煤层瓦斯参数及其测定方法

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1、煤层瓦斯含量及其测定
1.1 煤层瓦斯含量释义
煤层瓦斯含量是指在天然条件下 , 单位质 量 或 体 积 的 煤 体 中 所 含 的 瓦 斯 量 (m3/t 煤 或 m3/m3 煤 ) 。煤层瓦斯含量是煤矿开采和煤矿安 全生产中的一项重要基本参数，可用于矿井、 采区和工作面瓦斯涌出量预测、确定矿井瓦斯 等级、通风设计、产量配产、瓦斯储量计算、 瓦斯抽放和利用以及煤与瓦斯突出危险性鉴定
（3）井下解吸法
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该方法是在地勘解吸法原理基础上改进、发 展形成的直接在井下测定煤层瓦斯含量的方法， 它在我国煤矿本煤层、邻近层瓦斯含量测定中 广为采用。测定时，先在煤层打钻孔，采集钻 （煤）屑（本煤层）或打穿层钻孔采集煤芯 （邻近层），然后测定采集的煤屑样在空气介 质中的瓦斯解吸规律，并据此推算钻屑或煤芯 在采集过程中试样的漏失瓦斯量，最后根据漏 失瓦斯量、解吸瓦斯量、残存瓦斯量和煤样重 量计算煤层原始瓦斯含量。
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地勘解吸法含量测值普遍偏低的主要原因 在于煤样漏失瓦斯量估算不尽合理，具体表现 在两个方面： 其一，煤芯在泥浆介质中的瓦斯解吸与煤 层原始瓦斯压力、上覆泥浆压力有关，人为地 将煤芯在钻孔中开始解吸瓦斯的时间固定为煤 芯提至钻孔深度的一半，是不合理的； 其二，煤芯在钻孔中的瓦斯解吸是在泥浆 介质中完成的，而煤样在地面的瓦斯解吸是在 空气介质中进行的，两者的介质环境及介质压 力条件差异较大，用煤样在地面的瓦斯解吸规 律推算提钻过程中的煤样漏失瓦斯量缺乏充分 的依据。这两点我们已完成了改善研究。
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1.2 煤层瓦斯含量测定
目前，我国普遍采用的煤层
瓦斯含量测定方法有三类：地勘
解吸法，间接法和井下解吸法。
现分述如下。
（1）地勘解吸法
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这是一种煤田地质勘探和煤层瓦
斯地面开发时最常用的煤层瓦斯含量 测定方法。地勘解吸法在我国煤田地 质勘探部门得到了广泛的推广应用， 并一直沿用至今。
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（1）人工填料封孔
前端筛管 挡料圆盘 填充材料 木锲 测压管 Φ6~10mm 钻孔
Φ50~75 mm
不小于8m
压 力 表
图2.4.1
填料法封孔示意图
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（2) 机械压注填料封孔
以压缩空气或泥浆泵为动力,将 预先调制的膨胀性水泥浆或树脂或 聚胺脂压入钻孔进行封孔。这一方 法对倾角大的钻孔封孔效果较好，
等方面。
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煤层瓦斯含量的大小决定于成煤过程中生成的瓦 斯量和煤层及围岩保存瓦斯的条件。煤层瓦斯含量的 确定方法有测定法和计算法。计算法如下: 煤层瓦斯含量（ m3 标 /t 煤）等于煤的吸附瓦斯量 xx与游离瓦斯量xy之和。 X=xx+xy xx=〔en(t0-t)〕〔1/（1+0.31W）〕〔(100-A-W）/100〕
对近水平钻孔，由于钻孔顶部不易
充满填料，易漏气。
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（3）封孔器封孔
3 4 5 2 9 10 12 11 8
1、补充气体入口 3、加压手把 5、胶圈 7、胶圈 9、阀门 11、粘液 2、固定把 4、推力轴承 6、粘液压力表 8、高压胶管 10、二氧化碳瓶 12、粘液罐
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井下解吸法采用如下方法推算试样采集过 程中的漏失瓦斯量： ①试样的瓦斯解吸从到达既定深度（本煤
层）或穿透岩层见煤（邻近层）时开始计时；
②本煤层钻屑采集过程中试样的漏失瓦斯 量按Q—(t0+t)0.5规律推算，邻近层穿层钻孔煤
芯采集过程试样漏失瓦斯量按Q—(t0+t)0.5规律
泥浆介质中取芯过程煤的瓦斯解吸规律及应用研究
（3）泥浆介质中取芯煤芯瓦斯解吸过程模拟 《 （B）模拟装置
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14 d G F 13 B 18 c 10 Ⅱ D 17 12 11 Ⅰ C E A
19
9
a
8 7
N2
15
6 b 5 4 3
CH4
1
16
2
1－复合真空计 8－针形三通阀
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2）直接测定法
直接测定法是直接在测定瓦斯压力地点进行 测定的方法，其工序有打钻孔、封孔和测压。 典型的测定方法是在岩石巷道中向煤层打钻孔， 用不同的密封材料封堵钻孔，在测压导管上安 设压力表测压。封孔方法有人工填料封孔、机 械压注填料封孔、封孔器封孔（胶圈封孔器、 胶囊密封液封孔器和三相泡沫密封钻孔器）等。 测压地点要选在没有地质构造破坏和岩层密封 性能好的地方，如岩层含水，应该用填料将钻 孔含水层段堵严隔离，以防水压干扰瓦斯压力 测定结果。
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煤层主要瓦斯参数 及其测定方法
俞启香 (教授 、 博导、国家安全生产专家） 中国矿业大学 国家煤矿瓦斯治理工程研究中心
主要内容
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1.煤层瓦斯含量及其测定 2.煤层瓦斯压力及其测定
3.煤层的透气性及其测算
表2.4.1
瓦斯压力梯度 (MPa/hm) 1.1
8 7 6 4 3 1 2 5 10
9
11 12 13 14 15
19
18 17
16
⒈超级恒温器 ⒉密封罐 ⒊穿刺针头 ⒋滤尘器 ⒌集水瓶 ⒍冷却管 ⒎水银 真空计 ⒏隔水瓶 ⒐吸水管 ⒑排水瓶 ⒒吸气瓶 ⒓真空瓶 ⒔大量管 ⒕小量 管 ⒖取气支管 ⒗水准瓶 ⒘干燥管 ⒙分隔球 ⒚真空泵 A 螺旋夹 B、C、D、 E、F单向活塞 G、H、I、J、K三通活塞L、N120°三通活塞
2－真空泵 3－真空管系 4－真空硅管 5－玻璃三通阀 6－高纯瓦斯瓶 7－精密压力表 9－充气罐 10－煤样罐 11－水浴 12－恒温器 13－泥浆(水)罐 14－注浆(水)孔 15－氮气瓶 16－解吸仪 17－色谱仪 18－紫铜管 19－针形二通阀
（2）间接法
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推算。
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2 煤层瓦斯压力及其测定
2.1 定义与影响因素 煤层瓦斯压力是瓦斯在煤层中所呈现的压强。 它是游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力 , 其方向垂直于孔隙壁 , 在某一点其大小相等。 它也是单位体积中所含有的瓦斯压力潜能。煤 层未受采动影响区域的瓦斯压力称为原始瓦斯 压力；已排放瓦斯或已抽放瓦斯区域的煤层瓦 斯压力称为残存（残余）瓦斯压力。煤层瓦斯 压力是决定煤层瓦斯含量和煤层突出危险性大 小的主要因素之一，是进行瓦斯管理等工作的 基础参数。当煤的煤化程度相同时，煤层瓦斯 压力越大，煤层瓦斯含量也越高。
6
7
1
图2.4.2
胶圈封孔器结构示意图
2.4.3 我国部分矿井的煤层瓦斯压力实测值
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我国部分矿井的煤层瓦斯压力实测值
矿井 北票台吉一井 阳泉一矿 煤层 4 3 垂深H(m) 560 713 415 363 513 633 652 40 118 388 214 252 70 207 218 432 493 650 245 482 520 780 瓦斯压力 p(Mpa) 5.12 6.86 1.2 3.5 4.8 7.5 7.85 0.57 1.28 2.97 2.18 2.6 0.45 1.91 1.52 4.95 2.4 4.4 0.2 2.96 3.63 4.9
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煤层瓦斯压力主要受煤层埋藏深度、煤层顶底 板岩层的透气性、地质构造、煤层赋存形态、地 应力和地下水活动等因素影响。当煤层有露头时， 在瓦斯风化带下边界（甲烷带上边界）的煤层瓦 斯压力一般为0.15-0.25MPa,在地质构造简单条件 下 , 煤层瓦斯压力随埋深增加而加大 ,; 如果煤层 连续、构造稳定，相同埋深处同一煤层的瓦斯压 力相等。中梁山煤矿 K1 煤层在垂深 378m 水平，在 同一地质构造单元沿走向 128m 范围内，测得的瓦 斯压力为2.75-2.8MPa。
图1.2.1
漏失瓦斯量（
ml）
瓦斯漏失量V1--计算图
样在地面的解吸瓦斯量与解吸时间之间遵循 V2- （ t0+t ） 0.5 关系； ③煤芯提至钻孔深度的一半时开始解吸瓦斯； ④取芯过程中煤样瓦斯漏失量可按V1-- （t0+t）0.5推算，见 图1.2.1。
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abp/（1+bp）
xy=VT0p/Tp0ξ
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式中, t0、t分别为测定吸附常数时的实验温度和煤 层瓦斯的温度oC;
n 为系数，按下式确定：n=0.02/(0.993+0.07p) ;
W、A 分别为煤的水分和灰分,%; a、b为煤的吸附常数，其单位分别为m3/t，MPa-1; p、ξ分别为煤层的瓦斯压力(MPa)和瓦斯压缩系 数; V、T =273+t 分别为吨煤的孔隙容积(m3/t煤)和 煤层瓦斯的温度； T0、p0 分别为标准状况下的绝对温度(273K)和压 力(0.101325MPa)
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2. 2 煤层瓦斯压力的测定方法
煤层瓦斯压力的测定方法有直接测定法和间 接测定法两类。 1）间接测定法有: ①根据煤层瓦斯含量推算煤层瓦斯压力; ②根据煤巷掘进或采煤瓦斯涌出量推算煤层 瓦斯压力;
③根据煤层瓦斯压力梯度求算煤层瓦斯压力。 这类方法精度比较低，仅在有限的条件下使用。
图1.2.3 真空脱气测定装置示意图
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从地勘解吸法十年多来的应用情况统计分 析结果看 [9] ，和早期采用的密闭罐法、集气法 相比，地勘解吸法煤层瓦斯含量测值成功率和 可靠性都有较大幅度的提高，但测值仍有较大 的误差：孔深小于 500m 时，地勘瓦斯含量有约 70% 的测值偏低 15 ～ 25% ， 20% 的测值偏高 10 ～ 15% ，整体测值偏低约 10 ～ 15% ；煤层埋深大于 500m ，特别是达到 800m 以上时，普遍具有测值 偏低程度随孔深增加而加大的趋势，有85%以上 的测值低 30 ～ 40% ，最高达到 50% 以上，只有不 足8%的测值偏高5～10%。
Hale Waihona Puke Baidu
间接法主要用于生产矿井煤层瓦斯含量测定， 偶尔用于地勘期间煤层瓦斯含量测定。该方法的 理论基础是单分子层吸附模型的朗格缪尔方程 （ Langmuir Equation ），它确定煤层瓦斯含量 的方式与步骤为：①实测煤层瓦斯压力；②实验 测定煤样可燃基的瓦斯吸附常数；③用朗格缪尔 方程计算煤的可燃基瓦斯含量，并通过水分、灰 分、温度、压力等校正得到原煤的瓦斯含量。这 一方法的计算基础都是来自实测值，而计算模型 又得到理论证明，故可信度较高，但测准煤层瓦 斯压力较难，工作量较大。
⑤煤芯在地面的解吸瓦斯量V2由煤芯瓦斯解吸 仪测得
压紧螺丝 罐盖 垫圈 胶垫 螺旋夹
∮6 7 15 0 罐体
量管
吸气球 温度计 排气管
穿刺针头 水槽 密封罐 弹簧夹 放水管 煤心瓦斯解析仪 弹簧夹 密封灌
图 1.2.2
煤芯瓦斯解吸仪示意图
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⑥残存瓦斯量V3由真空脱气测定装置（见图 2.3.3）测得。
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1000 ml） 800
解吸瓦斯量（
600
400 200 （t 0+t） 0 0 -200 20 40 60 80 100 120
0.5
-400 -600 -800 -1000
地勘解吸法测定煤层瓦 斯含量的基本原理及依据 为： ①煤层原始瓦斯含量 X0 由取芯过程煤样漏失瓦 斯量V1、地面解吸瓦斯测 定量 V2 和残存瓦斯量 V3 构 成,X0= V1+ V2+ V3； ②在一定时间内，煤