瓦斯地质学第五章-瓦斯参数测定方法分解.ppt

第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法5.1 有关煤层瓦斯的几个概念有关煤层瓦斯的几个概念5.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定5.3 煤层瓦斯压力测定煤层瓦斯压力测定5.4 瓦斯放散初速度测定瓦斯放散初速度测定5.5 煤的坚固性系数煤的坚固性系数f 值测定值测定5.6 煤层透气性系数测定煤层透气性系数测定第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法v煤层原始瓦斯压力煤层原始瓦斯压力v煤层残存瓦斯压力煤层残存瓦斯压力v煤层原始瓦斯含量煤层原始瓦斯含量v煤层残存瓦斯含量煤层残存瓦斯含量v煤的瓦斯容量煤的瓦斯容量v瓦斯浓度瓦斯浓度v矿井相对、绝对瓦斯涌出量矿井相对、绝对瓦斯涌出量v瓦斯放散初速度瓦斯放散初速度v煤的坚固性系数煤的坚固性系数5.1 有关煤层瓦斯的几个概念有关煤层瓦斯的几个概念第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法煤层原始瓦斯含量煤层原始瓦斯含量 当当煤煤层层未未受受采采动动影影响响而而处处于于原原始始赋赋存存状状态态时时，单单位位重重量量煤煤中中所所含含有有瓦瓦斯斯的的换换算算成成标标准准状状态态下下（0，0.1MPa）的的瓦瓦斯斯体体积积称称之之为为煤煤层层原原始始瓦瓦斯斯含含量量，它常用它常用m3/t和和cm3/g作计量单位。作计量单位。煤层残存瓦斯含量煤层残存瓦斯含量 当当煤煤层层受受采采动动影影响响而而涌涌出出一一部部分分瓦瓦斯斯后后，单单位位重重量量煤煤中中所所含含有有的的换换算算成成标标准准状状态态下下的的瓦瓦斯斯体体积积称称之为煤层残存瓦斯含量。之为煤层残存瓦斯含量。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法煤层原始瓦斯压力煤层原始瓦斯压力 当当煤煤层层未未受受采采动动影影响响而而处处于于原原始始赋赋存存状状态态时时，煤煤中中平平衡衡瓦瓦斯斯压压力力称称之之为为煤煤层层原原始始瓦瓦斯斯压压力力，其其物物理单位为理单位为MPa（兆帕）（兆帕）。煤层残存瓦斯压力煤层残存瓦斯压力 当当煤煤层层受受采采动动影影响响涌涌出出一一部部分分瓦瓦斯斯后后，此此时时煤煤层层中中残残留留瓦瓦斯斯的的压压力力大大小小称称之之为为煤煤层层残残存存瓦瓦斯斯压压力力，单单位位为为MPa。煤煤层层的的残残存存瓦瓦斯斯压压力力总总小小于于原原始始瓦瓦斯斯压力。压力。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法煤的可解吸瓦斯含量煤的可解吸瓦斯含量 煤的原始瓦斯含量与煤的原始瓦斯含量与0.1 MPa瓦斯压力下的煤层残存瓦瓦斯压力下的煤层残存瓦斯含量之差称之为煤的可解吸瓦斯含量，其物理单位为斯含量之差称之为煤的可解吸瓦斯含量，其物理单位为m3/t或或cm3/g。煤的可解吸瓦斯含量大致代表单位重量的煤在开。煤的可解吸瓦斯含量大致代表单位重量的煤在开采过程中在井下可能涌出的瓦斯量。采过程中在井下可能涌出的瓦斯量。煤的瓦斯容量煤的瓦斯容量 当煤中瓦斯压力无限升高时，单位重量煤所能吸附的换当煤中瓦斯压力无限升高时，单位重量煤所能吸附的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤的瓦斯容量。算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤的瓦斯容量。瓦斯容量与煤的变质程度有关，从褐煤到无烟煤，随着瓦斯容量与煤的变质程度有关，从褐煤到无烟煤，随着煤的变质程度的升高，瓦斯容量也随着加大。瓦斯容量实际煤的变质程度的升高，瓦斯容量也随着加大。瓦斯容量实际上是煤对瓦斯的极限吸附量。上是煤对瓦斯的极限吸附量。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法瓦斯浓度瓦斯浓度 单位体积空气中所含有的瓦斯体积的体积百分单位体积空气中所含有的瓦斯体积的体积百分数称之为瓦斯浓度，常用数称之为瓦斯浓度，常用%作单位，我们常说的瓦作单位，我们常说的瓦斯浓度为斯浓度为1%表示的是井下每表示的是井下每1m3大气中含有大气中含有0.01m3的瓦斯的瓦斯。总回风巷：总回风巷：0.75%；采掘进风流：采掘进风流：0.5%；采区回风：采区回风：4%）投资低，建设周期短，就地消化，就地应用或远距离输送，投资低，建设周期短，就地消化，就地应用或远距离输送，规模可大可小，灵活方便。规模可大可小，灵活方便。D)地面抽采，做地面抽采，做LNG或或CNG（甲烷浓度（甲烷浓度80%）起步阶段，目前仅山西晋城和中石油、中联煤层气公司正在起步阶段，目前仅山西晋城和中石油、中联煤层气公司正在开展该方面的工作。开展该方面的工作。E)氧化销毁甲烷浓度氧化销毁甲烷浓度1%，目前仅有几个示范项目，主要是风排。目前仅有几个示范项目，主要是风排。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法瓦斯放散初速度瓦斯放散初速度(p)它是一个假定指标，表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢它是一个假定指标，表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的一个指标，无量纲。的一个指标，无量纲。煤的坚固性系数煤的坚固性系数(f)反映煤体破坏程度的一个指标，无量纲。反映煤体破坏程度的一个指标，无量纲。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法5.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定5.2.1 煤层瓦斯含量测定方法分类煤层瓦斯含量测定方法分类1.1.根据应用范围：地质勘探钻孔中应用方法根据应用范围：地质勘探钻孔中应用方法 煤矿井下应用方法煤矿井下应用方法2.2.根据方法特点：直接测定法根据方法特点：直接测定法 间接测定方法间接测定方法 直接测定法比较简单，直接从煤、岩试样中抽出瓦斯，测定其成分和瓦斯含量。比较复杂，先测定孔隙率、a、b 值，煤的工业分析，储层压力，再计算瓦斯含量。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法5.2.2 煤层瓦斯含量直接测定方法煤层瓦斯含量直接测定方法 1.1.煤的残存瓦斯含量测定方法煤的残存瓦斯含量测定方法(1)(1)取样。取样。采取新鲜煤芯或碎煤约采取新鲜煤芯或碎煤约200g200g，装入特制密封容器，装入特制密封容器（真空罐）中加以密封。（真空罐）中加以密封。(2)(2)试验室脱气与气体分析。试验室脱气与气体分析。试样送到试验室后常温脱气，之后加热至试样送到试验室后常温脱气，之后加热至9595进行进行真空脱气，抽出气体进行色谱分析。真空脱气，抽出气体进行色谱分析。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法 5 瓦斯参数测试方法 (3)煤样粉碎。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（罐进行粉碎。要求粉碎后煤样绝大部分（80%以上）的粒度在以上）的粒度在0.25mm以下。以下。(4)粉碎后脱气与气体分析。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（加热和真空脱气，方法同步骤（2），直到基本上无气体解吸为止。），直到基本上无气体解吸为止。(5)煤样称重与工业分析。煤样称重与工业分析。(6)煤中残存瓦斯量计算。煤中残存瓦斯量计算。根据根据2个阶段脱气的气体分析结果中的氧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，即换算出了无空气基的瓦斯气体成分，含量，扣除混入的空气成分，即换算出了无空气基的瓦斯气体成分，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，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，就很容易算出单位重量煤（或可燃质）中含有的瓦斯量，即煤的残就很容易算出单位重量煤（或可燃质）中含有的瓦斯量，即煤的残存瓦斯含量。存瓦斯含量。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法2.地勘期间煤层瓦斯含量测定方法地勘期间煤层瓦斯含量测定方法(解吸法解吸法)解吸法：解吸法：解解吸吸法法是是把把钻钻孔孔专专用用仪仪器器采采样样改改为为用用普普通通岩岩芯芯管管在在孔孔底底取取煤煤芯芯，利利用用密密封封罐罐在在煤煤芯芯提提升升到到孔孔口口时时采采样样。这这样样做做的的结结果果，既既减减少少了了钻钻孔孔采采样样的的困困难难，又又不不影影响响正正常常钻钻进进。该该法法自自1973年年起起在在美美国国得得到到了了广广泛泛的的应应用用，抚抚顺顺分分院院在在1978-1981年年期期间间在在我我国国一一些些煤煤田田进进行行了了工工业业试试验验，完完善善了了测定中所用的成套仪器和工具，已使之标准化。测定中所用的成套仪器和工具，已使之标准化。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法测定步聚：测定步聚：(1)(1)采样。采样。用普通煤芯管采取煤芯，当煤芯升到地表之后，选取煤样约用普通煤芯管采取煤芯，当煤芯升到地表之后，选取煤样约300300400g400g，立即放进密封罐中密封，在采样过程中，测定提升煤芯，立即放进密封罐中密封，在采样过程中，测定提升煤芯和煤样在空气中的暴露时间。和煤样在空气中的暴露时间。(2)(2)瓦斯解吸规律测定。瓦斯解吸规律测定。测定进行测定进行2h2h后，把煤样后，把煤样送到试验室进行脱气和气体分析。送到试验室进行脱气和气体分析。解吸速度测定仪解吸速度测定仪 (3)(3)损失瓦斯量计算。损失瓦斯量计算。煤样解吸测定前损失的瓦煤样解吸测定前损失的瓦斯量取决于煤芯在孔内和空气中的暴露时间和煤斯量取决于煤芯在孔内和空气中的暴露时间和煤样瓦斯解吸规律。样瓦斯解吸规律。1-水箱 2-量管 3-螺旋夹 4-吸气球 5-温度计 6-弹簧夹 7-胶管 8-穿刺针头 9-密封罐195876234第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法 第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法 试验和理论分析结果表明，煤样在刚开始暴露的一段时试验和理论分析结果表明，煤样在刚开始暴露的一段时间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比例，间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比例，即：即：式中式中 Vz煤煤样样自自暴暴露露时时起起到到解解吸吸测测定定进进行行时时间间为为t时时的的瓦瓦斯斯总总解解吸吸体体积积，ml；t0煤样在解吸测定前的暴露时间，煤样在解吸测定前的暴露时间，min；t1提钻时间，据经验煤样在钻孔的暴露时间取为，提钻时间，据经验煤样在钻孔的暴露时间取为，min；t2解吸测定前煤样在地面的暴露时间，解吸测定前煤样在地面的暴露时间，min；t煤样解吸测定的时间，煤样解吸测定的时间，min；k比例常数。比例常数。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法 解吸实验测出的瓦斯解吸量解吸实验测出的瓦斯解吸量V仅为煤仅为煤样总解吸量样总解吸量Vz的一部分，仅是的一部分，仅是t0到到t那部那部分解吸量，解吸测定前煤样在暴露时间分解吸量，解吸测定前煤样在暴露时间t0时已损失的瓦斯量时已损失的瓦斯量 由此由此 从现场应用该法的来看，损失瓦量量从现场应用该法的来看，损失瓦量量占煤样总瓦斯量的占煤样总瓦斯量的10%50%。应尽量。应尽量减少煤样的暴露时间，尽量选取较大粒减少煤样的暴露时间，尽量选取较大粒度的煤样，以减小瓦斯损失量在煤样总度的煤样，以减小瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。瓦斯量中所占的比重。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法 (5)(5)瓦斯含量计算。瓦斯含量计算。(4)(4)试验室煤样脱气及气体成分分析。试验室煤样脱气及气体成分分析。经过解吸测定结束后的煤经过解吸测定结束后的煤样，在密封状态下应尽快送到试验室进行加热（样，在密封状态下应尽快送到试验室进行加热（9595）真空脱气，）真空脱气，脱气完后将煤样粉碎，再进行一次脱气，最后进行气体组分分析。脱气完后将煤样粉碎，再进行一次脱气，最后进行气体组分分析。脱气、粉碎和气体分析方法与测残存瓦斯含量时相同。脱气、粉碎和气体分析方法与测残存瓦斯含量时相同。X0煤样的原始瓦斯含量，ml/g;V1煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯体积，ml；V2计算出的瓦斯损失量，ml；V3煤样粉碎前的脱出量，ml；V4煤样粉碎后的脱出量，ml；G煤样重量，g；第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法3.井下煤层瓦斯含量测定方法井下煤层瓦斯含量测定方法钻屑解吸法钻屑解吸法(A)钻屑解吸法钻屑解吸法(A)(A)：抚顺分院在抚顺分院在19801981年期间，研究提出了钻屑解吸法测定年期间，研究提出了钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。煤层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。与在地勘钻孔中应用相比，该法在井下煤层钻孔应用的明显优点：与在地勘钻孔中应用相比，该法在井下煤层钻孔应用的明显优点：一是煤样暴露时间短，一般为一是煤样暴露时间短，一般为35min，且易准确进行测定；，且易准确进行测定；二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和泥浆压力的影响泥浆压力的影响。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法煤样解吸随时间变化规律煤样解吸随时间变化规律煤样解吸随时间变化规律煤样解吸随时间变化规律 式中式中 q-在解析时间为在解析时间为t时煤样的解析瓦斯速度，时煤样的解析瓦斯速度，ml/g.min q1-t=1min时煤样瓦斯解析速度，时煤样瓦斯解析速度，ml/gmin；k-解析速度随时间的衰减系数；解析速度随时间的衰减系数；在解析时间为在解析时间为t t时累计的解析瓦斯量为：时累计的解析瓦斯量为：钻孔见煤至煤样测定解吸这段时间钻孔见煤至煤样测定解吸这段时间t t0 0，损失的瓦斯量为：，损失的瓦斯量为：式中式中 Q2-煤样瓦斯损失量，煤样瓦斯损失量，ml/g；t0-煤样解吸前的暴露时间，煤样解吸前的暴露时间，min。当当k1时，无解，只适用于时，无解，只适用于k30mm 时，冲击次数时，冲击次数n，即为，即为3次，按以次，按以上步骤继续进行其它各组测定；上步骤继续进行其它各组测定；当当l 30mm时，第一组试样做废，每份试样冲时，第一组试样做废，每份试样冲击次数击次数n改为改为5次，按以上步骤进行冲击、筛分和次，按以上步骤进行冲击、筛分和测量，仍以测量，仍以5份作为一组，测定煤粉高度。份作为一组，测定煤粉高度。按下式计算每组煤的坚固性系数按下式计算每组煤的坚固性系数f值值:式中式中 f为煤的坚固性系数；为煤的坚固性系数；n每份试样的冲击次数，次；每份试样的冲击次数，次；l每组试样筛下粉煤计量高度，每组试样筛下粉煤计量高度，m；3组煤所测组煤所测f 值的算术平均值即为测定地点煤样值的算术平均值即为测定地点煤样的坚固性系数。的坚固性系数。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法5.6 煤层透气性系数测定煤层透气性系数测定 煤是一种多孔介质，在一定的压力梯度下，气体和液体煤是一种多孔介质，在一定的压力梯度下，气体和液体可以在煤体中流动。煤层透气性是煤层对瓦斯流动的阻力，可以在煤体中流动。煤层透气性是煤层对瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数来表示。透气性系数越大，瓦斯在煤层中通常用透气性系数来表示。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。流动越容易。煤层透气性系数煤层透气性系数在我国普遍用的单位是在我国普遍用的单位是m2/MPa2.d。物理意义：物理意义：在在1米长的煤体上，当压力平方差为米长的煤体上，当压力平方差为1 MPa2时，通过时，通过1m2煤层断面，每日流过的瓦斯立方米数。煤层断面，每日流过的瓦斯立方米数。1m2/MPa2.d相当于相当于0.025mD(毫达西毫达西)。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法K K计算公式计算公式计算公式计算公式(径向稳定流径向稳定流径向稳定流径向稳定流)式中式中 K煤样的透气性系数，煤样的透气性系数，D(达西达西)；在试验温度条件下，瓦斯的绝对粘度，在试验温度条件下，瓦斯的绝对粘度，10-3PaS；P1、P2煤样瓦斯入口和出口端的瓦斯压力，煤样瓦斯入口和出口端的瓦斯压力，MPa；Pa大气压力，大气压力，0.1MPa；Q瓦斯流量，瓦斯流量，cm3/s；L煤样长度，煤样长度，cm；F煤样断面积，煤样断面积，cm2；第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法测定方法测定方法测定方法测定方法(1)(1)打钻测定煤层瓦斯压力。打钻测定煤层瓦斯压力。(2)(2)卸压测定钻孔瓦斯流量。卸压测定钻孔瓦斯流量。(3)(3)测定煤层瓦斯含量系数。测定煤层瓦斯含量系数。(4)(4)煤层透气性系数计算方法煤层透气性系数计算方法(径向非稳定流径向非稳定流)中国矿业大学在实验室用相似模拟试验方法进行试中国矿业大学在实验室用相似模拟试验方法进行试验，并以相似准数表达了试验的结果。验，并以相似准数表达了试验的结果。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法径向不稳定流计算公式径向不稳定流计算公式径向不稳定流计算公式径向不稳定流计算公式 F0=10-21，=A1.61B0.61 F0=110，=A1.39B0.39 F0=10102 =1.1A1.25B0.25 F0=102103，=1.83A1.14B0.137 F0=103105，=2.1A1.11B0.111 F0=105107，=3.14A1.07B0.07P0煤层原始绝对瓦斯压力煤层原始绝对瓦斯压力(表压力加表压力加0.1)，MPaP1钻孔中的瓦斯压力，一般为钻孔中的瓦斯压力，一般为0.1MPa；煤层的透气性系数，煤层的透气性系数，m2/Mpa2.d；r1钻孔半径，钻孔半径，m；q在排放时间为在排放时间为t时，钻孔煤壁单位面积的瓦斯流时，钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量，量，m3/m2d；X煤的瓦斯含量，煤的瓦斯含量，m3/m3；P确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力，确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力，MPa；Q时间时间t时测出的钻孔流量，时测出的钻孔流量，m3/t；L钻孔见煤长度，一般为煤层厚度，钻孔见煤长度，一般为煤层厚度，m；t从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量时间，从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量时间，d；a煤层瓦斯含量系数，煤层瓦斯含量系数，第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法注意事项注意事项注意事项注意事项(1)(1)打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出的煤量，然后折合计算孔径；喷出的煤量，然后折合计算孔径；(2)(2)测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变化规律；化规律；(3)(3)卸压后到测定流量时间长时，钻孔见长度可不取实卸压后到测定流量时间长时，钻孔见长度可不取实测值测值(如钻孔与煤层面斜交如钻孔与煤层面斜交)，而取等于煤厚；如时，而取等于煤厚；如时间短，则间短，则L L值可取为钻孔见煤长度。值可取为钻孔见煤长度。第五章第五章 瓦斯参数测试方法瓦斯参数测试方法5.6 其它瓦斯参数测定其它瓦斯参数测定 1.1.吸附常数吸附常数吸附常数吸附常数a a,b b值值值值 井下取样，送实验室做等温吸附测定。井下取样，送实验室做等温吸附测定。2.2.孔隙率孔隙率孔隙率孔隙率 井下采样，送实验室测定井下采样，送实验室测定(真密度、视密度真密度、视密度)3.3.煤比表面积煤比表面积煤比表面积煤比表面积 1g煤所拥有的表面积，井下采样，送实验室测定煤所拥有的表面积，井下采样，送实验室测定 4.4.煤的瓦斯解吸速度煤的瓦斯解吸速度煤的瓦斯解吸速度煤的瓦斯解吸速度 吸附平衡煤样卸压后，瓦斯吸附量与时间变化关系呈幂指数吸附平衡煤样卸压后，瓦斯吸附量与时间变化关系呈幂指数关系。关系。END61