瓦斯参数的测定方法

二、煤层瓦斯含量的测定
煤层瓦斯含量是指煤层中每 1t 煤或每 1m3 煤体中所含的瓦斯量，按标准状态下的体积 而言，也就是吸附和游离两种瓦斯量的总和。 表示煤层瓦斯量尚有如下一些名词： 1）自然瓦斯含量：指未遭破坏的煤体单位重量可燃质中含有的瓦斯量（换算为标准条 件下的体积） ，单位是 cm3/g，或 m3/t。如果单指甲烷而言就称之为甲烷含量。 2）残存瓦斯量：原始煤体遭到破坏之后，产生了瓦斯损失，剩余在煤体中的瓦斯称为 残存瓦斯含量，单位同上。
1—瓦斯阀门；2—油压 阀门；3—瓦斯压力表 ；4—油压压力表； 5—双层高压胶管；6—液压胶囊
上述 4 种封孔测压的方法都是被动防御性的堵塞方法。 其中， 以压入填料的方法最为可 靠， 因为它的封孔长度大， 对清除钻屑的要求可以略差一些。 但这 4 种方法的原理是一致的， 都是用固体物来堵塞钻孔壁与测压管壁之间的空隙， 使钻孔严密不漏气， 以达到测出瓦斯压 力的目的。若是在封孔段存在极微量的漏气，则测得的瓦斯压力值偏低，目前这 4 种方法都 难以保证在封孔段一点不漏气。 特别是在松软的岩层中测压时， 钻孔周围往往具有卸压圈和 微裂隙，煤系地层又多为砂、页岩，难以避免漏气（图 4-4） 。这就是在同一地质条件下， 同样的封孔测压方法，也会使测出的瓦斯压力值相差较大的原因。
1
2
3
4
5
6
图 4-4
测压钻孔漏气的原因
1—钻屑漏气；2—裂隙漏气；3—填料未满上部；4—填料未包 测 压管；5—孔周卸 压圈；6—岩石 移动产生新裂隙
中国矿业大学在 1982 年研制的胶圈——压力粘液封孔测压技术，是一种新型的测定瓦 斯压力的方法，其原理是采用主动式封孔法。为防止瓦斯由内向外泄漏，用一种液体来封孔 （用淀粉加入少量防腐剂调制） ，并使封孔液体的压力始终大于瓦斯压力。这样，当封孔段 存在微裂隙时，只可能使液体向钻孔内部泄漏，而不致使瓦斯逸出。液体通过孔道向钻孔内 的泄漏量可以通过控制压差和液体粘度来解决， 而不影响瓦斯压力测定的准确性。 在高压液 体封孔段的两端，采用胶圈作为封闭高压液体的封闭端。这样就形成了胶圈（或胶囊）封压 力液，压力液封瓦斯的主动式孔方法，其系统见图 4-5。
abP (1 −Leabharlann BaiduW − A) d 1 + bP
Wm = k p +
abP (1 − W − A) d 1 + bP
式中，Wm——每 1m3 煤的总瓦斯含量，m3/m3； kp——煤的孔隙率， %， 煤的孔隙率是指单位体积煤中所含有的孔隙体积， 一般在 8～ 12%左右。 图 4-6 反映了吸附瓦斯量和游离瓦斯量以及总瓦斯量的关系。从图中可以看出，在瓦斯 压力比较低时，吸附瓦斯量占绝大部分，随着瓦斯压力的增加，吸附瓦斯量渐趋饱和，而游 离瓦斯量所占的比例则逐渐提高。因此，在深部地层中，煤层和岩层中所含的游离瓦斯量往 往可以达到相当大的数值。 如果将每 m3 煤的瓦斯含量变为每 1t 煤的瓦斯含量，则
＞5m 0.4m 6
1 1 2 3 4 5 6
2
3
4
5
图 4-1
人工填料封孔测压的方法
图 4-2
简单的胶圈封孔器
1—测压室；2—封孔材 料；3—测压 管；4—木楔； 5—三通接头；6—压力表 1 5
1—加压手把；2—定 位手把；3—内 管；4—外管； 5—胶圈；6—内管档盘 6
3 4 2
图 4-3
液压胶囊式封孔
将上述测定结果，按要求填写表格，提出最终实验报告。 结果评定： 1） 合格样品： 钻孔煤心采取率大于 75%， 提钻过程中因故障停顿时间不超过 10～15min； 煤样在空气中暴露时间不超过 10～15min；密封罐不漏气；瓦斯解析测定中量管不漏气；含 量气路无堵塞；脱气时没有瓦斯损失；煤样灰分含量不超过 40%；记录完整齐全。 2）参考样品：凡有一项不符合上述要求的样品，划为参考样品。
Wxi =
式中，Wxi——在瓦斯压力为 P、煤层温度为 t°C 时，煤的吸附瓦斯量，m3/m3 或 cm3/cm3； a、b——吸附常数，决定于煤质，一般 a 值为 20～70，b 值为 0.03～0.30 左右； P ——绝对瓦斯压力（取出表压力加 1） ，atm； W ——煤中水分，%（要求测定时的水分与原始煤体相同） ； A ——煤中灰分，%； d ——煤的容重，t/m3。 煤层中所含瓦斯，除吸附瓦斯外，还有游离瓦斯。煤体中所含的游离瓦斯，在目前开采 深度的温度和压力条件下， 可以按理想气体等温压缩的公式计算， 即游离瓦斯量与瓦斯压力 3 成正比。则每 1m 煤的总瓦斯含量 Wm 为：
3）瓦斯容量：根据实验室中对煤的物理化学性质的研究（煤的孔隙率、煤对瓦斯吸附 等温线的测定） ，在一定温度、压力条件下，计算得出的单位重量可燃质中含有的瓦斯量。 单位同前。 如果影响煤中瓦斯赋存的各种因素考虑得很周到， 得出的瓦斯容量就接近瓦斯含 量。 但对此种方法的正确性也存在一些疑问， 因为实验室用煤粉测定的煤对瓦斯吸附等温线， 与井下原始煤层是否相同并没有确切的证据。 早在 20 世纪 30 年代， 人们就已经开始探索煤层瓦斯含量的测定方法。 早期采用的是所 谓密封容器法： 从井下采掘工作面上或者从地质勘探钻孔中采取新鲜煤样， 封闭在密封容器 内，然后在实验室中脱气，测定单位重量煤中所含瓦斯体积。为了考虑采样过程中的瓦斯损 失量，需要将测定结果予以校正。由于各矿矿井地质条件及开采技术条件有所差别，采样过 程中损失的瓦斯量相差很悬殊，对测定结果加以校正很困难。 在 50 年代，出现了适于在地质勘探钻孔中采样的专门仪器，这些仪器的原理和结构虽 有不同，但都以达到使采样过程中损失的瓦斯量最小为目的，如密闭式岩心采取器、集气式 岩心采取器、冷冻式岩心采取器等。上述这些方法称为直接测定法。 与此同时，还出现了所谓间接测定法。在钻孔利用专门仪器测定煤层瓦斯压力和温度， 根据在实验室中测定的煤的吸附等温线和煤的孔隙率，可以近似计算煤层瓦斯含量。 煤的吸附瓦斯量一般用朗格缪尔方程式表示：
WG =
式中，WG——每 1t 煤的瓦斯含量，m3/t； d ——煤的容重，t/m3。
Wm d
40 瓦斯 含 量 WM（ m3/m） 30
1 2
20
10 3 0 10 20 30 40 50
瓦斯压力 P（atm）
图 4-6
煤层瓦斯含量和压力的关系曲线
1—总瓦斯量；2—吸附 瓦斯量；3— 游离瓦斯 量；
第四章 瓦斯参数的测定方法
一、煤层瓦斯压力的测定
瓦斯压力是指煤层中瓦斯所具有的气体压力而言，表示符号用 P，计算单位一般使用 MPa=106Pa，或 kgf/cm2（1 kgf/cm2=l atm=9.80665×104Pa） 。在甲烷带的上部边界，瓦斯压 力约为 1.5～2.0 atm，尔后随深度增大而增大。根据我国北票、南桐、天府等矿区瓦斯突出 矿井的统计，约每增大 8～14m 垂深，瓦斯压力增大 1at。 在我国煤和瓦斯突出矿井中，煤层原始瓦斯压力一般均大于 10atm，压力和深度的比值 一般不超过 0.1，这是值得注意的规律。 防治矿井瓦斯灾害，需要了解采掘地点瓦斯涌出量的多少，煤层有无突出危险性，这两 方面的问题都和瓦斯压力的大小有直接关系。 在煤层瓦斯压力未受到采掘工作影响的地方， 煤层的瓦斯压力可称为原始瓦斯压力。 在 受到采掘影响范围内的煤层瓦斯压力可称为现存瓦斯压力。 现存瓦斯压力值一般低于原始瓦 斯压力，这是由于煤体中部分瓦斯通过岩层或煤层已打电话到巷道空间所致。 简单而准确地测定瓦斯压力， 是研究煤层瓦斯问题的重要手段， 是瓦斯研究工作的基础。 在矿井中测定煤层原始瓦斯压力时， 首先要正确选择测压地点， 要求该地点的煤层瓦斯既未 受采掘工作的影响， 又未通过岩层或煤层微小裂隙进行排放。 然后从岩石巷道中直接向煤层 预定测压的地点打钻孔测压。 直接测定法的关健在于封孔的质量。 封孔的方法在国内外大致 可分为人工填料、压入填料、胶圈封孔、液压胶囊封孔等 4 种（图 4-1、4-2、4-3） 。
弹簧夹
量管
量管架
戴止阀
胶管 弹簧夹 水盆 密封罐
图 4-7
密封罐及煤心瓦斯解吸速度测定仪
三、瓦斯放散指数Δp 的测定 煤的瓦斯放散指数 Δp 是个假定指标， 它表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的程度。 Δp
值的大小，与煤的微孔隙结构、孔隙表面性质和大小等有关。 煤层的 Δp 值在一定程度上反映了瓦斯含量的大小，这是突出的基本条件。对瓦斯含量 相同的煤层，则主要反映瓦斯渗透和流动孔隙的差别。 测定 Δp 值，常用煤炭科学研究院抚顺研究所或重庆研究所生产的 Δp 测定仪进行（图 4-8） 测定步骤如下：当仪器接好真空泵和甲烷罐，而且玻璃塞的磨口上涂好真空油，开泵检 查不漏气后，仪器即可工作。 （1）首先把煤样 3.5g 装入杯 1 内，煤样的粒度决定于煤的牌号，对于无烟煤，粒度为 2～3mm，其它煤为 0.5～0.25mm，煤样上放入一个小棉花团，将装好试样的杯口涂上真空 油并安在玻璃塞 8 上。 （2）煤样脱气。打开开关 10，扭转试杯的玻璃塞，使内部通路与管口 4 相通，开动真 空泵，抽吸煤样中的瓦斯 1.5h。 （3）煤样充气。扭转试杯 1 玻璃塞 8，使内部通路与管口 5 相通，甲烷从瓦斯罐经气 表流入试杯内，使煤在 1at 条件下充甲烷 1.5h。 （4）测定瓦斯放散指数。测前检查水银压力计的两个水银柱面是否处于同一水平上， 若不在一个水平上，应把开关 10 打开数秒钟，把自由空间和水银压力计空间抽真空后再关 上开关 10。
1 2 3 4 5 6 7 8
瓦斯
图 4-5
胶圈—压力粘液封孔系统
1—外管；2—胶圈；3—内 管；4—导液管； 5—支撑外管；6—压力 粘液；7—胶圈；8—内挡盘
这种方法在井下操作时，使用胶圈——压力粘液瓦斯压力测定仪。首先，在预定测压地 点的岩巷中向煤层打钻，钻孔见煤后立即停钻。将测压仪活节内、外管依次连接好，封孔深 度和封孔段长度按测压点的地质条件确定。打钻结束后，冲洗钻孔，排除封孔段的钻屑，将 测压仪送入钻孔。转动加压把手，使胶圈膨胀，严密封闭钻孔，然后用高压二氧化碳驱动粘 液进入钻孔封孔段， 即完成封孔任务。 再通过注气入口向钻孔注入补偿气体。 在测定过程中， 当粘液压力不足时，可再向粘液罐加压。 这种测压方法在原理上突破了国内外原有测压方法的设计思想， 井下操作比较简便， 可 以大大缩短测定瓦斯压力的时间，这对现场生产和安全都有现实意义。
应当指出，实验室中测出的 a、b 值是根据干煤样测定出来的，而实际上水分对 a、b 值影响很大，水在煤中不但占据了体积，而且水分子粘附在煤的表面上，大大降低了煤中可 燃物质对瓦斯的吸附能力， 因而按公式计算的瓦斯含量一般比天然条件下的瓦斯含量偏大一 些。 此外， 还有一种所谓的综合测定方法： 利用气测井仪测定溶解于从钻孔流出的冲洗液中 的瓦斯量，并在实验室中测定钻屑及煤心中的残余瓦斯量，以此为基础计算煤层瓦斯含量。 70 年代以来，国外又出现了一种以测定钻孔煤心瓦斯解吸速度为基础的直接测定煤层瓦斯 含量的方法。 此种方法最早在 1970 年由法国贝尔塔等人在井下水平钻孔中进行了实验。 1973 年，美国吉赛尔等人对其作了一些改进，并在地质勘探钻孔中得到应用。这种方法的主要优 点， 是把原来利用专门仪器在钻孔内采取瓦斯煤样的方式改为利用普通煤心管在孔底钻取煤 心，当煤心提出孔口之外，在孔口利用密封罐采取瓦斯煤样。这样，既减少了在孔内采取瓦 斯煤样的困难，又不影响正常钻进工作。此种方法简单、经济，经试验证明其测定精度也可 以满足要求，在美国已得到广泛的应用。 1978～1982 年我国煤炭科学研究院抚顺研究所开展的“解吸法测定煤层瓦斯含量”研 究，在美国方法的基础上又作了一些改进。其主要特点是缩短了野外瓦斯解吸测定的时间， 由原来需要几周的时间缩短为 2h，并相应地改变了实验室的测定方法。他们还进一步完善 了测定中所用的全套测试仪器及工具，并使之标准化。这样，既方便了野外地质勘探工作中 的应用，又可以获得有用的煤层瓦斯成分资料，有利于瓦斯地质的研究工作。 解吸法测定煤层瓦斯含量适应于在地质勘探钻孔中采取煤心测定煤层瓦斯含量及瓦斯 成分。虽然此种方法也可以在井下水平钻孔中应用，但测定工作中的一些细节略有不同。 这一方法的要点是利用普通煤心管钻取煤心， 当煤心提出孔口后， 用密封罐采取含瓦斯煤样， 利用解吸仪器测定煤样瓦斯解吸量随时间的变化规律， 并根据煤样暴露时间计算采样过程中 损失的瓦斯量， 然后将测完解吸规律的仍装有煤样的密封罐送到实验室， 测定煤心中残存瓦 斯量。解吸瓦斯量（包括解吸量与损失量）与残存瓦斯的总和，除以煤心可燃质重量，即得 出煤的瓦斯含量。 概括起来，其测定步骤如下： （1）采样及瓦斯解吸速度测定。 （2）损失瓦斯量的计算。 （3）残存瓦斯含量测定： ① 煤样粉碎前脱气及气体分析。 ② 煤样粉碎后脱气及气体分析。 ③ 煤的工业分析。 （4）结果计算。