煤层透气性系数的测定和计算

煤层透气性系数的测定和计算
[作者] 唐本锐
[摘要] 通过对煤层透气性测定与计算上存在的一些问题进行详细的说明与分析，为煤矿安全生产需要可靠的瓦斯基本参数提供一个保障。

摘要：通过对煤层透气性测定与计算上存在的一些问题进行详细的说明与分析，为煤矿安全生产需要可靠的瓦斯基本参数提供一个保障。

关键词：煤层透气性系数时间准数测定径向流量法
一、煤层透气系数的基本概念
原始煤层的透气性一般是很低的，瓦斯在煤层中的流动速度也很小，每昼夜仅数厘米到几米。

根据试验室和现场的测定研究，流动状态属于层流运动，也就是瓦斯的流速和压差成正比，与煤层的渗透率成正比，符合直线渗透定律及达西定律。

构成煤层渗透率的成因，第一是原生裂隙，即煤层层理和煤的胶粒结构。

第二是次生裂隙，即地质破坏所形成的裂隙。

由于成煤过程中沉积环境和受力条件不完全相同，且在地质变动过程中煤体各部分所受到的揉搓情况不一。

因此煤体是非均质的，各个区域的渗透率并不完全相同。

第三是采矿裂隙，这是采掘工作以后，地压的活动又使部分煤体压缩和伸张，在煤层中形成新的裂隙。

煤层的渗透率基本上是由这三部分裂隙结构而成的，这使得煤层的透气系数在煤层中各点相差较大，只能采用综合平均的数值，才能代表某一区域煤层的透气系数。

在矿井中的实际测定也表明了在范围不大的区域内，通过各个钻孔测定的综合平均透气系数，彼此是相近的，大多处于同一数量级内。

因此在工程计算中采用平均的透气系数可以近似地把一区域的煤层作为均质物体进行分析计算。

采掘工作引起的地区活动能使煤层的透气系数产生很大变化。

例如在集中压力带，煤体的透气系数可降低一倍到几倍，而在卸压带内可增大数千倍。

在水力压裂、水力冲孔、中压长时间注水等水力化处理煤层瓦斯的措施中也都使煤层透气系数产生强烈的变化。

测定煤层透气系数的变化使研究煤层瓦斯流动规律的重要内容之一。

二、计算煤层透气系数的方法
煤层透气系数的计算是和测定方法密切有关的，较好的测定方法是在岩石巷道中向煤层打钻孔，钻孔应尽量垂直贯穿整个煤层，然后堵孔测定煤层真实瓦斯压力。

再打开钻孔排放瓦斯，记录流量和时间。

在影响钻孔瓦斯流量的因素中主要是煤层原有的瓦斯压力，打开钻孔后的钻孔中瓦斯压力、煤层透气系数、瓦斯含量系数、煤层厚度和钻孔半径以及排放瓦斯时间等七个参数。

在这七个参数中只有透气系数这一数值。

这一方法的原理是比较简单的，关键在于怎样计算，计算的方法是否可靠，能不能反映煤层瓦斯流动的真实情况，导出正确的煤层透气系数的数值。

计算公式是建立在下列基础之上的：(一)在钻孔瓦斯流动的范围内，煤层瓦斯压力、透气系数、瓦斯含量系数相同。

(二)钻孔垂直正交煤层(偏斜不大于30°)。

贯穿煤层全厚，在瓦斯流动范围内煤厚不变。

(三)煤层顶底板岩层不漏气。

(四)在打开钻孔排方瓦斯之前，煤层瓦斯压力为p0，打开钻孔之后，钻孔中瓦斯压力为p1，且在排瓦斯过程中p1的数值不变。

(五)在瓦斯流动过程中，瓦斯的温度等于煤层温度。

(六)钻孔瓦斯流动的状态属于径向不稳定流动，其流动过程比较复杂，难以用数学手段直接导出计算公司，因此在实验室内根据上述四项条件，用相似模型试验的方法进行试验，并以相似准数表达试验的结果，从而导出一般的钻孔瓦斯流动计算公式：Y=a×F0b。

式中：Y—流量准数，无因次；F0—时间准数，无因次；a、b—系数。

测定计算煤层透气系数的步骤：(一)从岩石巷道向煤层打钻孔，孔径不限。

钻孔与煤层的交角尽量接近90°。

要记录钻孔的方位角和仰角以及钻孔在煤层中的长度。

钻孔进入煤层和打完煤层的时间(年、月、日、时、分)，取这两个时间的平均数作为打钻时钻孔瓦斯开始流动的时间。

钻孔结束后，用水冲洗钻孔清除钻孔内的煤屑。

(二)封孔测定钻孔瓦斯压力，要求封孔严密，封孔深度在岩石巷道中不小于3ｍ，以求能准确地测得煤层的真实压力，测定瓦斯压力的导管直径要大一些。

在透气系数大的煤层可使用半寸管，在上压力表之前，测定钻孔瓦斯流量，记录流量和时间(年、月、日、时、分)。

(三)压力表上升到煤层真实压力或压力表稳定后，即可进行测定。

(四)卸下压力表排放瓦斯，测量钻孔瓦斯流量，在测定时要记录卸表大量排放瓦斯的时间，作为瓦斯开始流动的其始
时间，并记录每次测定瓦斯流量的时间(年、月、日、时、分)。

为了便于卸下压力表，可使用带有排瓦斯孔的压力表接头。

这种具有排气孔的接头，可以消除卸表时高压瓦斯冲毁压力表，突然喷出大量高浓度瓦斯的危险，但是在允许条件下应尽快把压力表接头从测压管上卸除，便于瓦斯的排放，以免造成钻孔瓦斯压力长时大于一个大气压，引起测定的误差。

测量流量的仪器，在流量大时用小型孔板流量计，在流量小时用0.5m3/h的湿式气体流量计(即煤气表)。

测量流量的时间：
最好在卸表1h后到几天内进行，因为时间较长，可使流动范围扩大。

测量计算出来的透气系数是流动场的平均值，时间较长测出的透气系数受周围卸压的影响小些。

能够有较大的代表性。

如测量流量的时间距卸表时很近，则测出的透气系数受钻孔卸压圈的影响比较大，在已卸压的区域，因透气系数已大大提高，故测定时间的长短影响不大。

在未卸压的原始煤层，如卸表后连续自然排放瓦斯到巷道大气中，根据几个月后测得的流量计算透气系数不但具有更大的代表性，而且可以消除钻孔斜交煤层引起的误差。

在已知瓦斯压力值的地区，测定煤层透气系数，可省去测量瓦斯压力的过程，根据打钻孔后，钻孔的瓦斯流量就可以进行计算。

在封孔测压安装压力表之前，测得的瓦斯流量也可用来计算透气系数。

(流量可在上压力表之前、之后测定)。

煤层瓦斯含量系数，根据实验室或现场的瓦斯含量测定得出的瓦斯压力曲线导出，可以取P=5、10、15、……P0等点的瓦斯含量W值，求出若干X值，取其平均值。

在计算时因公式较多，究竟选那一个公式计算，可采用试算法。

即先用一个公式计算出λ值，将算出的λ代入F0=B×λ中效验F0值是否在选用公式的范围内，如不在则根据算出的F0值另选公式计算出来。

在时间t<1d时可以先用1～10的公式，时间t>1d时可先用100～1000公式作为第一次试算。

在有经验时一般不会另选公式计算，但在另选一次后，即可得出正确结果。

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；P0—煤层原始的绝对瓦斯压力，(表压力加0.1MPa)；P1—钻孔内排放瓦斯时的瓦斯压力，一般为0.1MPa(通大气时)；γ—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(q=Q/2πｒ1L)；Q—在时间t时的钻孔总流量，m3/d；L—煤孔长度，一般等于煤层厚度，m；t—从开始排放瓦斯到测量瓦斯流量q时的时间间隔，d；a—煤层瓦斯含量系数，m3/(m3.MPa0.5)。

三、测定中的注意事项
测定透气系数的钻孔要注意有无喷孔的现象，如有，应记录喷孔的数量，以便折合计算孔径。

值得注意的是喷孔的钻孔孔壁附近煤体发生卸压变形，因而在排瓦斯时间短时，求得的透气系数偏大，所以在测定时使排瓦斯时间较长，使流动场扩大减少孔壁卸压区的影响。

但在保护层开采后，因煤层普遍卸压，喷孔对钻孔透气系数的影响则相对减少。

测定流量的时间，在压力为真实压力时，排瓦斯在一天以上较好，在压力低于真实压力时，以排瓦斯时间在一小时到几小时为好。

如在测定前对压力的真实程度缺乏了解，可按不同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系数的变化规律。

在测定流量时，气体的压力、温度和760mmHg，煤层温度相差较大时，可给予校正。

在一般情况下，因气体状态引起的误差不大，可以不加校正。

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，则测定的透气系数将随时间的增长而偏大。

在已知压力偏低的测压水平，计算透气系数可仍用压力表的压力值，但排瓦斯时间要短，并多测几个数进行校对。

如钻孔壁有较大的卸压圈，则测定的透气系数将随时间增长而降
低。

在封孔测压上压力表之前，测定的瓦斯流量t0、Q0可用于在测定煤层透气系数之后，反求煤层原始瓦斯压力p0。

但测定透气系数的排瓦斯时间t应和t0相近。

总之，测定计算煤层透气系数的方法并不复杂，只要多加实践，就能熟练掌握和运用。

（作者单位：贵州省松河煤业发展有限责任公司松河矿井)。