【精品】瓦斯基础参数测定

1.煤层基础参数现场测定实验方案
1.1煤层瓦斯压力
1.1.1测试原理
直接测定法是用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定测量瓦斯地点打一钻孔，然后在钻孔中放置测压装置、再将钻孔严密封闭堵塞并将压力表和测压装置相连来测出瓦斯压力。

如果在测定中能保证钻孔封闭严密不漏气，则压力表显示的数值即为测点的实际瓦斯压力，直接测定法的关键是封闭钻孔的质量。

根据封孔原理的不同，一般将封孔方法分为被动式与主动式。

本次采用主动式封孔技术。

主动式封孔测压其基本原理是：固体封液体、液体封气体，即采用液体作为封孔介质，以解决固体物不能严密封闭钻孔周边裂隙孔道的困难，并保持封孔液体的压力在测定过程中始终大于瓦斯压力，粘液在压力作用下渗入钻孔周边裂隙，杜绝瓦斯的泄漏；为了维持封孔液体的压力和防止液体向钻孔内渗透，在封孔液体段的两端用固体封闭钻孔，形成用固体封液体、用液体封气体的封孔系统。

实践表明：在石灰岩、砂岩和页岩岩层的钻孔中，均能严密封闭钻孔，准确测得煤层的瓦斯压力。

经过几十年的发展，目前主动式瓦斯测压封孔装置主要有：普通胶圈－压力粘液封孔测压仪、可变形胶圈－压力粘液封孔测压仪、胶囊－压力粘液封孔测压仪、胶圈（囊）－三相泡沫密封液测压仪等。

MWYZ系列化主动式煤层瓦斯压力测定仪主要由钢丝胶囊、护管和连接罐、尼龙压力管（瓦斯管、胶囊液管和压力粘液管）、储能罐和压力粘液罐、手动试压泵、粘液封孔材料以及测压仪表等配件组成。

1.1.2测定仪器
测试仪器选用华北科技学院研发的MWYZ－IV型和MWYZ－III型主动式煤层瓦斯压力测定仪各一套。

具体技术参数如表1.1所示。

表1.1测压仪参数表
1.1.3测点布置
为了最大限度反应原始状态下的瓦斯压力，选择测压地点时可参考以下原则：1）目标煤层周围无采空区，尽量选取在最近几年新开拓的岩石巷道；
2）瓦斯压力测量地点一般选择在岩石比较完整，周边地质结构单一的岩巷中进行；测压钻孔及其见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围，测压煤层周围岩石致密完整、无破碎带；
3）煤层50m范围内无断层和大的裂隙；岩层无淋水，岩柱（垂高）至少大于10m；
4）同一地点测压应打两个测压钻孔，钻孔口距离应在其相互影响范围外，其见煤点的距离除石门测压外应不小于20 m。

瓦斯压力测量结果以压力较大的一个为准；
5）选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度。

一般的岩巷打钻，钻孔深度不宜小于10m；
6）应尽可能地选择施工仰角测压孔，避免俯角和水平钻孔，同一地点测压应打两个测压钻孔；
7）如果选取顺煤层施工测压孔，钻孔长度不小于40m，选取构造简单有利于施工的最新开掘的煤巷。

1.1.4测试步骤及方法
具体测试过程如下：
1）钻机队在指定地点打钻，钻头采用直径为75mm，记录见煤时间后，继续钻进，同时测压技术人员准备瓦斯压力测定设备，配置压力粘液和乳化液，同时连接部分管线，准备测压仪安装工具；
2）煤层钻进3.8m停止钻进，退出钻杆，准备安装测压仪，记录钻孔具体参数见表1.2；
表1.2钻孔参数表
压力管（首先将输送胶囊液和测瓦斯用的尼龙压力管放入连接管中），第一胶囊和连接管送入钻孔，连接管伸出钻孔约30cm，连接第二胶囊，送进钻孔，最后连接并送入钻孔2根长2m的外接护管（首先将输送胶囊液、输送压力粘液、测瓦斯用的尼龙压力管放入外接护管中），护管伸出钻孔约25cm，利用铁丝将外露护管固定在水管上，测压仪封孔段和外接护管安装完成。

4）分别将输送胶囊液、输送压力粘液、测瓦斯用的尼龙压力管连接手动液压泵、压力粘液管和液压泵、三通阀门。

5）利用手动液压泵向胶囊中注入乳化液，加压至1.5MPa，用力拉护管，未拉动，说明胶囊已充分膨胀，继续加压，最终压力达到5.2MPa；
6）利用手动液压泵输送乳化液压粘液罐里的压力粘液（膨润土＋水，1：7）进入钻孔两根胶囊之间的封孔段，在粘液罐里乳化液和压力粘液有明显的分层，通过称重确定罐内粘液是否输送完，及时罐内补充粘液；最终孔内压力粘液压力达到1.7MPa（必须大于预计测定煤层瓦斯压力）。

7）利用压风进行补气，补气压力约0.7MPa（表压），补气约50分钟，停止补气，压力降为0.45MPa，观测30分钟，压力基本稳定在0.45MPa。

8）将手动液压泵、压力粘液罐、各种管线等布置在合理的位置，并用铁丝将外露护管挂上警示牌，测压技术人员及矿上相关人员离开测压位置。

1.2瓦斯含量测定
瓦斯含量测定有直接法和间接法，本次测定采用直接法。

直接法测定煤层瓦斯含量，即利用煤层钻孔采集原始煤体煤芯，用解吸法直接测定煤层原始瓦斯解吸量。

该方法测定煤层瓦斯含量的原理是：根据煤样瓦斯解吸量、解吸规律推算煤样从采集开始至装罐解吸测定前的损失瓦斯量，再利用解吸测定后煤样中残存瓦斯量计算煤层瓦斯含量。

其测定步骤如下：
1)在新暴露的采掘工作面煤壁上，用煤电钻垂直煤壁打一个Ф42mm、孔深8m以上的钻孔，当钻孔钻至8m时开始取样，并记录采样开始时间t1；
2)将采集的新鲜煤样装罐并记录煤样装罐后开始解吸测定的时间t 2，用
FHJ-2型瓦斯解吸速度测定仪（图1.1）测定不同时间t 下的煤样累积瓦斯解吸总量V i ，瓦斯解吸速度测定一般为30min ，解吸测定停止后拧紧煤样罐以保证不漏气，送实验室测定煤样残存瓦斯量。

图1.1瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图
1—量管2—吸气球3—温度计4—水槽5—螺旋夹6—弹簧夹
7—排水管8—排气胶管9—16号胸骨穿刺针头10—密封罐11—压紧螺帽
3)损失量计算
将不同解吸时间下测得数据按下式换算成标准状态下的体积V oi ： 0
w s i 0i 5w 273.2(P 9.81h P )V V 1.01310(273t )--=⨯+（1-1）
式中V 0i —算成标准状态下的解吸瓦斯体积，ml ；
V i —不同时间解吸瓦斯测定值，ml ；
P o —大气压力，Pa ；
h w —量管内水柱高度，mm ；
P s —h w 下饱和水蒸汽压力，Pa ；
t w —量管内水温，℃。

煤样解吸测定前的暴露时间为t 0，t 0=t 2-t 1；不同时间t 下测定的V oi
值所对应的煤样实际解吸时间为t 0+t ；用绘图软件绘制全部测点[(t 0+t)0.5，V oi ]，将测点的直线关系段延长与纵坐标轴相交，直线在纵坐标轴上的截距即为瓦斯损失量。

4)将解吸测定后的煤样连同煤样罐送实验室测定其残存瓦斯量、水分、灰分等；
5)根据煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量及残存瓦斯量和煤中可燃质重量，即可求出煤样的瓦斯含量：
X=(V 0+V 1+V 2)/G 0（1-2）
式中：V o —标准状态下煤样瓦斯解吸量，ml ；
V 1—标准状态下煤样损失瓦斯量，ml ；
V 2—标准状态下煤样残存瓦斯量，ml ；
G 0—煤样可燃质重量，g ；
X —煤样瓦斯含量，ml/g 。

1.3透气性系数
煤层透气性表征煤层对瓦斯流动的阻力，它反映着瓦斯沿煤层流动的难易程度，通常用透气性系数表示。

原始煤层的渗透性往往是很低的，瓦斯在煤层的中的流速也很小，流动状态属于层流运动，即瓦斯流动速度与压力梯度成正比，一般符合达西定律，与煤的渗透性成正比，一般用下式表示：
dx
dp k v μ-=（1-3） 式中：v 为瓦斯流动速度，cm/s ；k 为煤的渗透率，cm 2；μ为瓦斯的绝对粘度，1.08×10-8Pa·s ；dp 为在dx 内的压差，MPa ；dx 为与瓦斯流动方向一致的某一极小长度，cm 。

如果把流速v 变成为压力1个标准大气压、温度相当于煤体温度条件下的瓦斯流量，即：
dx
dp dx dP p k dx dp p p k q n n λμμ--=-=2（1-4） 式中：q 为比流量，即在12m 煤面上1d 通过的瓦斯量，d m m ⋅23/；n p 为
标准大气压，λ为透气性系数，n
p k μλ2=，m 2/(MPa 2·d)。

我国煤层的透气性系数常用的单位为m 2/(MPa 2·d)，其物理意义是在1m 长的煤体上，当压力平方差为12MPa 时，通过12m 煤层断面，每日流过的瓦斯量3m 。

1m 2/(MPa 2·d)相当于0.025mD （毫达西）。

研究表明：实验室测定煤样的渗透性不能代表地下煤层的透气性能。

表1.3径向不稳定流动参数计算公式 流量准数 Y 时间准数
λ
B F =0
系数 a 指数 b 煤层透气性系数 λ 常数 A 常数 B λA aF Y b ==0 10-2~1
1 -0.38 64.1161.1B A =λ 21201p p qr A -=
215.104ar tp B = 1~10
1 -0.28 56.2139.1B A =λ 10~10
2 0.93
-0.20 41
25.11.1B A =λ 102~103 0.588 -0.12 3.7114.183.1B A =λ
103~105 0.512
-0.10
91
11.11.2B A =λ 105~107 0.34
4 -0.06
5 4.14107
.114.3B A =λ 式中：Y 为流量准数，无因次；0F 为时间准数，无因次；a 、b 为系数与指数，无因次；0p 为煤层原始绝对压力，MPa ；1p 为钻孔排瓦斯时的瓦斯压力，一般为0.1MPa ；1r 为钻孔半径，m ；λ为煤层透气性系数m 2/(MPa 2·d)；q 在排放瓦斯为t 时钻孔煤壁单位面积瓦斯涌出量，d m m ⋅23/；L r Q q 12π=；Q 为在时间为t 时钻孔流量，d m /3；L 为煤孔长度，m ；t 为从开始排放瓦斯到测量瓦斯流量q 时的时间间隔，d ；α为瓦斯含量系数，)/(213MPa t m ⋅。

计算过程为：先计算A 、B ，然后任选一个F 值，根据其相应的公式计算
最后根据、B计算F。

若F值在原定范围内，则即是煤层透气性系数，否则重新进行计算。

1）现场测定煤层瓦斯透气性系数的步骤：
按照上述计算过程主要在现场需要测定钻孔的瓦斯流量，按照如下步骤进行钻孔瓦斯流量的测定：
（1）打钻测定煤层瓦斯压力。

在石门或围岩巷道向煤层打测压钻孔，钻孔应该打穿煤层全厚。

打钻过程中，记录钻孔见煤或穿透煤层的时间，取这两个时间的平均值作为钻孔开始排放瓦斯的起始时间。

打钻完成后清洗钻孔，封孔测压。

封孔要求严密不漏气，岩孔封孔长度不小于3m。

当压力表读数上升至稳定的最高位时，即为煤层原始瓦斯压力值。

（2）卸压测定钻孔瓦斯流量。

测定完成瓦斯压力后，将煤气表或浮子流量计按照下图与测压管路连接，然后打开阀门，测定钻孔瓦斯流量，每天测试一次。

测量计算出的透气性系数是流动场煤层透气性系数的平均值。

（3）测定煤的瓦斯含量系数。

煤层的瓦斯含量系数一般是在实验室通过吸附试验确定的。

（4）计算煤层透气性系数。

依据测定数据，按照现场测定煤层透气性系数的计算公式进行透气性系数的计算。

2）现场测定透气性系数的注意事项
（1）打钻时要注意有无喷孔，如有喷孔应测定喷出煤量，然后折合计算孔径。

（2）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媒体透气性的变换规律。

（3）在卸压后到测定流量时间长时，钻孔见煤长度可不取实测值，而取煤厚值；如时间短，可取钻孔见煤长度L；
（4）计算透气性系数时，若排放瓦斯时间小于1天，则先选用F=1～10进行试算；若排放瓦斯时间大于1天，则先选用F=102～103进行试算。

1.4钻孔瓦斯涌出衰减系数
测算方法：选择具有代表性的地区打钻孔，先测定其初始瓦斯流量，经
过时间t后，在测瓦斯流量，用下式计算：
（1-5）——钻孔初始瓦斯流量，m3/min；
——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；
t——时间，d；
——百米钻孔瓦斯流量，m3/(min·hm)。

上式可用于计算钻孔瓦斯涌出衰减和钻孔的初始瓦斯流量。

1.5吸附常数
1）煤样制备
取煤样1000g粉碎，过60~80目标准筛，取0.20~0.25mm间的颗粒煤装满煤样罐，放好密封圈、垫，密封煤样，并力争在短时间内完成。

2）实验装置
实验采用煤科院重庆分院的高容量吸附常数测定仪，吸附仪其结构及工作原理见示意图1.2。

瓦斯基础参数测定
9 / 18 真空罐路系统斯
瓶压
瓦
高
真空计真空隔膜阀
真空机组真空规管
罐压
减
水准瓶玻 璃 活 塞
数据采样器高压阀门超级恒温器吸附罐(60度)高压阀门恒温水槽(30度)高压阀门吸附罐微机处理升降器吸附罐
硅橡胶管
瓶准水瓦斯胶囊食结果
打印
升降器水盐合
饱图1.2试验装置系统图
3）实验原理
煤样吸附等温线的测定，首先打开罐阀和真空抽气阀，关闭高压充气阀和放气阀，设定水浴温度为60℃±l ℃，开启真空泵，进行长时间脱气，直到真空计显示压力为4Pa 时，关闭真空抽气阀和各罐阀。

设定恒温水浴温度为实验温度(30℃±l ℃)。

拧开高纯甲烷阀门和充气罐阀门，使高压甲烷气进入充气罐及连通管，关闭充气罐阀门，读出充气罐压力值i P 1。

读出i P 1后，缓慢打开煤样罐阀门，使充气罐中甲烷气进入吸附罐，待罐内压力达到设定压力时(一般在实验压力范围内设定测N ＝6个压力间隔点数，每点约为最高压力的l/n)，立即关闭罐阀门，读出充气罐压力i P 2、室温1t ．按式（1-6）计算充入吸附罐内的甲烷量ci Q 。

101325
.0)2.273(2.273)(102211⨯+⨯⋅-=t V Z P Z P Q i i i i ci （1-6） 式中：ci Q 为第i 次充入煤样罐的甲烷标准体积，3cm ；i P 1、i P 2为第i 次向煤样罐充气前后的充气罐内的绝对压力，MPa ；i Z 1、i Z 2为对应于i P 1、i P 2和1t 下的甲烷的压缩系数，MPa -1，可查表求得；1t 为室内温度，℃；0V 为充气罐及连通管标准体积，3cm 。

煤样罐等温吸附8小时后，将达到吸附平衡，读出平衡压力i P 。

按照式（1-7）计算出吸附罐内死空间游离甲烷量di Q 。

101325
.0)2.273(2.2733⨯+⨯⨯⨯=t Z P V Q i i d di （1-7） 式中：di Q 为煤样罐内死空间的游离甲烷量，3cm ；d V 为煤样罐内除煤实体外的全部剩余体积，3cm ；i P 为吸附平衡时的压力，MPa ；i Z 为对应于i P 和3t 下甲烷的压缩系数，MPa -1；3t 为实验温度，℃；
煤样罐死空间体积（d
V
），也叫煤样罐剩余体积，是指煤样罐中除纯煤体积外包括煤颗粒内孔隙、颗粒间空隙、吸附罐残余空间和实验仪器通径体积的总和。

其测定方法主要有两种，即直接法和间接法。

所谓直接法是指在一定的温度和压力下，选用一种吸附量可以忽略的气体（通常为氦气），通过气体膨胀来探测煤样罐的剩余体积，该方法实际上是用氦气的体积表示煤样罐自由空间的体积。

直接法确定自由空间体积的方法，虽然存在一定的争议，但仍然是许多文献推荐使用的方法。

所谓间接法是根据煤样真相对密度和质量计算出煤样罐中煤样的体积，用煤样罐的空罐体积减去煤样体积得到自由空间体积，计算公式如式（1-8）。

由于实验室尚无氦气，本次实验关于煤样罐自由空间体积的确定均采用间接法。

20/TRD G V V V V s c s d -=-=（1-8）
式中：d V 为煤样罐自由空间体积，3cm ；s V 为煤样罐的容积，3cm ；20TRD 为煤样的真相对密度，3/cm g ；G 为煤样罐中的煤样质量，g 。

充入吸附罐的甲烷量扣除吸附罐内剩余体积放出的游离甲烷量即为压力段内煤样吸附甲烷量i Q ∆，按照式（1-9）计算。

di ci i Q Q Q -=∆（1-9）
单位重量可燃物吸附的甲烷量i X 按照式（1-10）计算。

r
i i G Q X ∆=（1-10） 式中：i Q ∆为煤样吸附甲烷量，3cm ；r G 为煤样品可燃物质量，g 。

依次重复上述步骤，逐步增高实验压力，可以测得6个ci Q 、di Q 、i Q ∆及i X 。

由于充气罐向煤样罐充气为逐次充入的单值量，而充入煤样罐的总气量是各单值量的累计量故逐次按式（1-11）计算时，充入吸附罐的总气量ci Q 应是：
∑==n
i ci ci Q Q 1（1-11）
同时，随实验压力的增高，达0.5MPa 以上后，吸附平衡时间应改为4h 。

按逐次测得的i P 及i X 作图，即为Langmuir 吸附等温线，将（i P 、i X ）代入式（1-12），
用最小二乘法进行回归，得到的a、b即为煤对甲烷的吸附常数。

ab
a P X P 1+=（1-12） 式中：P 为吸附平衡压力，MPa ；X 为P 所对应的吸附甲烷量，g cm /3；a 为吸附常数，表示煤的饱和甲烷吸附量，g cm /3；
b 为吸附常数，MPa -1。

4）吸附实验结果
测试数据如表所示。

图为实测的煤样吸附等温线。

对表实测的煤样高压吸附数据进行最小二乘法回归，可以得到煤样的Langmuir 参数a 、b 。

煤的孔隙率测试
煤的孔隙率是决定煤种游离瓦斯含量大小的主要因素之一。

在相同瓦斯压力下，煤的孔隙率越大，则煤中所含游离瓦斯量也越大。

煤的孔隙率是煤中孔隙总体积与煤的总体积之比，通常用百分数表示。

煤的孔隙率通过实测煤的真密度和视密度来确定，不同单位煤的孔隙率与煤的真、视密度存在如下关系：
t K ρρ11
-=P （3-2-1）
t
t K ρρρP
-=1（3-2-2） K K t ρ=1（3-2-3）
式中：K 和K 1分别为用煤单位体积和单位质量中孔隙体积表示的煤的孔隙率，m 3/m 3，m 3/t ，ρp ；为煤的视密度，即包括孔隙在内煤密度，t/m 3；ρt 为煤的真密度，即扣除煤孔隙后煤骨架的密度，t/m 3。

确定煤的孔隙率归结为测定煤的真密度和视密度。

煤的真相对密度是20℃时煤（不包括煤的孔隙）的质量与同体积水的质量之比。

此次煤的真相对密度测定完全按《GB/T23561.2-2009煤和岩石物理力学性质测定方法第2部分：煤和岩石真密度测定方法》执行。

以十二烷基硫酸钠溶液为浸润剂，使煤样在密度瓶中润湿沉降并排除吸附的气体，根据煤样排除的同体积的水的质量算出煤的真相对密度。

煤的视密度测定方法是用排水法，在此实验过程中为防止水进入采取煤样孔隙，利用石蜡的不溶于水性，将其裹于煤样本的表面，以达到实验目的。