新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究

1、第 27卷 第 1期 2010年 03月采矿与安全工程学报Journal of Mining &Safety EngineeringVol. 27No. 1March 2010收稿日期 :2009208205基金项目 :国家重点基础研究发展计划 (973 项目 (2005cb221504作者简介 :齐黎明 (19792 , 男 , 安徽省安庆市人 , 讲师 , 从事矿山安全方面的研究 . E 2m ail :Q. cn T el :010261590332文章编号 :167323363(2010 0120111205新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究齐黎明 1,2,

2、陈学习 1, 程五一 2, 马尚权 1(1. 华北科技学院 安全工程学院 , 北京 101601; 2. 中国地质大学 工程技术学院 , 北京 100083摘要 :为了更准确的测定煤层瓦斯含量 , 提出了新型煤层瓦斯含量测定原理 , 根据煤芯瓦斯总量 守恒 , 从理论上对取芯前的煤芯瓦斯漏失量进行分析 , 采用新型煤层瓦斯含量准确测定取芯仪器 进行取芯实验 , 并测定瓦斯含量 . 结果表明 , 10%; 取芯仪器既能取到比较完整的煤芯 , 解吸法相比 , 低损失瓦斯量 . 因此 , 新方法的可靠性更高 . 关键词 :瓦斯含量 ; 取芯 ; 中图分类号 :Newly Met hod for Ex

3、act Measurement of Gas ContentQ I Li 2ming 1,2, C HN E Xue 2xi 1, CH EN G Wu 2yi 2, MA Shang 2quan 1(1. School of Safety Engineering , North China Institute of Science and Technology , Beijing 101601, China ;2. School of Engineering and Technology , China University of G eosciences , Beijing 100083,

4、 China Abstract :In order to exactly test t he gas content , we p ropo se t he p rinciple for t he new met hod of testing coal gas. Then , t he quantity of gas leakage before core drilling is t heoretically ana 2lyzed based on t he law of gas gross conservation in t he coal core ; Finally , by using

5、 t he t he core drilling equip ment which is a part of t he new type measurement inst rument of coal gas content , we measure t he gas content. The result s show t hat t he quantity of gas leakage account s for a 2bout 10%of coal core gas content ; t he core drilling equip ment can not only fetch a

6、quite com 2plete coal core but also achieve t he coal core wrapping wit h sealing fluid ; Compared wit h t he t raditional working face drilling yields desorption met hod , t he new met hod of coal gas content can ensure t hat t he coal cores are f rom t he f rontage of bores completely and reduce t

7、 he quantity of gas leakage effectively. Therefore , t he reliability of new met hod is much higher. K ey w ords :gas content ; core drill ; sealing 煤层瓦斯含量指单位重量的煤中所含有的瓦 斯量 , 它是煤与瓦斯突出危险性预测 、 煤层瓦斯储 量计算及煤层瓦斯可抽采性评价等瓦斯治理工作 的基础参数之一 125. 目前 , 瓦斯含量测定方法主要 有间接法和直接法两种 628.间接法是根据煤层原始瓦斯压力 、 工业分析数 据及其吸附常数 , 通过朗格缪

8、尔方程和气体状态方 程分别求出煤层的吸附瓦斯量和游离瓦斯量 , 将两者相加后得出煤层的瓦斯含量 . 间接法测定煤层瓦 斯含量所需数据较多 , 其中 , 关键在于准确测定煤 层瓦斯压力 , 众所周知 , 准确测定煤层瓦斯压力非 常难 , 而且周期长 ; 因此 , 在实际煤层瓦斯含量测定 中 , 更多的是使用直接法 .直接法通过钻孔取钻屑 , 并筛选 13mm 的 煤样 , 测定和计算采样过程的损失瓦斯量 、 解吸瓦采矿与安全工程学报 第 27卷 斯量和残存瓦斯量 , 这 3部分之和为煤层原始瓦斯 含量 . 直接法有两个不足之处 :1 损失瓦斯量是通过补偿推算得来的 , 关于 损失瓦斯量的补偿计算

9、 , 有关研究人员提出了多种 补偿计算公式与方法 ; 不同时间段 、 不同煤质与不 同介质中瓦斯解吸规律不尽相同 , 因而推算出来的 损失瓦斯量误差较大 .2 通过打钻取钻屑 , 难以保证所取钻屑来自 于钻孔前方 ; 因为 , 打钻过程中 , 由于钻杆有可能晃 动 , 使得钻孔周围的煤体破裂 , 产生部分钻屑 , 这些 钻屑也会从钻孔内向外流出 .针对直接法存在的不足之处 , 国内外对其做了 大量改进研究 ; 煤炭科学研究总院重庆分院采用双 层取芯管通过风水联动钻取煤芯 , 澳大利亚与淮南 矿业集团合作 , 研究出了新型取屑技术 ,方的钻屑从钻杆中间流出 2., ,究 .为此 ,进行了研究 ,

10、 该技术通过直接钻取钻孔前方煤芯并 采用密闭液包裹进行煤层瓦斯含量测定 , 既能够确 保煤芯来自于钻孔前方 , 又能减少瓦斯损失 ; 而且 , 从理论上对煤芯瓦斯漏失量进行了分析 , 得出了相 应的瓦斯损失量补偿计算公式 , 从而基本上解决了 直接法测定瓦斯含量技术的缺陷 .1 新型煤层瓦斯含量准确测定基本原理针对现有瓦斯含量测定方法均存在准确性方 面的问题 , 本研究对现有的直接法进行改进 , 新方 法的基本研究思路是 :先在煤层内打一个钻孔至预 定深度 ; 然后采用含有密闭液的取芯器获取钻孔前 方的煤芯 (在取芯时 , 密闭液自动流向取芯器的端 部 , 当取芯完毕 , 密闭液实现对煤芯的密

11、封 ; 拔出 取芯器 , 让煤芯在自然状态下解吸瓦斯 , 并测定解 吸量 ; 最后 , 密闭煤芯 , 带回实验室进一步测定煤芯 的残存瓦斯量 .新型煤层瓦斯含量准确测定结果包括以下 3个部分 .1 取芯前的煤芯瓦斯漏失量从打完钻孔到采用取芯器取芯大约需要 30 min , 在这段时间内 , 由于煤体里的瓦斯压力远高 于钻孔内的气体压力 (约 0. 1M Pa , 根据达西渗流 定律 , 煤体里的瓦斯将向钻孔涌出 , 这些瓦斯有一 部分来源于所取煤芯 , 因此 , 在采取煤芯之前 , 已经 有一部分瓦斯漏失 , 在此 , 这部分瓦斯用 Q 1表示 . 2 取芯过程中煤芯瓦斯解吸量在取芯过程中 ,

12、 密封液主要密封煤芯的侧面及 前端 , 而后端呈自然状态 , 那么 , 煤芯里的瓦斯会在 压力梯度的作用下从后端流向瓦斯仓 , 在此过程 中 , 煤芯瓦斯压力降低 , 瓦斯仓气体压力升高 , 直到 二者趋于平衡为止 .煤芯取好后 , 采用有关仪器将瓦斯仓里的瓦斯 导出来 , 最终导出的瓦斯量即为取芯过程中煤芯瓦 斯解吸量 , 用 Q 2表示 .3 煤芯残余瓦斯含量, .碎 , , 用用 Q 3 .根据以上分析 , 煤层瓦斯含量为取芯前的煤芯 瓦斯漏失量 、 取芯过程中煤芯瓦斯解吸量及煤芯残 余瓦斯含量 3者之和除以所取煤芯质量 .x =G, (1 式中 :x 为煤层瓦斯含量 , m 3/t ;

13、 G 为所取煤芯质 量 ,t.由此可见 , 新方法与现有的直接法相比 , 区别 主要体现在两个方面 :新方法取的是整块煤芯 , 而 直接法取的是 13mm 的煤屑 ; 新方法采用了密 闭液对煤芯瓦斯进行封堵 , 而直接法则任由瓦斯在 自由空间内解吸 . 因此 , 新方法的瓦斯损失量 (取芯 前的煤芯瓦斯漏失量 应该比直接法要小很多 , 该 方法的成功与否也在很大程度上取决于它的大小 . 2 钻孔前方煤层瓦斯渗流模型井下瓦斯含量测定钻孔如图 1所示 (假定钻孔 前方为半球形 , 其直径为钻孔直径 6. 钻孔前方煤 体瓦斯的流场属于球向流场 , 瓦斯含量测定过程 中 , 煤芯来源于钻孔前方 , 因

14、此 , 瓦斯流动分析只需 考虑该部分煤体的瓦斯流动状况 , 而不需要考虑钻 孔周围煤体的瓦斯流动 .图 1 瓦斯含量测定取芯钻孔模型Fig. 1 Core drill borehole model of gascontent mensuration211 第 1期 齐黎明等 :新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究3 钻孔前方煤芯瓦斯漏失分析3. 1 钻孔前方煤体瓦斯压力分布规律在瓦斯压力测定钻孔封孔之前 , 周围的瓦斯压 力可采用式 (2 表示 ; 同样 , 假定钻孔前方煤芯的瓦 斯压力也大致服从此规律 , 即也可采用式 (2 表 示 9p =(p 1-p 0-e -b(r-a /t+p 0, (

15、2式中 :p 为钻孔前方煤体瓦斯压力 , M Pa ; p 1为原 始煤层瓦斯压力 ,M Pa ; p 0为钻孔大气压力 ,M Pa ; b 为一常数 , min/m ; t 为瓦斯流动时间 , min ; a 为 钻孔半径 ,m ; r 为钻孔前方煤体内某点距孔壁中心 的距离 ,m. 3. 2 钻孔前方卸压瓦斯带宽度分析打完取芯钻孔后 , 此 , 吸量 . 即 , 内的瓦斯含量 .R+a a 24r 2d r +t0B 1t B 24a 22d t =3(R +a 3-3a321, (3 式中 :R 为钻孔前方煤体卸压瓦斯带宽度 ,m ; a 为瓦斯含量系数 ; B 1和 B 2均为常数 .

16、将式 (2 代入式 (3 , 并进行积分 ,(R 3+3Ra 2+3aR 21-2(B 2+1 t B 2+1=245b 2p 1-p 0(R +a 1-e -bR/t4+ 169-131-e -bR/t4.(4 根据式 (2 , 从理论上讲 , 只有当 r 达到无穷大 时 , 瓦斯压力才能达到原始煤层瓦斯压力 , 但当 r =R 时 , 该点的瓦斯压力已经很接近原始煤层瓦斯 压力了 , 因此(p 1-p 0-e-bR/t+p 0=A p 1, (5式中 A 为一待定系数 , 它的值接近于 1.将式 (5 代入式 (4(R 3+3Ra 2+3aR 21-2(B 2+1 t B 2+1=245l

17、n (1-(p 1-p 022p 1-p 0(R +a (p 1-p 04. 5+169+13ln (1-(p 1-p 02 (p 1-p 06. 5.(6 在上式中 , p 1, p 0, a , B 1, B 2, A 均可根据瓦斯 含量测定过程的实际条件得出 , 剩下 b, R , t 这 3个 未知数 , 其中 , b 为一定值 , 而 R 则随 t 的变化而变 化 , 在实际工程应用中 , 可首先假定时间 t , 然后 , 根据将式 (6 和式 (5 依次得出 b 和 R.假定某矿瓦斯参数测定如下 :瓦斯测定钻孔直 径为 75mm , 分别为 1. 0Pa 和 0. 1M 18m 3

18、/(3 M 2 , B 12, A , -0. 05和 , 1所示 .表 1 不同释放时间的卸压瓦斯带宽度 排放时间 t /min 110203040瓦斯排放半径 R /m0. 1610. 3590. 4570. 5250. 578 从表 1可清楚看出 :卸压瓦斯带宽度随释放时 间的增大而增大 , 但这种增大趋势逐渐变缓 ; 在有 限的时间内 , 卸压瓦斯带宽度不大 , 但仍然足以对 瓦斯含量测定的精确性构成一定影响 . 3. 3 钻孔前方煤芯瓦斯漏失分析钻孔所取煤芯大致为一圆柱体 , 其底部缺一半 球 , 为简化计算 , 假定顶部刚好多出一个半球 , 具体 见图 2. 图 2中 , R 1为

19、煤芯长度 , a 1为煤芯半径 .图 2 所取煤芯示意图Fig. 2 The sketch map of fetched coal core 所取煤芯的瓦斯损失量为 Q 1=2a (a -2-a 21 R 11-R 1+aa2a (a -2-a 21 d r =2a (a -2-a 21 R 11-2b1-p 0arctan-e -bR 1/t -2-e -bR 1/t -2ln -bR 1/t-e-bR 1/t+. (7311采矿与安全工程学报 第 27卷 根据相关参数 , 可计算出不同释放时间下 , 不 同长度煤芯的瓦斯损失情况 , 具体如表 2所示 .表 2 瓦斯损失与释放时间及煤芯长度

20、的关系T able 2 The relation of gas leak qu antity ,排放时间 t/min 110203040煤芯长度 R 1/m1. 0Q 1/(10-3m 3 4. 8366. 7277. 6468. 2698. 744比例 /%7. 510. 511. 912. 913. 6 从表 2可清楚看出 :在取芯前 , 煤芯里已有一 部分瓦斯漏失 , 其漏失量不大 , 占煤芯瓦斯含量的 10%左右 , 且随漏失时间的延长而增大 , 但是增大 的趋势逐渐变缓 .4 瓦斯含量准确测定取芯实践矿井 , 该矿为突出矿井 , 究在该矿 -, 而且在 取芯过程中 , 也基本实现了密

21、闭液对煤芯的包裹 , 取芯结束时取芯器入口的外形和所取得的煤芯分 别如图 3,4所示. 图 3 取芯器入口外形图Fig. 3 The outline of coal core drillequipment 图 4 所取煤芯图Fig. 4 The map of fetched coal core5 新型煤层瓦斯含量准确测定技术应用5. 1 测定方法当钻孔打至取芯预定位置时 , 退出钻杆 , 并记 录煤芯损失瓦斯解吸初始时间 ; 将取芯仪器送入钻 孔 , 到取芯位置时 , 记下损失瓦斯解吸终止时间 , 采 取煤芯 (在取芯同时 , 密闭液自动对煤芯进行包 裹 ; 退出取芯仪器 , 打开瓦斯仓 ,

22、导出瓦斯 , 测定计 算出流量 Q 2; 取出所取煤芯 , 装入煤样罐 , 带回实验室后装入密封的粉碎系统加以粉碎 , 测量解吸出 的瓦斯量 (真空下 Q 3. 5. 2 测定结果瓦斯 含 量 测 定 对 比 实 验 地 点 在 望 峰 岗 矿 512(5 工作面运输巷 , 分别采用新型煤层瓦斯含量 准确测定法和工作面钻屑解吸法 .所取煤芯直径为 42mm , 原始煤层瓦斯压力 和钻孔气体压力分别为 1. 2M Pa 和 0. 1M Pa , 瓦 斯含量系数为 11. 8m 3/(m 3 M Pa 2 , B 1, B 2, A 分别约为 80, -0. 05和 0. 99, 取芯前煤芯损失瓦

23、 斯解吸时间为 20min , 煤芯长度为 0. 5m. 将上述 (5 (7 , , 瓦斯损失量Q 11273. ml. 68, 合计 9636. 35ml. 煤芯质量 900g , 则原煤瓦斯含量为 10. 71ml/g. 采用 工作面钻屑解吸法测定瓦斯含量时所取煤样质量 为 600g , 瓦斯含量为 9. 73ml/g.为了便于对比分析 , 现将新型瓦斯含量准确测 定方法所测定的瓦斯量换算成 600g 煤样条件下 的数量 , 则这两种方法所测数据具体如表 3所示 .表 3 瓦斯含量测定结果统计表 测定方法 损失量 /ml 井下解吸 量 /ml 实验室解吸量 /ml新型瓦斯含量准确测定法 8

24、48. 83578. 454996. 95工作面钻屑解吸法 632. 34879. 593861. 20 测定方法合计 /ml 煤样 质量 /g瓦斯含量 /(ml g -1新型瓦斯含量准确测定法 6424. 2360010. 71工作面钻屑解吸法5373. 136008. 96 根据表 3可知 , 与传统的工作面钻屑解吸法相 比 , 新型瓦斯含量准确测定法所测得的瓦斯含量较 高 , 并且实验室所解吸的煤体残存瓦斯量要远大于前者 , 井下解吸瓦斯量相对较小 , 通过计算的损失 瓦斯量较大 . 这表明工作面钻屑解吸法测定瓦斯含 量时有可能所取钻屑并不完全来自于钻孔前方或 者损失量计算公式适用性比较

25、差 . 因此 , 相比较而 言 , 新型瓦斯含量准确测定法更可靠 .6 讨 论本研究虽然在新型煤层瓦斯含量准确测定方 面取得了一定进展 , 但是 , 要正真实现煤层瓦斯含 量准确测定 , 以下几个方面的工作还有待进一步改 进 :1 计算取芯前的煤芯瓦斯漏失量时 , 采用了一411 第 1期 齐黎明等 :新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究些假设 (比如瓦斯压力的分布状况 , 这对计算结果 会产生一定影响 , 因此 , 需要从理论或实践上对它 的计算结果作进一步修正 ;2 淮南矿业集团望峰 岗矿取芯实践表明 , 现有的密闭液虽然密闭性能较 好 , 但是 , 操作过程中 , 如果黏在手上或者衣服上 ,

26、 则 , 难以清洗 , 因此 , 新方法如果要广泛推广 , 则需 要改善密闭的性能 , 或研发新的个人防护装备 ;3 所取煤芯由几段组成 , 长短不一 , 因此 , 还应提高打 钻的工艺水平 .7 结 论1 取芯前的煤芯瓦斯漏失量约占煤芯瓦斯含 量的 10%, 且随漏失时间的延长而增大 , 但是增大 的趋势逐渐变缓 .2取到比较完整的煤芯 , 而且 , ,3 ,钻孔前方 , 又能有效降低损失瓦斯量 ; 因此 , 其可靠 性更高 .参考文献 :1 Q I Li 2ming , WAN G Y i 2bo , SON G Xiao 2yan. Study on the coal gas press

27、ure dynamic distribution law in the f ront of tunneling place J .Journal of the Southern Aferican Institute of Mining and Metallur 2 gy , 2007, 107(7 :4312433.2 胡千庭 , 邹银辉 , 文光才 , 等 . 瓦斯含量法预测突出危 险新技术 J. 煤炭学报 ,2007,32(3 :2762280. HU Qian 2ting , ZOU Y in 2hui , WEN Guang 2cai , etal. New technology of outburst danger prediction by gas content J .Journal of China Coal Society , 2007,32(3 :2762280.3 仇海生 , 张保泉 .