新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究.doc

第 27卷 第 1期 2010年 03月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 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 Exact Measurement of Gas Content Q 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, 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 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 10of coal core gas content ; t he core drilling equip ment can not only fetch a 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 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 , 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 , 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 , 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 ; 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 gas content mensuration 211 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 [9] p p 1-p 0 -e -b r-a /t p 0, 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 . Ra a 24πr 2d r αt 0B 1t B 24πa 22d t 3R a 3 -3a 32 1, 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 . 将式 2 代入式 3 , 并进行积分 , R 33Ra 23aR 2 1-2 B 21 α t B 21 245b 2 p 1-p 0 R a 1-e -bR/t 4 169-131-e -bR/t 4 . 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 0A 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 2 1-2 B 21 α t B 21 2 45ln 1- p 1-p 0 2 2 p 1-p 0 R a p 1-p 0 4. 5 → ← 169 13ln 1- p 1-p 0 2 ・ p 1-p 0 6. 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 3/3・ 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 /m 0. 161 0. 359 0. 457 0. 525 0. 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 12 πa a -2 -a 2 1 αR 1 1- ∫ R 1a a 2 πa a -2 -a 21 d r α 2 πa a -2 -a 2 1 α・ R 1 1-2 b 1-p 0 arctan -e -bR 1/t -2-e -bR 1/t - 2 ln -bR 1/t -e -bR 1/t . 7 3 11 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/m 1. 0Q 1/10-3 m 3 4. 8366. 7277. 6468. 2698. 744比例 / 7. 5 10. 5 11. 9 12. 9 13. 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 drill equipment 图 4 所取煤芯图 Fig. 4 The map of fetched coal core 5 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 , 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 5125 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 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 848. 83578. 454996. 95工作面钻屑解吸法 632. 34 879. 59 3861. 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. 13 600 8. 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 4 11 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 , 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. 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