煤层瓦斯基础参数测定技术培训教材.doc

煤层瓦斯基础参数测定 培训教材 二零二二年 目 录 第一章 煤层瓦斯压力测定1 一、术语及定义1 二、测定方法分类1 三、所需设备、材料（被动测压法）2 四、测压地点的选择2 五、测压钻孔的施工及封孔3 六、压力表观测4 七、数据记录5 第二章 煤层瓦斯含量测定7 一、术语及定义7 二、测定方法7 三、测定使用仪器、设备9 四、采样10 五、测定方法及步骤11 六、瓦斯含量计算16 第三章 瓦斯抽采钻孔影响半径考察17 一、瓦斯抽采钻孔影响半径考察方法分析17 二、瓦斯流量法测定原理17 三、瓦斯流量测试仪器18 四、具体测试步骤18 五、考察数据分析结果20 第四章 煤层透气性系数测定21 一、煤层透气性系数计算公式22 二、测定与计算步骤23 三、测定中注意事项25 四、煤层的可抽采性分类26 第五章 钻孔瓦斯流量衰减系数测定27 一、钻孔瓦斯流量衰减系数测定方法28 二、钻孔瓦斯流量衰减系数计算28 第六章 煤的瓦斯吸附常数测定28 一、瓦斯含量与瓦斯吸附量、瓦斯压力及温度之间的关系29 二、采用高压容量法测定等温吸附曲线计算a、b值的原理30 三、测定过程31 四、注意事项33 第七章 煤的坚固性系数测定34 一、测定原理34 二、测定方法与步骤35 三、坚固性性系数的计算36 第八章 煤的瓦斯放散初速度测定37 一、基本概念及测定装置37 二、所需实验仪器39 三、采样与制样39 四、测定步骤40 五、实验结果的计算及分析41 六、注意事项41 第九章 突出危险性预测指标测定42 一、工作面突出危险性预测、效果检验42 二、常用预测指标测定方法44 附参数测试标准 附1AQ/T 1047-2007 煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法 附2GB/T 23250-2009 煤层瓦斯含量井下直接测定方法 附3MT/T 1173-2019 煤层透气性系数测定方法-径向流量法 附4MT/T 752-1997 煤的甲烷吸附量测定方法高压容量法 附5GB/T 23561.12-2010 煤的坚固性系数测定方法 附6AQ1080-2009 煤的瓦斯放散初速度（△p）测定方法 附7AQ/T1065-2008 钻屑瓦斯解吸指标测定方法 附8MT/T 639-2019 钻孔瓦斯涌出初速度测定方法 III 龙煤集团瓦斯地质研究院煤层瓦斯基础参数测定培训教材 第一章 煤层瓦斯压力测定 一、术语及定义 （1）煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力为瓦斯在煤层中所呈现的压力，单位为MPa。如无特指，煤层瓦斯压力均为绝对压力。 （2）煤层原始瓦斯压力煤层原始瓦斯压力是指煤层未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响处的煤层瓦斯压力，单位为MPa。 （3）煤层残存瓦斯压力煤层受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响后残存的瓦斯呈现的压力称为煤层残存瓦斯压力，单位为MPa。 （4）煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定指在煤矿井下通过测定钻孔及相应测定方法直接测量煤层瓦斯压力的过程简称测压。 二、测定方法分类 2.1煤层瓦斯压力测定有间接测定法和直接测定法两种方法。 方法分类 技术要点与技术关键 间接测定法 技术要点根据瓦斯含量、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。 技术关键各种基础参数的准确测定。 直接测定法 技术要点采用打钻、封孔、测压的方法实测煤层瓦斯压力的方法。 技术关键封孔技术。 2.2按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气体，直接测定法可分为主动测压法和被动测压法。 （1）主动测压法 在钻孔预设测定装置和仪表并完成密封后，通过预设装置向钻孔揭露煤层处或测压气室充入一定压力的气体，从而缩短瓦斯压力平衡所需时间，进而缩短测压时间的一种测压方法。补偿气体用于补偿钻孔密封前通过钻孔释放的瓦斯，可选用氮气N2、二氧化碳气体CO2或其他惰性气体。 （2）被动测压法 测压钻孔被密封后，利用被测煤层瓦斯向钻孔揭露煤层处或测压气室的自然渗透作用，达到瓦斯压力平衡，进而测定煤层瓦斯压力的方法。 三、所需设备、材料（被动测压法） （1）钻孔设备钻机能力应满足测压钻孔长度的要求。 （2）材料（a）囊袋封孔器、压力表联接头（三通）、密封垫、密封带等；（b）测压用的测压管材承受内压应不小于12MPa。 （3）仪表测定用压力表，量程为预计煤层瓦斯压力的1.5倍，准确度优于1.5级，必须符合JJG52的规定；空盒气压计，必须符合QX／T 26的规定。 （4）工具管钳，扳手，剪刀，皮尺，水桶，螺丝刀等。 四、测压地点的选择 （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，其瓦斯赋存状况要具有代表性。 （2）测压钻孔应避开含水层、溶洞，并保证测压钻孔与其距离不小于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距离不小于50 m。 （4）对于需要测定煤层残存瓦斯压力的测压钻孔则根据测压目的的要求进行测压地点选择。 （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围之外，其距离应不小于20 m（石门测压除外）。石门揭煤瓦斯压力测定钻孔的布置按防治煤与瓦斯突出细则的有关规定进行。 （7）瓦斯压力测定地点应选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方。 五、测压钻孔的施工及封孔 5.1测压钻孔的施工 （1）钻孔直径宜为φ65 φ95mm。钴孔长度应保证测压所需的封孔深度； （2）钻孔的开孔位置应选在岩石（煤壁）完整的地点。 （3）钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完整，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，应立即用压风或清水清洗钻孔，清除钻屑，保障钻孔畅通。 （5）在钻孔施工中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开始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安全措施（包括测压观测期间所应采取的技术及安全措施）。 5.2测压钻孔的封孔 5.2.1封孔前应作如下准备工作 （1）按选用的封孔方法准备好封孔材料、仪表、工具等。 （2）检查测压管是否通畅及其与压力表联接的气密性。 （3）钻孔为下向孔时应将钻孔内积水排除。 5.2.2“两堵一注”囊袋封孔工艺 （1）穿层钻孔测压要进行钻孔全岩长度注浆，将囊袋封孔器与测压管固定在一起，送至测压钻孔，里部囊袋送至煤层底板，外部囊袋送至距孔口300-400mm；顺煤钻孔测压要保证测压钻孔的测压气室位于巷道的卸压圈之外，原则上封孔长度不低于25m，见图1。 （2）根据封孔深度确定膨胀不收缩水泥的使用量。按一定比例参考值为水灰比为21，膨胀剂的掺量为水泥的12％配好封孔水泥浆。用泥浆泵一次连续将封孔水泥浆注入钻孔内，直至返浆管开始返浆。 （3）注浆完成24 h后，在孔口安装三通及压力表。 图1 煤层瓦斯压力测定封孔示意图 六、压力表观测 （1）观测时间的确定应至少3 d观测一次测定压力表，视煤层瓦斯压力及透气性大小的不同，其观测时间一般需20～30 d以上。在观测中发现瓦斯压力值在开始测定的一周内变化较大时，则应适当缩短观测时间间隔。 （2）将观测结果绘制在以时间（d）为横坐标、瓦斯压力（MPa）为纵坐标的坐标图上（见图2），当观测时间达到要求时，如压力变化在3d内小于0.015MPa，结束，否则应延长测压时间。 （3） 在结束测压工作、撤卸表头时应制定相应的安全措施，应测量从钻孔中放出的水量，如果钻孔与含水层、溶洞导通根据矿井防治水的有关方法判定，则此测压钻孔作废并按有关规定进行封堵；如果测压钻孔没有与含水层、溶洞导通，则需对钻孔水对测定结果的影响进行修正，修正方法可根据测量从钻孔中放出的水量、钻孔参数、封孔参数等进行。 （4）同一测压地点以最高瓦斯压力测定值作为测定结果。 图2 煤层瓦斯压力测定数据图 七、数据记录 在钻孔施工中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开始见煤长度及钻孔在煤层中长度，钻孔开钻时间、见煤时间及钻毕时间。记录格式为 第二章 煤层瓦斯含量测定 煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据，是矿井通风及瓦斯抽采设计的重要参数之一，更是突出矿井消突是否达标的主要考察指标。瓦斯含量是指煤层在自然条件下单位重量煤所含的瓦斯量，m3/t。影响煤层瓦斯含量的主要因素有煤层的埋藏深度、煤层与围岩的透气性、煤层倾角和露头、地质构造、煤的吸附特性、地层的地质史、水文地质条件。 一、术语及定义 （1）残存瓦斯量常压状态下，煤样解吸后残留在煤样中的瓦斯量。 （2）损失瓦斯量煤样从暴露到开始测定解吸量期间所遗失的瓦斯量。 （3）粉碎前脱气量在负压状态下，煤样在粉碎前所解吸的瓦斯量。 （4）粉碎后脱气量在负压状态下，煤样在球磨机中粉碎到80以上的煤样粒度小于0.25mm时所解吸的瓦斯量。 （5）粉碎前自然解吸瓦斯量在常压状态下，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在常压状态下，煤样在粉碎机中粉碎到95以上煤样粒度小于0.25mm时所解吸的瓦斯量。 （7）常压不可解吸瓦斯量在常压状态下，粉碎解吸后仍残存在煤样中不可解吸的瓦斯量。 二、测定方法 根据煤炭科学研究院抚顺分院、煤炭科学研究院重庆分院负责起草的煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GB/T 32250-2009），煤层瓦斯含量井下直接测定分为真空脱气法与常压自然解吸法。 直接法测定煤层瓦斯含量的原理是利用本煤层钻孔采集原始煤体煤芯，用解吸仪在井下直接测定其解吸瓦斯量及解吸规律，根据其解吸规律来推算煤样从开始采集至解吸测定前的损失瓦斯量，并在实验室测定煤样中残存瓦斯量，测定和计算的这三部分瓦斯量之和即为煤层瓦斯含量。 2.1真空脱气法 真空脱气法测定煤层瓦斯含量操作流程见图1。 图1 真空脱气法测定煤层瓦斯含量操作流程图 2.2自然解吸法 自然解吸法测定煤层瓦斯含量操作流程见图2。 图2 自然解吸法测定煤层瓦斯含量操作流程图 三、测定使用仪器、设备 （1）煤样罐罐内径大于60mm，容积足够装煤样400g以上，在1.5MPa下保持气密性。 （2）瓦斯解吸速度测定仪（图3所示）。 （3）空盒气压计。 （4）秒表。 （5）穿刺针头或阀门。 （6）温度计。 （7）真空脱气装置/DGC测定装置。 （8）球磨机或粉碎机。 （9）气象色谱仪。 （10）天平量程不小于100g，感量不大于1g。 （11）超级恒温器，最高工作温度（95～100 ℃。 （12）水分快速测定仪。 图3 瓦斯解吸测定仪与密封罐示意图 四、采样 4.1采样前准备 （1） 所有用于取样的煤样罐在使用前必须进行气密性检测；气密性检测可以通过向煤样罐注空气至1.5MPa以上，关闭后搁置12h，压力不降低方可使用。不应在丝扣及胶垫上涂润滑油。 （2） 解吸仪在使用前，将量管内灌满水，放置10min量筒水面不降低为合格。 4.2煤样采集 （1） 采样钻孔布置同一地点应布置两个取样钻孔，取样点间距不小于5m。 （2） 在石门或岩石巷道可打穿层钻孔取煤样，在新暴漏的煤巷中应首选煤芯采取器（简称煤芯管）或其他定点取样装置定点采集煤样。 4.3采样深度 （1）测定煤层原始瓦斯含量时，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 a 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，但不应小于12m。 b 在石门或岩石巷道采样时，距离煤层的垂直距离应视岩性而定，但不应小于5m。 （2）抽采后煤层残余瓦斯含量测定时，采样深度应符合AQ 1026的规定。 4.4采样时间 采样时间是指用于瓦斯含量测定的煤样从暴露到被装入煤样罐密封所用的实际时间，不应超过5min。 4.5采样要求 （1）对于柱状煤芯，采取中间不含矸石的完整的部分。 （2）对于粉状及块状煤芯，要删除矸石及研磨烧焦部分。 （3）不应用水清洗煤样，保持自然状态装入密封罐中，不可压实，罐口保留约10mm空隙。 4.6采样记录 （1）采样地点矿井名称、煤层名称、埋深（地面标高、底板标高）、采样深度、钻孔方位、钻孔倾角。 （2）采样时间取样开始时间、取样结束时间、装样结束时间。 （3）编号煤样罐号、样品编号。 五、测定方法及步骤 5.1井下自然解吸瓦斯量测定 （1）井下自然解吸瓦斯量采用排水集气法。 （2）每间隔一定时间记录量管读书及测定时间，连续观测（12）h或解吸量小于2cm3/min为止，开始观测前30min内，间隔1min读一次数，以后每隔（25）min读一次数，将观测结果填写到测定记录表中（见GB/T23250-2009附录B），同时节理气温、水温及大气压力。 （3）测定结束后，密封煤样罐，并将煤样罐沉入清水中，仔细观测10min，如果发现有气泡冒出，则该试样作废应重新测试；如果不漏气，送实验室继续测定。 5.2残存瓦斯量测定 5.2.1真空脱气法 （1）实验室脱气与气体分析 利用图4所示的真空脱气装置，加热至95℃后用真空泵抽出煤样中的气体，然后用气相色谱仪分析气体成分。 图4 真空脱气装置示意图 1超级恒温器；2密封罐；3穿刺针头；4滤尘管；5集水瓶；6冷却管； 7水银真空计；8隔水瓶；9吸水管；10排水瓶；11吸气瓶；12真空瓶； 13大量管；14小量管；15取气直管；16水准瓶；17干燥管；18分隔 球；19真空泵；A、B、C、E、F单向活塞；G、H、I、J、K三通活塞；L、 M、N120三通活塞 （2）煤样粉碎 煤样脱气结束后，打开真空罐取出煤样，放进密封球磨罐进行粉碎。要求粉碎后煤样绝大部分（80以上）的粒度在0.25mm以下。 （3）粉碎后脱气与气体分析 将装有已粉碎煤样的密封球磨罐进行加热和真空脱气，方法同步骤（1），直到基本上无气体解吸为止。 （4）煤样称重与工业分析 （5）煤中残存瓦斯量计算 （6）煤中残存瓦斯量计算 根据两个阶段脱气的气体分析结果中的氧含量，扣除混入的空气成分，即换算出无空气基的煤层气体成分，再根据两次脱气抽出的气体体积和成分、煤样重量和煤质分析结果，很容易算出单位重量煤（或可燃质）中含有的瓦斯量，即煤的残存瓦斯量。 5.2.2常压自然解吸法 （1）解吸前准备工作 解吸玻璃管充工作液（饱和食盐水或自来水），进行气密性检测。 （2）实验室常压解吸 读取初值，将煤样罐与DGC装置连接（见图5），开启阀门开始解吸，当解吸到解吸量小于5ml/min时解吸结束。解吸瓦斯量为粉碎前瓦斯解吸量。 图5 DGC常压解吸装置图 （3）煤样总重量（G）称量 （4）选取与整体煤样粒径像似煤样150g左右作为粉碎二次煤样（G1、G2）称量，二次煤样粒径应小于26mm。 （5）读取初值开启粉碎，粉碎至2min左右或解吸量较少时结束粉碎，读取终值，则为粉碎后瓦斯解吸含量。 （6）根据G1、G2重量的煤样解吸量推算出重量为G煤样的粉碎后瓦斯解吸量。 （7）第（1）步粉碎前自然瓦斯解吸量与第（6）粉碎后瓦斯解吸量之和与煤样重量G的比值为煤样残存瓦斯量。 5.3井下取样损失瓦斯量（法） 此方法是根据煤样开始暴露一段时间内V与呈直线关系来进行确定，即 （1）VK* V损 （2） t0t2-t1 式中Vt时间内累计瓦斯解析量，ml； t0煤样在解吸测定前的暴露时间，分（min）； t1取芯（屑）开始时刻，时分秒； t2装罐结束（开始解析测定）时刻，时分秒； t煤样解吸测定的时间，min； k待定常数。 V损暴露时间t0内瓦斯损失量，ml。 计算 V损值前首先以为横坐标，以V为纵坐标作图，有图大致判定呈线性关系的各测点，然后根据这些点的坐标值，按最小二乘法或作图法求出V损值。具体计算方法见表1与图6（举例）。 表1 井下瓦斯解吸数据表 解析时间t/min 损失时间t0/min 累计瓦斯解析量/ml 1 3 2.00 26 2 3 2.24 46 3 3 2.45 64 4 3 2.65 80 5 3 2.83 96 6 3 3.00 108 7 3 3.16 120 8 3 3.32 130 9 3 3.46 140 10 3 3.61 146 11 3 3.74 152 12 3 3.87 156 13 3 4.00 159 14 3 4.12 162 15 3 4.24 164 16 3 4.36 166 根据表1数据，通过作图法求出V损值，V损值为Y轴的截距79.488ml。 图6 损失瓦斯量计算图 六、瓦斯含量计算 （1）真空脱气法 瓦斯含量 （损失量瓦斯量 井下解吸瓦斯量 粉碎前脱气量 粉碎后脱气量） / 煤样重量 （2）自然解吸法 瓦斯含量 （损失瓦斯量 自然解吸瓦斯量 残存瓦斯解吸量 ） /煤样重量 第三章 瓦斯抽采钻孔影响半径考察 我国的突出矿井中，具备开采保护层条件的仅有三分之一。防治煤与瓦斯突出细则规定，突出危险区的煤层不具备开采保护层条件的，必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行区域措施效果检验。因此，顺层钻孔抽采本煤层瓦斯成为目前突出矿井常用的消突措施之 一，在突出矿井采掘活动中起着至关重要的作用。顺层钻孔的抽采影响半径是进行抽采方法选择、确定钻孔参数布置以及评价抽采效果的重要依据。若钻孔间距过大，在抽采范围内容易形成盲区；若抽采间距过小，容易造成人力、物力的巨大浪费，故准确测定顺层钻孔的抽采影响半径对矿井瓦斯抽采具有重要意义。 一、瓦斯抽采钻孔影响半径考察方法分析 目前常用的瓦斯抽采钻孔有效影响半径考察方法有压降法、计算机模拟法、气体示踪法和瓦斯流量法等。现场用压降法来考察瓦斯抽采钻孔有效影响半径，由于在测试过程中需要准确观测压力变化，而开采煤层的动态变化致使测压孔漏气或因水压等因素导致测定效果不理想，无法准确测定瓦斯抽采钻孔有效影响半径；计算机模拟法虽然能方便快捷地计算出瓦斯抽采钻孔有效影响半径，但计算模型的假设往往过于理想化，得到的瓦斯抽采钻孔有效影响半径误差较大；气体示踪法由于在井下操作，气体选择受到限制，而且对封孔要求严格，常常因封孔不严导致示踪气体涌入各个试验钻孔，导致考察不成功；瓦斯流量法是通过测试受抽采影响钻孔的自然瓦斯流量变化情况来考察抽采半径，易操作、成功率与准确率都较高。 二、瓦斯流量法测定原理 钻孔在抽采煤层瓦斯时，在煤层瓦斯压力和抽采负压的共同作用下，钻孔周围煤体的瓦斯被抽出来，形成以钻孔中线为轴心的类似圆形的抽采影响圈，抽采影响圈的半径称之为瓦斯抽采钻孔影响半径。随着抽采时间的延长，抽采影响半径会逐渐加大，直到煤层瓦斯压力与抽采负压之和不足以克服深部煤体瓦斯运移到钻孔的阻力时为止。在钻孔瓦斯抽采影响半径范围内，煤体的瓦斯压力会不断降低。若在抽采钻孔周边不同距离处布置瓦斯涌出观测钻孔，若观测孔瓦斯涌出量衰减连续四次超过10或涌出量变为负数，则此钻孔与抽采钻孔之间的距离即为与此段抽采时间对应的有效影响抽采半径。 三、瓦斯流量测试仪器 气体流量计应满足如下要求 （1） 当钻孔瓦斯流量大于0.016m3/h时，应采用流量上限不小于0.016m3/h且规格适宜的膜式燃气表或其他符合要求的流量计量仪器进行测定。 （2） 当钻孔瓦斯流量不小于0.0024m3/h且不大于0.016m3/h时，采用气体转子流量计进行测定。 （3） 当钻孔流量小于0.0024m3/h时，采用精度为2ml的量筒排水法进行测定。 四、具体测试步骤 （1）在工作面新鲜暴露煤壁处间隔一定距离依次施工若干测试钻孔，钻孔互相平行，见图1（分组布孔平面示意图）；钻孔方向与煤壁垂直，施工钻孔长度50m60m，孔径选矿井常用抽采钻孔孔径；封孔深度根据煤层裂隙发育情况确定，但不应低于15m；测定并记录各测试钻孔流量变化情况，每天测试一次；测试钻孔施工完成后，施工抽采钻孔，开孔高度与测试钻孔平齐，钻孔方向和测试孔平行，封孔深度不低于15m，封孔后联网进行抽采。 图1 瓦斯抽采钻孔影响半径钻孔布置平面示意图 （2）抽采孔联网开始抽采后，每天观测并记录一次测试钻孔瓦斯涌出量，记录表1，观测时间不低于60天，并绘制各个测试孔瓦斯涌出量变化曲线图2。 表1 瓦斯抽采钻孔有效影响半径考察数据基础表 孔号 时间 瓦斯流量读数 抽采负压 备注 时间（天） （ml/min）流量 图2 某号测试钻孔瓦斯涌出量变化曲线图 （3）根据钻孔瓦斯涌出量变化曲线，分析测试孔瓦斯涌出量是否连续四次衰减超过10或涌出量变为负值，如果连续四次衰减超过10或为负值，则此观测孔在钻孔抽采的影响半径范围内，据此规则对所有观测孔进行分析，得出一定抽采时间内瓦斯抽采钻孔有效半径。 五、考察数据分析结果 对各个测试钻孔瓦斯涌出量数据进行统一整理分析，可得出实测的瓦斯抽采时间与对应的抽采半径，见示例表2。 表2 抽采时间与抽采半径关系 抽采时间（天） 对应抽采半径（m） 3 1 8 1.5 12 2 35 2.5 根据抽采时间与抽采半径实测关系表可以做出示例图3 时间（天） 抽采半径（m） 图3 抽采时间与抽采半径关系图 拟合曲线公式为 y2.58-2.16e-0.098x R20.96 通过以上分析当抽采钻孔直径、抽采负压已定时，我们可以通过数据拟合公式计算得到特定的抽采时间内所对应的钻孔瓦斯抽采影响半径，见示例表3。 表3 不同抽采时间下所对应的钻孔瓦斯抽采影响半径（示例） 抽采时间（天） 抽采半径（m） 钻孔直径（mm） 负压（Kpa） 30 2.46 94 14.6-18.5 60 2.88 94 100 3.21 94 150 3.39 94 200 3.40 94 第四章 煤层透气性系数测定 煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志，测定煤层瓦斯透气性系数与测定瓦斯压力、流量一样，都是很重要的。目前，我国广泛采用的测定方法是在煤层瓦斯向钻孔流动的状态属径向不稳定流动的基础上建立的，通过测定煤层瓦斯径向不稳定流量来计算煤层透气性系数，该方法称为径向流量法。 原理煤是一种多孔介质，在一定的压力梯度下，瓦斯可以在煤体内流动，煤层瓦斯流动难易程度通常用煤层透气性系数来表示。其物理意义是在1m长的煤体上，当瓦斯压力平方差为1MPa2时，通过1m2煤层断面每日流过的瓦斯立方米数。 一、煤层透气性系数计算公式 表4-1 径向不稳定流动的计算公式 流 量 准 数 A 时 间 准 数 系数 a 指数 b 煤层透气性系数 λ 常数 A 常数 B 10-2～1 1～10 10～102 102～103 103～105 105～107 1 1 0.93 0.588 0.512 0.344 -0.38 -0.28 -0.20 -0.12 -0.10 -0.065 表中 Y流量准数，无因次。 F0时间准数，无因次。 a、b系数与指数，无因次。 a煤层瓦斯含量系数， m3/（m3.MPa0.5），aXγ/。 X煤的瓦斯含量， m3/t。 P0煤层原始的绝对瓦斯压力，（表压力加0.1MPa），MPa。 P1钻孔内排放瓦斯时的瓦斯压力，一般为0.1MPa。 r1钻孔半径，m。 λ煤层透气性系数，m2/ MPa2.d）。 q在排放瓦斯时间为t时的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/m2.d，可由下式确定； qQ/2πP1L。 Q在时间t时的钻孔总流量，m3/d。 Q14401.34k/1000 k孔板系数。 h孔板流量计两端水柱产，mm。 λ煤层透气性系数，m2/ MPa2.d）。 L钻孔穿煤垂距，一般等于煤层厚度，m。 t 从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量的时间，d。 二、测定与计算步骤 2.1煤层瓦斯压力测定 （1）向煤层布置穿层钻孔，钻孔轴向与煤层法线夹角不大于30，钻孔应贯穿煤层全厚如不能贯穿则至少穿透3 m以上。记录钻孔的方位角、仰角和钻孔在煤层中的长度。记录钻孔见煤和打完煤层的时间（年、月、日、时、分）。 （2）同一附点应布置不少于2个钻孔，各钻孔见煤点间距（沿煤层层面距离）不小于20m，应避开裂隙水、承压水、溶洞等影响，钻孔直径宜选用65 mm95 mm，测压方法按AQ/T 1047 规定执行。 2.2钻孔瓦斯流量测定 （1）测定前用气压计测定并记录巷道内大气压力值； （2）煤层瓦斯压力稳定后，打开测压钻孔进行瓦斯自然排放，同时记录拆表时间； （3）同一测点应测定煤层瓦斯压力测值最大钻孔的瓦斯流量，所有瓦斯压力测点均应测定钻孔瓦斯流量； （4）打开测压钻孔后24h内应测定钻孔瓦斯流量不少于3次，首次测定应在打开测压钻孔排放瓦斯后且瓦斯呈自然涌出稳定态时进行一般为自然排放瓦斯1 h后，每1 min记录1次瓦斯流量值，测定时间不小于5min，记录数值的平均值作为当次瓦斯流量测定值，瓦斯流量记录表见MT∕T 1173-2019 附录D。首次测定后间隔不大于2 h进行第2次测定，第2次测定后再间隔不大于2h进行第3次测定；当发现瓦斯流量衰减较快时，应缩短测定的间隔时间、增加测定次数；第4次与首次测定间隔时间不大于24h，之后测定时间间隔按照第4次测定时间间隔以此类推，直至瓦斯流量测定值的变化率小于10或稳定为止； （5）最后一次瓦斯流量的测定值作为本测点计算透气性系数的瓦斯流量值； （6）当上向孔或水平钻孔有水流出时，应采取气水分离措施，确保瓦斯流量测定的准确性；下向孔有积水时，该钻孔作废。 2.2煤层透气性系数计算 煤层透气性系数计算可以采用人工试算法，也可以采用计算机程序实现参见MT∕T 1173-2019 附录E，人工试算法步骤如下 （1）计算透气性系数时，首先选用式3、式4、式5计算出A、B值； （2）采用试算法，即先选用式2中任何一个公式计算出λ值。再将这个入值代人式6中算出F0； （3）如果算出的F0符合所选公式的F0值适用范围，则选用的公式正确。算出的λ值为该测点透气性系数； （4）如果算出的F0值不在所选公式范围内，则根据算出的F0值选其所在范围的公式重新进行计算，直至F0值在所选公式范围为止。一般t10d，可选用F0102103公式进行试算。 例如某矿2号钻孔。P0＝4MPa a＝13.27m3/ m3MPa0.5 r1＝510-2m，某年9月18日12时钻孔穿9号煤层，10月29日12时测钻孔流量Q＝3.53m3/d，由于排放瓦斯时间长，钻孔煤孔长度3.5m。算得q＝3.21m3/m2d， t＝41d， P1＝0.1MPa。则 A＝＝＝0.01 B＝＝＝3.95478104 由于时间较长，选用F0＝103～105公式λ＝2.1A1.11B1/9 λ＝2.10.011.113.954781041/90.041m2/MPad， 代入校检公式F0Bλ3.954781040.0411622，F0在103～105内，公式适用，结果正确。 三、测定中注意事项 （1）测定透气性系数的钻孔要注意喷过煤粉现象，如有的话，应记录喷煤的数量，以便折合计算钻孔孔径。值得引起注意的是喷煤粉后的钻孔壁附近煤体已经卸压变形，因而在排放瓦斯时间短时，即求得的煤层透气性系数偏大，所以在测定时应使排瓦斯较长，使流动场扩大，以减少孔壁卸压区的影响。 （2）测定流量的时间在瓦斯压力为真实压力时，排瓦斯在一日以上较好，在压力低于真实压力时，以排瓦斯时间在一小时内到几小时为好。如测定前对压力的真实程度缺乏了解，此时可以在不同的时间多测几个流量值，这样可以分析压力的真实性和距钻孔不同距离煤层透气性系数的变化规律。在煤层透气性系数比较大，测定流量时间较长时，钻孔长度可以取煤层厚度；在透气性系数小，而测定流量时间亦校短时，钻孔长度可取钻孔见煤长度。 （3）瓦斯压力和流量的测定必须尽量准确。如瓦斯压力测定值偏低，则测出的透气性系数将随时间的增长而偏大。 （4）测卸压后的煤层透气性系数时最好在测定钻孔20m范围内无抽采钻孔，否则，测定的透气性系数有误差。 （5）封孔测压安压力表之前，所测定的瓦斯流量Q0、t0，在已知煤层透气性系数时，可反求煤层的原始瓦斯压力P0。但已知的透气性系数的排放瓦斯时间t应和t0相近。 总之，这种测算煤层透气性系数的方法，井下的测定工作较为简单，室内的计算工作稍复杂，但只要实践几次，是能够掌握的。 四、煤层的可抽采性分类 煤层透气性系数是衡量煤层可抽采性的重要参数，具体见表4-2。 表4-2 煤层可抽采性分类 指标 分类 钻孔百米流量衰减系数d-1 煤层的透气性系数（m2/MPad） 容易抽采 ＜0.005 ＞10 可以抽采 0.005～0.05 10～0.1 难以抽采 ＞0.05 ＜0.1 第五章 钻孔瓦斯流量衰减系数测定 钻孔瓦斯流量衰减系数是钻孔瓦斯流量随时间的推移呈衰减变化的特征，是表征钻孔自然瓦斯涌出特征的重要参数，是评价预抽煤层瓦斯难易的重要指标之一。 一、钻孔瓦斯流量衰减系数测定方法 选择具有代表性的地区打钻孔，先测定其初始瓦斯流量，经过排放瓦斯时间后，再测其瓦斯流量，然后由相关公式计算，求出钻孔瓦斯流量衰减系数。具体要求如下 （1）具备测钻孔瓦斯流量仪器，常用孔板流量计、钻孔多级流量计。 （2）选择具有代表性的煤层区段，打煤层钻孔，完钻后密封钻孔，并测定成孔初始时的瓦斯流量。 （3）保持钻孔成自然排放瓦斯状态，经过时间t日后（10天以上）测试一次瓦斯流量。 （4）对于钻孔瓦斯流量较大的煤层应适当延长瓦斯流量测试天数。 二、钻孔瓦斯流量衰减系数计算 钻孔瓦斯流量衰减系数计算公式如下 qt＝q0e-βt 5-1 5-2 式中 qt百米钻孔经ｔ日后排放时的瓦斯流量，m3/min.100。 q0百米钻孔成孔初始时的瓦斯流量，m3/min.100。 t钻孔涌出瓦斯经历时间，ｄ。 β钻孔瓦斯流量衰减系数，ｄ-1。 第六章 煤的瓦斯吸附常数测定 煤的瓦斯吸附常数（a、b值）是煤矿瓦斯防治的重要参数，它的准确测定对煤矿瓦斯预测、瓦斯抽采和瓦斯突出防治均有重要意义。日常主要用于参与计算煤的不可解吸瓦斯含量、用DGC设备测定煤层瓦斯含量时需录入a、b值、参与反推瓦斯压力或瓦斯含量时计算等。 一、瓦斯含量与瓦斯吸附量、瓦斯压力及温度之间的关系 瓦斯以两种状态存在煤体之中，即吸附状态和游离状态。在煤的瓦斯含量中，一般吸附瓦斯占80-90％以上，吸附瓦斯量的多少，决定于煤对瓦斯吸附能力和瓦斯压力、温度等条件。瓦斯含量与瓦斯压力及温度之间的关系见图1和图2。 图1 瓦斯含量和温度、压力的关系 图2 瓦斯含量和压力的关系曲线 从图上可以看出，由吸附瓦斯和游离瓦斯组成的瓦斯含量随着温度的升高而降低大约温度增加1℃，每克可燃物吸附瓦斯可减少0.05－0.065ml；随着压力的增高。这是因为在一定温度下，当瓦斯压力增高时，意味着单位体积内瓦斯分子数增加，这就增加了瓦斯分子与煤体吸附的机会。但吸附力随着吸附瓦斯分子层的增厚而降低，因此，吸附两增加到一定程度后就会逐渐趋于饱和。 煤的吸附瓦斯量一般用朗格缪尔方程计算 Xx 6-1 式中Xx在瓦斯压力为P，煤层温度为t℃时，煤的吸附瓦斯量。 P绝对瓦斯压力，MPa。 a、b煤的吸附常数。 煤的游离瓦斯量在目前开采深度的温度条件下，可以按理想气体等温压缩公式计算 XyKP 6-2 式中Xy煤的游离瓦斯量，m3/t。 K煤的空隙率，％。 煤的总瓦斯含量X与瓦斯压力P之间的关系为 Xx ＋kp 6-3 从6-3式可以知道，只要能测定出煤样的吸附常数a、b值和煤的孔隙率，瓦斯压力和瓦斯含量之间便可以换算。 二、采用高压容量法测定等温吸附曲线计算a、b值的原理 煤在变质过程中生成瓦斯和排出挥发性物质的同时，凝胶化作用，使煤形成芳香核为基本单元的聚合体，致使煤成以多孔物质，因而它是一种很好的吸附剂。 所谓容量法就是在一定的压力和温度下，测定吸附剂微孔中所容纳的瓦斯量。 所谓等温吸附曲线就是在某一温度下，吸附得到平衡时，吸附量与压力关系的曲线。 采用容量法测定等温吸附曲线时，要将预先加工好的煤样放在吸附容器中，在真空加热下脱气，测定其中的死空间包括吸附剂的微孔、颗粒间空隙、试验容器的残余空间等体积，然后，在一定的温度下往容器中注入一定体积的气体，在容器中形成相应的压力。部分气体被吸附，最终建立一个吸附平衡状态。然后测定该气体的压力和体积。根据气体的起始体积和最终体积的差值即可计算出在给定温度和气体压力下被吸附的气体体积。为了保证测试精度，在测试曲线前段低压吸附时采用先注入高压气体，待达到吸附平衡后，进行多次排气，并记录煤层的平衡压力和排气量，直至瓦斯压力降为1at左右。根据上述测定中瓦斯吸附平衡压力和吸附量的对应关系，可计算出a、b值。测定装置示意图如图3所示。 图3 高压容量法吸附实验装置示意图 三、测定过程 3.1煤样制作 （1）将潮湿的待测样品在常温条件下晾干，去掉煤样的外在水分； （2）采用四分法选样，利用标准筛筛分60-80目的煤样35克左右。 3.2测定步骤 （