k 中国矿业大学的俞启香教授提出了一种新的钻屑解吸法，中国矿业大学的俞启香教授提出了一种新的钻屑解吸法，简称钻屑解吸法简称钻屑解吸法(B)(B)。和钻屑解吸法。和钻屑解吸法(A)(A)相比，钻屑解吸法相比，钻屑解吸法(B)(B)只是对取样时的钻屑损失瓦斯量计算作了改进，改进后只是对取样时的钻屑损失瓦斯量计算作了改进，改进后的方法适应于所有煤层，无论突出煤还是非突出煤，也无的方法适应于所有煤层，无论突出煤还是非突出煤，也无论煤样粒度。论煤样粒度。损失量计算公式：损失量计算公式：式中式中r r0 0钻屑开始解吸瓦斯时的解吸瓦斯速度；

16、钻屑开始解吸瓦斯时的解吸瓦斯速度；k k常数；常数； t t1 1煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。 1102ktekrQ 无论是钻屑解吸法无论是钻屑解吸法A A或或B B，均要计算，均要计算取样损失量取样损失量、残存残存量量这些测定在需要在专门的实验室完成，因此测定周期长。这些测定在需要在专门的实验室完成，因此测定周期长。为了实现井下煤层瓦斯含量快速测定，抚顺分院在为了实现井下煤层瓦斯含量快速测定，抚顺分院在1993199319951995年期间提出了一种新的钻屑解吸法年期间提出了一种新的钻屑解吸法钻屑解吸法钻屑解吸法(C)(C)，研制了研制了WP-

17、1WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。 计算公式：计算公式：式中式中X煤层瓦斯含量，煤层瓦斯含量，ml/g；ab反映反映X与与V1间特性常数，不同煤层值不同；间特性常数，不同煤层值不同； V1煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。1XabVKt煤样瓦斯解吸速度衰减系数，煤层瓦斯突出危险性重要煤样瓦斯解吸速度衰减系数，煤层瓦斯突出危险性重要指标之一；指标之一；K1煤屋瓦斯突出危险性重要指标之一，煤屋瓦斯突出危险性重要指标之一，cm3/g.min；V1单位重量煤样暴露第一分钟的瓦斯解吸速度，与煤层单位重量煤样暴露第一分钟的瓦斯解

18、吸速度，与煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力有直接关系，瓦斯含量、煤层瓦斯压力有直接关系，cm3/g.min;Q2瓦斯解吸速度衰减系数；瓦斯解吸速度衰减系数；W煤层瓦斯含量预测值，煤层瓦斯含量预测值，cm3/g;P煤层瓦斯压力预测值，煤层瓦斯压力预测值，MPa;R相关系数，反映测定结果的可靠性。相关系数，反映测定结果的可靠性。pX(1) 在掘进巷道的新鲜暴露煤面，用煤电钻打眼采煤样，煤在掘进巷道的新鲜暴露煤面，用煤电钻打眼采煤样，煤样粒度为样粒度为0.10.2mm，重量为，重量为6075g，装入密封罐。，装入密封罐。(2) 用井下钻孔自然涌出的瓦斯作为瓦斯源，用特制的高压用井下钻孔自然涌出的瓦斯作为瓦斯源，用特制的高压打气筒，将钻孔涌出的瓦斯打入密封罐内。为了排除气筒打气筒，将钻孔涌出的瓦斯打入密封罐内。为了排除气筒和罐内残存的空气，应先用瓦斯清洗气筒