煤层瓦斯基本参数测定综合方法研究

煤层瓦斯基本参数测定综合方法研究

黄福宁

中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司   重庆  400016

摘要： 本文详细阐述了高瓦斯矿井瓦斯基本参数测定的综合方法。具体方法：在所选定的巷道中通过测压钻孔现场实测煤层的原始瓦斯压力、钻孔瓦斯自然流量；在实验室对煤样进行工业分析，测定瓦斯吸附常数、煤的孔隙率、煤的瓦斯放散初速度、坚固性系数、煤层瓦斯组分等参数；在现场及实验室测定的基础上，通过分析、计算，确定煤层的瓦斯含量、煤层透气性系数及钻孔瓦斯流量衰减系数；最后确定该煤层瓦斯的抽放类型。

关键词：瓦斯，压力，流量，组分，含量

作者简介：黄福宁(1984–)，男，2006年毕业于重庆大学采矿工程专业，现为工程师，主要从事矿井设计方面的研究工作。E-mail：ccdhfn@163.com

随着煤矿开采深度的加大，瓦斯灾害也愈发严重，因此，煤层瓦斯基本参数的测定就显得尤为重要，可为煤矿开采设计和施工提供技术参数。

1 矿井概况

某井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，下石河子和本溪组中偶尔有煤线发育。山西组和太原组共含煤14层，含煤地层累计总厚度118.19～206.86m，一般153.57m，煤层厚3.38～18.21m，平均12．80m，含煤系数 8.33%。

2煤层瓦斯基本参数测定技术方案

（1）在所选定的巷道中通过测压钻孔现场实测煤层的原始瓦斯压力、钻孔瓦斯自然流量；

（2）在实验室对煤样进行工业分析，测定瓦斯吸附常数、煤的孔隙率、煤的瓦斯放散初速度、坚固性系数、煤层瓦斯组分等参数；

（3）在现场及实验室测定的基础上，通过分析、计算，确定煤层的瓦斯含量、煤层透气性系数及钻孔瓦斯流量衰减系数。

3煤层瓦斯基本参数测定

3.1煤层瓦斯压力测定

煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯气体的压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个主要因素。当煤吸附瓦斯的能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中所含的瓦斯量也就越大。

煤层原始瓦斯压力的测定按煤炭行业标准《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》的规定进行。采用注浆封孔、主动式测压方法。封孔材料采用膨胀水泥，补偿气体为氮气，测压装置包括测压管、注浆管（直径13mm铁管）、管道附件及三通阀、压力表等，注浆设备为泥浆泵、手摇注浆泵。在煤层底板巷道或者煤巷中选择适宜地点布置测压钻孔，钻孔直径75mm，钻孔施工好后，进行封孔、测定工作。

3.2钻孔瓦斯涌出测定

首先测定煤层钻孔瓦斯流量。其测定方法为，利用煤层的瓦斯压力测定钻孔，在测压完毕后卸下压力表，接上流量计测定钻孔的自然瓦斯流量及其随时间的变化。根据测定结果的最大瓦斯流量和钻孔的煤孔长度确定百米钻孔瓦斯流量，根据瓦斯流量的变化确定钻孔的瓦斯涌出衰减系数。

3.2.1百米钻孔瓦斯流量

现场测定煤层百米钻孔瓦斯流量。

3.2.2钻孔瓦斯流量衰减系数

钻孔瓦斯流量衰减系数根据钻孔的瓦斯流量变化按如下公式确定：

                          （1）

式中：qt—经过t时间后的钻孔瓦斯流量，m3/min；

q0—钻孔初始瓦斯流量，m3/min；

t—时间，d；

a—钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1。

利用（1）式可确定煤层钻孔瓦斯流量衰减系数。

3.3 瓦斯基本参数实验室测定

煤层瓦斯基本参数实验室测定包括煤的工业分析、瓦斯吸附常数、煤的孔隙率、煤的瓦斯放散初速度、坚固性系数、煤层瓦斯组分及瓦斯解吸特性等参数的测定。

3.3.1煤的工业分析及瓦斯吸附常数

对现场进行取样，并在实验室对样品进行了煤的工业分析及瓦斯吸附常数的测定。

3.3.2煤的瓦斯放散初速度、坚固性系数

煤的放散指数△P是个假定指标，它表示充有瓦斯的煤放散瓦斯的快慢程度，是表征煤对瓦斯吸附和解吸性能的一个重要指标。它与煤的微孔隙结构、孔隙表面性质和大小等有关。煤的破坏程度越高，△P值一般也越大。煤的坚固性可用煤的坚固性系数[9]f的大小来表示，坚固性系数的测定方法较多，一般采用落锤破碎法，它是用落锤撞击煤样后产生的粉末量来表示煤的坚固性的。

3.3.3孔隙率

煤中的孔隙分为微孔（直径≤10－6cm）、小孔（直径10－6～10－5cm）、中孔（直径10－5～10－4cm）及大孔（直径>10-4cm）。小孔以上的体积称为渗透容积，微孔容积称为吸附容积，两者之和为总孔隙容积。孔隙率是指煤中总空隙体积占相应煤的体积的百分比，是决定煤对瓦斯的渗透、吸附性能的重要因素。

3.3.4 煤层瓦斯组分分析

本次测定对2个测定钻孔自然涌出的瓦斯取样并在实验室进行了组分分析。按煤层中气体成分可把煤层划分为氮气－二氧化碳带、氮气带、氮气－甲烷带及甲烷带四个带。甲烷带以上的三个带通称为瓦斯风化带，甲烷带与瓦斯风化带的分界为甲烷带的甲烷浓度大于80％，瓦斯压力大于0.1～0.15 MPa。

3.4 煤层瓦斯含量

3.4.1煤层瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量是指每吨煤或每立方米煤体中所含的瓦斯量。瓦斯在煤层中以游离和吸附两种状态存在，因此煤层瓦斯含量由游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量两部分组成。在煤的瓦斯含量中，一般吸附瓦斯含量占80％～90％以上。采用间接法确定3＃煤层的瓦斯含量，其中吸附瓦斯量的多少，决定于煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、温度等条件，可根据朗格缪尔方程确定；游离瓦斯由煤的孔隙率及煤层瓦斯压力决定。

3.5煤层的透气性系数

3.5.1 透气性系数的计算

煤是一种多孔介质，在一定的压力梯度下，气体和液体可以在煤体内流动。煤层透气性是指煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数表示。也就是说，煤层透气性系数代表着煤层瓦斯流动的难易程度。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。透气性系数的物理意义是：在1m长的煤体上，当瓦斯压力平方差为1MPa2时，通过1m2的煤层断面，每日流过的瓦斯量立方米数。

3.5.2 测定结果分析

根据煤层可抽放瓦斯的难易程度，煤层瓦斯的可抽性可以划分为容易抽放，勉强抽放和难以抽放三种类型。容易抽放和勉强抽放煤层，一般在未卸压条件下（即不采取专门的卸压措施）即可抽放瓦斯；难以抽放煤层一般应采取密集钻孔或采动的卸压措施，才能进行抽放。

4 结论

某矿3#煤层瓦斯基本参数的测定工作共施工钻孔4个，采取2组煤样、2组气样进行实验室测定，所测参数基本上能代表测定范围内煤层的瓦斯基本参数。通过对测定数据的分析，可以得出如下结论：

（1）某矿12023巷测定范围内3＃煤层的原始瓦斯压力为0.46MPa。

（2）某矿12023巷测定范围内3#煤层原始瓦斯含量为7.74～8.37m3/t，取8.37m3/t作为本次测定的瓦斯含量值。

（3）某矿12023巷测定范围内3＃煤层百米钻孔瓦斯流量为0.0117～0.05m3/(min·hm)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1525～0.283d-1，透气性系数为4.0076～9.9727m2/(MPa2·d)。

（4）12023巷3＃煤瓦斯放散指数ΔP为20～25，吸附表面积为70.09～86.82m2/g ，煤的坚固性系数为0.61～0.65，孔隙率为2.78%～6.25%。

参考文献：

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