瓦斯灾害预测与防治——第讲瓦斯基础参数测定技术ppt课件

1、瓦斯灾祸预测与防治河南理工大学平安学院瓦斯防治技术及配备研讨所国家平安消费专家硕士研讨生课程：瓦斯灾祸预测与防治2021年3月杨宏民 博士 教授级高工.主要内容：第一讲：瓦斯根底参数测定技术第二讲：矿井瓦斯涌出量预测技术第三讲：煤层瓦斯突出预测预告技术第四讲：瓦斯与煤尘爆炸防治技术.第一讲：瓦斯根底参数测定技术河南理工大学平安学院瓦斯防治技术及配备研讨所国家平安消费专家硕士研讨生课程：瓦斯灾祸预测与防治2021年3月杨宏民 博士 教授级高级工程师.内容提要第一章：煤层瓦斯含量测定第二章：煤层瓦斯压力测定第三章：煤层透气性系数测定第四章：煤的巩固性系数测定第五章：煤的瓦斯放散指数测定第六章：煤对

2、瓦斯吸附常数测定第七章：煤与瓦斯突出预测目的测定第一章：煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量：煤层赋存形状下，单位质量或体积煤的微外表或基质中吸附的瓦斯量与孔隙中的游离瓦斯量之和，单位为 m3/m3，m3/t。第一章：煤层瓦斯含量测定一、方法分类 方法分类 技术要点与技术关键直接测定法简接测定法技术要点：根据瓦斯压力、吸附常数a,b值、煤质参 数等，按照公式计算煤层瓦斯压力的方法。技术关键：各种根底参数的准确测定。技术要点：采用打钻、取钻屑、测定瓦斯解吸规律、推 算损失瓦斯量、真空抽气测定残存瓦斯量。技术关键：取样技术。GB/T 32250-2021 煤层瓦斯含量井下直接测定方法7二、术语及定义1、残

3、存瓦斯量 residual gas content in coal seam 在常压形状下，煤样解吸后残留在煤样中的瓦斯量2、损失瓦斯量 Iosing gas content in coal seam 煤样从暴露到开场测定解吸量期间所遗失的瓦斯量3、粉碎前脱气量 negative pressure desorption gas content before comminution 在负压形状下，煤样在粉碎前所解吸的瓦斯量4、粉碎后脱气量 negative pressure desorption gas content during comminution 在负压形状下，煤样在球磨机中粉碎到80

4、%以上的煤样粒度小于0 25mm时所解吸的瓦斯量8二、术语及定义5、粉碎前自然解吸瓦斯量 natural desorption gas content before comminution 在常压形状下，煤样井下解吸后运送到实验室粉碎前所解吸的瓦斯量。6、粉碎后自然解吸瓦斯量 natural desorption gas content during comminution 在常压形状下，煤样在粉碎机中粉碎到95%以上煤样粒度小于0 25 mm时所解吸的瓦斯量。9三、直接测定方法1、相关仪器配备10三、直接测定方法1、相关仪器配备11三、直接测定方法温度计1、相关仪器配备空盒气压计秒表煤样罐穿

5、刺针头12三、直接测定方法1取芯钻头取煤芯2普通实心钻头孔口接样2、煤样采取13三、直接测定方法 1装样时间在2min 内完成； 2自然接样，不得压实； 3装样高度距罐口10mm； 4确保罐口、“O型圈清洁，无煤粒粘附； 5先穿刺，后拧盖； 6拧盖时坚持罐竖直形状； 7解吸终了后，上紧穿刺压垫和煤样罐盖； 8记录采样信息、时间等，贴标签。3、煤样装罐 14三、直接测定方法 1初始水面提到0刻度； 2定时记录量管水面下降高度，延续观测2h； 3前5min内，每0.51min记录一次； 5min1h，视情况每25min记录一次； 1h后，每2030min记录一次。 4为防止送往实验室期间罐内压力上

6、升漏气， 升井后在地面再解吸24h，只记总解吸量； 5详细记录解吸时温度、气压等参数。4、煤样现场解吸 15三、直接测定方法5、现场解吸记录 1样品编号：独一性2采样地点：矿、采区、任务面、巷道XXXX m处3钻取深度：4开场取样时间：5开场解吸时间：6解吸时间累计解吸量7解吸终了时间8采样过程描画9采样地点地质描画10采样地点煤质描画11地面解吸时间总解吸量16三、直接测定方法 1、 法： 在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯量与解吸时间的次方呈线性关系，经过该线性特征推算煤样从煤体剥落到开场解吸时间段内的损失瓦斯量。6、采样过程瓦斯损失量推算 17三、直接测定方法6、采样过程瓦斯损失量推算

7、t1t1V1VV1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？18三、直接测定方法解吸前暴露时间确定： 暴露时间(t0)为从煤样暴露到装罐终了开场解吸测定所用的时问，按下式计算： t0=t2-t1 式中： t0 暴露时间，单位为分(min)； t1 取煤芯屑开场时辰，时：分：秒； t2 装罐终了开场解吸测定时辰，时：分：秒。6、采样过程瓦斯损失量推算 19三、直接测定方法损失量确实定： 图解法： 以解吸时间 为横坐标，累计解吸量V1为纵坐标作图，那么前一段直线部分反延伸与纵轴的交点值即为总损失量。 解析法： 将 进展线性回归，得到线性拟合方程： ，那么拟方程中V损即为总损失

8、量。 无论是图解法还是解析法，可以利用Excel很方便地实现。6、采样过程瓦斯损失量推算 20三、直接测定方法 2幂函数法 在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯速度与解吸时间 t 的呈-n次方常数的幂函数关系，如下式所示。 式中： qtt时间的瓦斯解吸速度， cm3/min； q0t=0时的瓦斯解吸速度，cm3/min； q1t=1时的瓦斯解吸速度，cm3/min； t瓦斯解吸时间，min； n瓦斯解吸速度衰减系数，0n45的上向或下向测压孔优点：操作简单 缺陷：水泥砂浆具有一定收缩性收缩线50二、直接测定方法3、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 缺陷：造

9、价高，操作难度较大软胶囊聚氨酯式 麻布聚氨酯式 51二、直接测定方法黑白料配比 1：0.7 1：0.8 1：0.9 1：1.0 1：1.1 1：1.2 1：1.3透气压力/ MPa 0.9 1.2 1.35 1.47 1.56 1.7 1.723、聚氨酯封孔配比 1：0.7 1：0.8 1：0.9 1：1.0 1：1.1 1：1.2 1：1.3膨胀倍数 5.0 6.4 7.2 8.5 9.0 8.2 7.5膨胀开始时间min 2 2 2.5 3 4 7 6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52二、直接测定方法4、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

10、旋压紧胶圈的方式，操作方便，设备简单 缺陷：孔壁不光滑时，胶圈与孔壁接触不严，易漏气53二、直接测定方法5、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。缺陷：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。54二、直接测定方法6、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，处于承压形状缺陷：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气55二、直接测定方法7、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，处于承压形状缺陷：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气56二、直接测定方

11、法7、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 缺陷：造价高，操作难度较大57二、直接测定方法8、用工具与资料1钻孔设备：钻机， 50-90mm；2封孔设备： a泥浆泵：常用柱塞泥浆泵，流量：20-50L/min，压力：3-4MPa； b压气注浆泵：以井下压风为动力，普通不大于0.5MPa； c手动注液泵：补偿胶囊压力，3-8MPa； d压力补偿安装：高压储气罐。3封孔资料： a黄泥：将质地致密可塑性好的黏土制成外部半干内湿软的黄泥； b水泥：牌号不低于425号； c粘液：由化学糨糊粉淀粉+防腐剂：水=1:16，用于裂隙 4mm；裂隙较大时

12、应参与填料和骨料。58二、直接测定方法8、用工具与资料4测压资料、议标 a压力表：量程为估计煤层压力的1.5倍，准确度优于1.5级； b测压管：镀锌管： 13mm；紫铜管： 6mm1mm 。5其他工具： 管钳、扳手、剪刀、皮尺、水桶、螺丝刀、等59三、直接测定法的关键技术1测定地点应优先选择在石门或岩巷中，选择岩性致密的地点，且无断层、裂隙等地质构造处布置测点，其瓦斯赋存情况要具有代表性；2测压钻孔应避开含水层、溶洞，并保证测压钻孔与其间隔不小于50m；3对于测定煤层原始瓦斯压力的测压钻孔应避开采动、瓦斯抽采及其他人为卸压影响范围，并保证测压钻孔与其间隔不小于50 m；4对于需求测定煤层残存瓦

13、斯压力的测压钻孔那么根据测压目的的要求进展测压地点选择；1、测压地点的选择60三、直接测定法的关键技术5选择测压地点应保证测压钻孔有足够的封孔深度(穿层测压钻孔的见煤点或顺层测压钻孔的测压气室应位于巷道的卸压圈之外)，采用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5； 6同一地点应设置两个测压钻孔，其终孔见煤点或测压气室应在相互影响范之外，其间隔应不小于20 m石门测压外除。石门揭煤瓦斯压力测定钻孔的布置按的有关规定进展；7瓦斯压力测定地点应选择在进风系统，行人少且便于安设维护栅栏的地方。1、测压地点的选择61三、直接测定法的关键技术1钻孔直径宜为65 95mm。钴孔长度应保证测压所需的封孔深度;2钻

14、孔的开孔位置应选在岩石煤壁完好的地点；3钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完好，穿层测压钻孔除特厚煤层外应穿越全厚，对于特厚煤层测压，钻孔应进入煤层1.5m3.0m;4钻孔施工好后，应立刻用压风或清水清洗钻孔，去除钻屑，保证钻孔畅通；5在钻孔施工中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开场见煤长度及钻孔在煤层中的长度，钻孔开钻时间、见煤时间及钻毕时间；6钻孔施工前应制定详细的技术及平安措施包括测压观测期间所应采取的技术及平安措施。2、测压钻孔施工62三、直接测定法的关键技术1胶圈粘液封孔，封孔长度不小于10m;2注浆封孔按下式计算： L钻孔深度； D钻孔直径； 钻孔倾角； L1最小封孔深度。3、封孔深

15、度63三、直接测定法的关键技术穿层钻孔测压 顺层钻孔测压L1Rx; L112m.3、封孔深度L1Rx; L112m.64三、直接测定法的关键技术1自动测压法1测压前，先向钻孔内注入补偿气体N2 or CO2，补偿压力应为估计煤层压力的0.5倍；2至少每班观测一次压力表；3P4MPa时，观测时间普通为1020d；4观测的P变化较大时，应适当缩短观测间隔时间。PtPt压力恢复曲线压力恢复曲线4、压力测定65三、直接测定法的关键技术2被动测压1无需压力补偿；2至少天班观测一次压力表；3观测时间普通为2030d；4观测的P变化较大时，应适当缩短观测间隔时间。Pt压力恢复曲线4、压力测定6613d内测得

16、的压力变化0.015MPa时，可以为压力平衡，停顿测定；2绘制压力恢复曲线t-P；3卸表时，先经过泄压阀卸压，以防高压冲击伤人；4放水。与含水层连通时，废孔，按规定封孔； 未与含水层连通时，程度和下向孔不修正，上向孔可用下式修正水的影响： a V管V水 V管+V室时： b V水 V管+V室时： c 0V水1000m 可见孔、裂隙瓦斯层流、紊流混合浸透区2煤层裂隙和断裂 构成了煤层宏观孔隙，大大添加了煤层的透气性。3水分 煤层注水后，中的孔隙被水分占据，妨碍煤层瓦斯流动，浸透率减小。 据现场测定阅历，注水后煤层透气性可降低到原来的1/10。75一、概述 2、煤层透气性系数的影响要素4地应力 煤层

17、地应力越大，浸透性越小；煤层浸透率与接受压力的关系：式中： K承压煤层的浸透率，cm3； K0未承压煤层浸透率，cm3； b阅历常数，MPa-1； p 煤层接受的压力，MPa。76二、钻孔径向流量法根本假设1在钻孔瓦斯流动范围内，煤层均质且各向同性；2钻孔直垂贯穿煤层偏角30，在瓦斯流场内煤厚不变；3煤层顶、底板不漏气且不含瓦斯；4钻孔前煤层瓦斯压力为原始瓦斯压力，钻开后为大气压；5瓦斯在煤层中流动符合达西定律。77三、钻孔径向流量法测定步骤 1、打钻、封孔、确定排放初始时间t01钻孔尽量与煤层垂直；2孔径：6595mm；3记录钻孔方位角、倾角及钻孔在煤中的长度；4记录开钻、见煤、过煤、成孔时

18、间；5排放瓦斯初始时间计算：78三、钻孔径向流量法测定步骤 2、上表、测定煤层瓦斯压力1封孔资料凝固水泥砂浆初凝24h后方可上压力表；2上压力表前先测瓦斯流量，记录时间年、月、日、时、分；3待表压上升到稳定的最高值后 ，方可进展透气性系数的测定；79三、钻孔径向流量法测定步骤 3、卸表、测定钻孔瓦斯流量1为确保卸压力表平安，应运用带有排气孔的压力表接头；2间隔一定时间测定一次钻孔瓦斯流量，记录号测定时间年、月、日、时、分 ；3流量测定：根据流量大小可选用煤气表、孔板流量计、浮子流量计、解吸仪等。80四、钻孔径向流量法计算步骤 1、计算公式流 量准 数A时 间 准 数系数a指数b煤层透气性系数常

19、数A常数B10-2111010102102103103105105107110.930.5880.5120.344-0.38-0.28-0.20-0.12-0.10-0.06581四、钻孔径向流量法计算步骤 2、计算步骤试算法1计算q：2求A、B值：3求：选恣意公式计算4校验：F0在所选公式对应的F0范围内F0=B 根据F0重新选择公式计算结果正确YesNoq:钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/m2.d82四、钻孔径向流量法计算步骤 3、例子例 某煤层实测瓦斯压力p0=4MPa，瓦斯含量系数=13.27 m3/m3MPa0.5，煤层厚度钻孔见煤长度L=3.5m，钻孔半径r1=0.05m，卸压至测

20、定瓦斯流量的时间t=44d，钻孔瓦斯流量Q=1.77m3/d，卸压后钻孔瓦斯压力p1=0.1MPa，试求煤层透气性系数。1求钻孔煤壁单位面积瓦斯流量q：83四、钻孔径向流量法计算步骤 3、例子2求A、B常数：3试求： 由于排放时间较长，选用较大的F0对应的公式计算。 阅历证， 2计算的F0在其公式对应的范围内，为正确值。84第四章：煤的巩固性系数测定 落锤法 一、落锤法测定原理 建立在脆性资料破碎遵照面积力能说的根底上。这个学说是雷延智在1867年提出来的，他以为“破碎所耗费的功(A)与破碎物料所添加的外表积(S)的次方成正比即 以单位分量物料所添加的外表积而论，那么外表积与粒子的直径D成反比

21、86一、落锤法测定原理 设Dq与Dh分别表示物料破碎前后的平均尺寸，那么面积就可以用下式表示：式中：K比例常数，与物料的强度(巩固性)有关。 i 破碎比，i1。 从上式可知，当破碎功A与破碎前的物料平均直径为一定值时，与物料巩固性有关的常数K与破碎比有关，即破碎比 i 越大，K值越小，反之亦然。87一、落锤法测定原理 综合上述： 与煤破碎程度有关的参数： 1 破碎功A 2 煤的巩固性，用系数K反映 煤破碎程度： 用破碎比i描画。 对于煤来说，我们将破碎功固定重锤质量、抬升高度、冲击次数，那么破碎比i就反映了煤的巩固性。 i 可以用破碎后某粒度所占比例描画。88二、测定方法和步骤捣碎筒，计量筒，

22、分样筛(孔径20mm、30mm和0.5mm个)，天平(最大称量1000g，感量0.5g)，小锤、漏斗、容器。 1、仪器设备及器具89二、测定方法和步骤1) 沿新暴露的煤层厚度的上、中、下部各采取块度为10cm左右的煤样两块，在地面打钻取样时应沿煤层厚度的上、中、下部各采取块度为10cm的煤芯两块。煤样采出后应及时用纸包上并浸蜡封固(或用塑料袋包严)，以免风化；2) 煤样要附有标签，注明采样地点、层位、时间等；3) 在煤样携带、运送过程中应留意不得摔碰；4) 把煤样用小锤碎制成2030mm的小块，用孔径为20或30mm的筛子挑选；5) 称取制备好的试样50g为一份，每5份为一组，共称为取三组。

23、2、采样与制样90二、测定方法和步骤1) 将捣碎筒放置在水泥地板或2cm厚的铁板上，放入试样一份，将2.4kg重锤提高到600mm高度，使其自在落下冲击试样，每份冲击3次，把5份捣碎后的试样装在同一容器中：2) 把每组(5份)捣碎后的试样一同倒入孔径0.5mm分样筛中筛分，筛至不再漏下煤粉为止；3) 把筛下的粉末用漏斗装入计量筒内，悄然敲打使之密实，然后悄然插入具有刻度的活塞尺与筒内粉末面接触。在计量筒口相平处读取数l(即粉末在计量筒内实践丈量高度，读至毫米)。 当l30mm时，冲击次数n，即可定为3次，按以上步骤继续进展其他各组的测定。 当l30mm时，第一组试样作废，每份试样冲击次数n改为

24、5次，按以上步骤进展冲击、筛分和丈量，仍以每5份作一组，测定高度l。 3、测定步骤91二、测定方法和步骤 巩固性系数按下式计算 f = 20n/l式中 f 巩固性系数; n 每份试样冲击次数，次; l 每组试样筛下煤粉的计量高度，mm。 测定平行样3组(每组5份)，取算数平均值，计算结果取一位小数。 4、巩固性系数的计算92二、测定方法和步骤 假设获得的煤样粒度达不到测定 f 值所要求粒度(2030mm)，可采取粒度为13mm的煤样按上述要求进展测定，并按下式换算： 当 f1-30.25时，f =1.57 f1-3-0.14 当 f1-30.25时，f = f1-3 式中f1-3-粒度为1-3

25、mm时煤样的巩固性系数。 5、软煤巩固性系数确实定93第五章：煤的瓦斯放散指数测定执行规范：AQ 1080-2021 煤的瓦斯放散初速度目的p测定方法定义： 3.5g规定粒度的煤样在0.1MPa下吸附瓦斯后，向固定真空空间释放时，用pmmHg表示的10s-50s时间内释放的瓦斯量目的。一、仪器设备及器具 p测定仪，真空泵，甲烷瓶(浓度大于95)，分样筛(孔径0.2、0.25mm各一个)，天平(最大称量250g，感量0.5g)，小锤，漏斗。95一、仪器设备及器具变容变压式变容变压式固定空间试样瓶三通阀U型汞柱计压力传感器试样瓶固定空间p测定仪器原理图96二、采样与制样在煤层新暴露面上采取煤样25

26、0g，地面打钻取样时取新颖煤芯250g。煤样要附有标签，注明采样地点、层位、采样时间等。 1、采样 将所采煤样进展粉碎，筛分出粒度为0.20.25mm的煤样。每一煤样取2个试样，每个试样重3.5g。 2、制样97三、测定步骤 1) 把2个试样用漏斗分别装入p测定仪的2个试样瓶中;2) 启动真空泵对试样脱气1.5h；3) 脱气1.5h后封锁真空泵，将甲烷瓶与试样瓶衔接，充气(充气压力0.1MPa)使煤样吸附瓦斯1.5h；4) 封锁试样瓶和甲烷瓶阀门，使试样瓶与甲烷瓶隔离；5) 开动真空泵对仪器管道死空间进展脱气，使U型管汞真空计两端汞面相平；6) 停顿真空泵，封锁仪器死空间通往真空泵的阀门，翻开

27、试样瓶的阀门，使煤样瓶与仪器被抽空的死空间相连并同时启动秒表计时，10s时封锁阀门，读出汞柱计两端汞柱差p1(mm)，45s时再翻开阀门，60s时封锁阀门，再一次读出汞柱计两端差p2(mm)；98三、测定步骤 p210s：p199四、瓦斯放散初速度目的的计算 瓦斯放散初速度目的按下式计算 p=p2-p12) 同一煤样的两个试样测出p值之差不应大于1，否那么需求重新进展测定。100第六章：煤对瓦斯吸附常数测定GBT 195602021 煤的高压等温吸附实验方法替代GBT 19560 2004 a，b值 一、煤对瓦斯的等温吸附规律 Langumir吸附方程：当1bp时，V=abp，线性当112h，

28、记录参数。老规范要求7h。111六、相关计算1、煤样体积计算式中：Vs煤样的体积，(cm3)； p1 平衡后压力，(MPa)；p2参考缸初始压力，(MPa)； p3样品缸初始压力，(MPa)；n 平衡后温度， (K)； T2参考缸初始温度，(K)；T3样品缸初始温度，(K)； V1系统总体积，(cm3)；V2参考缸体积，(cm3)； V3样品缸体积，(cm3)；Zl平衡条件下气体的紧缩因子； Z2参考缸初始气体紧缩因子；Z3样品缸初始气体的紧缩因子。112六、相关计算2、自在空间体积计算式中： Vf自在空间体积，(cm3)； V0样品缸总体积，(cm3)； Vs煤样的体积，(cm3)。113六

29、、相关计算3、各点吸附量式中： ni气体的摩尔数，(mol)； nl平衡前样品缸内气体的摩尔数，(mol)； n2平衡后样品缸内气体的摩尔数，(mol)； Vi吸附气体的总体积，(cm3)； Gc煤样质量，(g)。吸附摩尔数：吸附体积：吸附量：114六、相关计算4、吸附常数计算式中： p 气体压力，(MPa)； V 在压力p条件下吸附量，(cm3/g)； VL最大吸附容量，又称Langmuir体积，(cm3/g)； pLLangmuir压力，(MPa)。 a 吸附常数，表示最大吸附量，(cm3/g)； b 吸附常数，1/PL，(MPa-1)。115六、相关计算5、等温吸附性绘制对Langmuir方程的线性化处置：Langmuir方程经典Langmuir方程怎样求得a，b值呢？116六、相关计算5、等温吸附性绘制A1B1117第七章：煤与瓦斯突出预测目的测定h2、K1、q、S一、钻屑瓦斯解吸目的h2 1、 钻屑瓦斯解吸目的h2h2：表示一定质量的钻屑在特定时间内瓦斯解吸量大小的目的。钻屑瓦斯解吸指标h2Pa钻屑瓦斯解吸指标K1（mL/gmin0.5 ）钻屑量 S（kg/m）（L/m）2000.565.4119一、钻屑瓦斯解吸目的h2煤破坏类型越高， h2越大 2、 h2与突出危险性的关系不