煤层瓦斯含量计算方法探讨

影响， 但是煤 层 温 度 的 变 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｆｒｅｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ
化 对 游 离 瓦 斯 含 量 有 一 温度 ／℃ ０ １０ ２０ ３０ ４０
经验公式 １．Leabharlann Baidu３ １．６１ １．５９ １．５８ １．５７
定的影响（ 表 １） 。
新的公式 １．６１ １．５３ １．４７ １．４０ １．３５
科学研究总院西安分院的张新民等曾提出计算中考
虑水分和温度影响的吸附态瓦斯含量计算公式［１］：
ｑ＝ ａｂｐ · １
ｅ · ｎ（ｔｓ－ ｔ） ，
（ １）
１＋ｂｐ １＋０．１７·Ｍ
式中： ｑ— ——煤中吸附态瓦斯含量， ｍ３ ／ｔ；
ａ、ｂ — ——煤的吸附常数， ｍ３ ／ｔ、ＭＰａ－１；
ｐ— ——瓦斯压力， ＭＰａ；
３ 结论
通过分析传统煤层瓦斯含量经验公式计算的局
表 ３ 计算结果对照表 Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｏｍｐａｒ ｅ ｏｆ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｓ 煤 经验公式瓦斯含量／ｍ３·ｔ－１ 新的公式瓦斯含量／ｍ３·ｔ－１ 偏差
样 游离态 吸附态 煤层 游离态 吸附态 煤层 １＃ ０．０６１ １．９８８ ２．０４９ ０．０６４ ３．０７２ ３．１３６ １．０８７ ２＃ ０．２２４ １．６８６ １．９１０ ０．２７２ ２．５５４ ２．８２６ ０．９１６ ３＃ ０．１７６ ２．２５３ ２．４２９ ０．１７７ ２．８２１ ２．９９８
Ｍ— ——煤中水分， ％；
ｎ— ——经验系数，
ｎ＝Ｂ ０．０２ ， ０．９９３＋０．０７ｐ
Ｂ— ——系数， ＭＰａ－１， 取值为 １；
ｔｓ— ——煤的吸附实验温度， ℃； ｔ— ——瓦斯温度， ℃；
以下各式相同参数的含义相同。
周世宁等也曾提出了考虑煤中水分、可燃物百
分比以及温度影响的吸附态瓦斯含量计算公式［２］：
２４
中国煤田地质
第 １８ 卷
限性， 提出采用直接考虑煤样灰分和水分的空气干 燥基 ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力来计算煤层的吸 附瓦斯含量， 采用气体状态方程计算煤层游离瓦斯 含量的煤层瓦斯含量新计算公式， 使得在工程现场 的煤层瓦斯含量计算不仅步骤简单， 而且计算结果 准确。
参考文献：
煤 煤 的 孔 隙 容ｌａｎｇｍｕｉｒ 体 ｌａｎｇｍｕｉｒ 煤样水 煤样灰 实验室 瓦斯压 瓦斯压 经验 煤层温 吸附常数 样 积 ／ｍ３·ｔ－１ 积 ／ｍ３·ｔ－１ 压力 ／ＭＰａ 分 ／％ 分 ／％ 温度 ／℃ 缩因子 ｚ 力 ／ＭＰａ 系数 ｎ 度 ／℃ ａ ／ｍ３·ｔ－１ ｂ ／ＭＰａ
１＃ ０．０１０５
对于公式（ ３） 中煤的游离瓦斯含量的近似公式，
采用根据气体状态方程推导的计算公式：
结合黄陵一号井二煤层煤样 （ 各计算参数见表 ２） ， 同时以两种方法采用经验公式（ ３） 和新的公式 （ ７） 计算黄陵一号井煤层的瓦斯含量， 计算结果如表 ３ 所示。
现场采样测得吸附瓦斯含量为 ２．６５ｍ３ ／ｔ， 新公 式计算结果两组稍大， 一组接近， 经验公式计算结果 各组都偏小。一般认为实测瓦斯含量本身就偏低， 原 因是煤层一旦揭露， 煤层瓦斯即开始解吸， 计算煤样 损失气必然比实际偏小， 显然新公式较准确， 因此新 公式采用空气干燥基的 ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 ｌａｎｇｍｕｉｒ 压 力来计算吸附瓦斯含量， 采用气体状态方程计算游 离瓦斯含量更接近原煤的实际瓦斯含量。
煤层的吸附态瓦斯与瓦斯压力和煤体内表面 积 关 系 密 切 ， 目 前 一 般 按 ｌａｎｇｍｕｉｒ 方 程 计 算 ， 煤 炭
作 者 简 介 ： 赵 继 展 （ １９７８—） ， 男 ， 河 北 张 家 口 人 ， 煤 炭 科 学 研 究 总 院 西安分院助理工程师， 从事瓦斯地质研究。
收稿日期： ２００６－ ０５－ １５ 责任编辑： 雷小乔
摘 要： 煤层瓦斯含量作为煤层瓦斯基本参数之一， 准确测定有重要意义。目前常用的煤层瓦斯含量计算方法是根
据已知的煤层瓦斯压力和实验室测出煤样干燥无灰基的吸附常数 计 算 ， 需 水 分 、灰 分 系 数 校 正 ， 在 实 践 中 我 们 采 用
煤样空气干燥基的 ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力来计算煤层吸附瓦斯含量， 获得了更为简化适用的公式。
第 １８ 卷 ５ 期 ２００６ 年 １０ 月
文章编号： １００４－ ９１７７（ ２００６） ０５－ ００２２－ ０３
中国煤田地质
ＣＯＡＬ ＧＥＯＬＯＧＹ ＯＦ ＣＨＩＮＡ
Ｖｏｌ．１８ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２００６
煤层瓦斯含量计算方法探讨
赵继展， 韩保山， 陈志胜， 孙四清
（ 煤炭科学研究总院西安分院， 陕西 西安 ７１００５４）
斯含量计算公式：
Ｘｙ＝ ｐＶｌ ｅ ， ｎ（ｔｓ－ ｔ）
（ ５）
Ｐｌ＋ｐ
式中： Ｘｙ— ——煤的吸附瓦斯含量， ｍ３ ／ｔ；
Ｖｌ， Ｐｌ— ——ｌａｎｇｍｕｉｒ 体 积 和 ｌａｎｇｍｕｉｒ 压 力 ， ｍ３ ／ｔ， ＭＰａ；
ｅｎ（ｔｓ－ ｔ）— ——温度校正项。
２． ２ 煤游离瓦斯含量近似公式的改进
１ 传统煤层瓦斯含量计算公式
煤层的瓦斯含量是指单位质量或体积中含有 的 瓦 斯 总 量 ， 包 括 吸 附 态 瓦 斯 、游 离 态 瓦 斯 和 水 溶 态瓦斯。煤具有多重孔隙结构， 煤层中的瓦斯以三 种状态赋存， 吸附在煤体孔隙内表面上的吸附态瓦 斯， 游离分布在煤体孔隙和裂隙中的游离态瓦斯， 以及溶解在煤层水中的溶解态瓦斯， 其中吸附态瓦 斯是煤层瓦斯的主要部分， 所占比例一般大于 ５０％ ［１］， 游离态瓦斯含量相对较小， 而水溶态瓦斯含量甚 微， 在计算中可以忽略。
Ｘｘ＝ ｐＫＴ０ ，
（ ６）
Ｔｐ０ｚ
式中： Ｘｘ— ——煤的游离瓦斯含量， ｍ３ ／ｔ；
Ｋ— ——煤的孔隙容积， ｍ３ ／ｔ；
Ｔ— ——瓦斯的绝对温度， Ｋ， Ｔ＝２７３＋ｔ；
ｚ— ——对应温度、压力下的瓦斯压缩因子；
Ｔ０， Ｐ０— ——标准状态下的绝对温度、压力， ２７３Ｋ， ０．１０１３２５ＭＰａ。
瓦斯吸附含量影响复杂， 简单的系数修正困难， 所以
考虑采用具有原始水分煤样的吸附常数， 即空气干
燥基的 ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力来计算。利用
实验室测定空气干燥基的 ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 ｌａｎｇｍｕｉｒ
压力， 免去了煤样水分和灰分的系数修正， 根据单分
子层吸附理论 的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 方 程 得 到 原 煤 的 吸 附 瓦
［１］ 张新民．中国的煤层甲烷［Ｍ］．西安： 陕西科学技术出版社， １９９１． ［２］ 周 世 宁．煤 层 瓦 斯 赋 存 与 流 动 理 论［Ｍ］．北 京 ： 煤 炭 工 业 出 版 社 ，
１９９９． ［３］ 于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［Ｍ］．北京： 煤炭工业出 版社， ２０００． ［４］ Ｂｕｓｔｉｎ Ｒ Ｍ ， Ｃｌａｒｋｓｏｎ Ｃ Ｒ．Ｆｒｅｅ ｇａｓ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ： ａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｏａｌｂｅｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｉｎ ｌｏｗ ｒａｎｋ ｃｏａｌｓ ［Ａ］． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９９ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ［Ｃ］．ＵＳＡ，Ｔｕｓｃａｌｏｏｓａ ， １９９９：１９７－ ２１４． ［５］ Ｐｒａｔｔ Ｔ Ｊ， Ｍａｖｏｒ Ｍ Ｊ， ＤｅＢｒｕｙｎ Ｒ Ｐ． Ｃｏａｌ ｇａｓ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｓｕｂｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ ｃｏａｌ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｏｗｄｅｒ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ ［Ｃ］ ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９９ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ［Ａ］． Ｔｕｓｃａｌｏｏｓａ ，ＵＳＡ，１９９９： ２３－ ３４．
一样。根据煤炭科学研究总院抚顺分院的水分影响
系数， 煤中挥发分含量直接影响到水分修正项的取
值。因此， 仅仅修正煤中水分对煤层吸附态瓦斯的影
响是不全面的。
在煤炭科学研究总院西安分院长期从事煤层气
资源评价的实践中发现， 利用此公式计算的吸附态
瓦斯含量偏低。
同时可以看出经验公式（ ３） 对游离瓦斯含量的
计算简化了煤样温度的 表 １ 游离瓦斯含量的计算结果
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｃｏａｌ Ｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ Ｚｈａｏ Ｊｉｚｈａｎ， Ｈａｎ Ｂａｏｓｈａｎ， Ｃｈｅｎ Ｚｈｉｓｈｅｎｇ， Ｓｕｎ Ｓｉｑｉｎｇ
瓦斯吸附量的影响系数， 第三个乘式为温度校正系
数。煤炭科学研究总院抚顺分院曾通过对 ３ 个煤种
５期
赵继展， 等： 煤层瓦斯含量计算方法探讨
２３
各种水分含量煤
表 ２ 煤层瓦斯含量计算参数表
样的吸附等温 曲线测定， 得出 煤中水分对吸 附瓦斯量的影 响系数为：
Ｔａｂｌｅ ２ Ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ
（ ３）
式中： Ｘ— ——煤层瓦斯总含量， ｍ３ ／ｔ；
Ｋ— ——单位质量煤的孔隙容积， ｍ３ ／ｔ；
ｋ— ——瓦斯压缩系数。
公式（ ３） 大括号中为纯煤（ 煤中可燃质） 的瓦斯
含量， 后面的分式是原煤水分、灰分校正； 大括号中
的第一部分是煤的吸附瓦斯含量， 第二部分为游离
瓦斯含量， 第一部分中的第二个乘式为考虑水分对
ｑ＝ ａｂｐ · １
ｅ · ｎ（ｔｓ－ｔ·） １００－ Ｍ－ Ａ
（ ２）
１＋ｂｐ １＋０．３１·Ｍ
１００
式中： Ａ— ——煤中灰分， ％。
目前最常采用的煤层瓦斯总含量经验计算公式
为：
! " Ｘ ＝
ａｂｐ · １
ｅ · ｎ（ｔｓ－ ｔ）＋ １０Ｋｐ
１＋ｂｐ １＋０．３１·Ｍ
ｋ
· １００－ Ｍ－ Ａ １００
取孔隙容积为 ０．０３７ｍ３ ／ｔ， 瓦斯压力为 ４ＭＰａ 时
各温度下经验公式和公式（ ６） 计算的煤层瓦斯含量
如表 １， 偏差明显。
２． ３ 原煤的瓦斯含量
由于瓦斯在水中的溶解度较小， 同时煤层在地
下原始状态时水分含量较低， 溶解瓦斯含量甚微， 计
算中忽略这部分瓦斯， 则原煤中的瓦斯含量为：
Ｘ＝Ｘｘ＋Ｘｙ ，
注： 其中瓦斯压缩因子 ｚ 是通过软件 ＧＡＳ ＯＲＩＦＩＣＥ ＭＥＴＥＲ ＰＲＯＧＲＡＭ ｖｅｒｓｉｏｎ ４．１ 计算获得。
１
，
（ ４）
１＋（０．１０＋０．００５８·Ｖ）·Ｍ
式中： Ｖ— ——煤的挥发分含量， ％。
可以看出不仅是水分， 煤的其它组分也影响煤
中瓦斯含量， 两个经验公式水分修正项的取值也不
（ ７）
将计算吸附瓦斯含量的公式（ ５） 和计算游离瓦
斯含量的公式（ ６） 带入上式就得到新的煤层瓦斯含
２ 新计算公式的提出
量计算公式。
２． １ 煤吸附瓦斯含量公式的改进
经验公式（ ３） 采用煤中可燃质的瓦斯吸附常数
ａ、ｂ 来计算吸附瓦斯含量， 然后通过系数来修正得
到原煤的吸附瓦斯含量， 由于原煤灰分、水分对煤的
关键词： 煤层瓦斯； 瓦斯含量； 计算方法
中图分类号： Ｐ６１８．１１０９
文献标识码： Ａ
０ 引言
煤层瓦斯含量作为矿井瓦斯治理和开发利用 的基本参数之一， 其取值的准确性对于煤层瓦斯储 量 计 算 、瓦 斯 涌 出 量 预 测 、瓦 斯 地 质 评 价 、煤 矿 瓦 斯 综合治理以及综合利用都有重要意义。传统计算公 式中煤层瓦斯含量吸附项采用煤层瓦斯压力和煤 的干燥无灰基计算， 然后做水分、灰分修正， 游离项 的计算也做了工程近似。另外， 相关文献也提出了 相似的计算公式， 只是水分修正项的取值不同。研 究发现煤的组成对煤的吸附性影响很大， 单单考虑 水分修正一般会出现计算结果偏低。为了准确计算 煤层瓦斯含量， 避免水分、灰分的修正误差， 应该使 用原始煤样的吸附常数， 因此吸附瓦斯含量我们采 用了煤样空气干燥基的 ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 ｌａｎｇｍｕｉｒ 压 力计算， 游离瓦斯含量根据气体状态方程得出。
１３．５３
２．６９ １．７６ ９．７３ ２５ ０．９８７６ ０．６５ ０．０１９３ １７ １３．５３ ０．３７２
２＃ ０．０４４４
１３．３４
３．３１ １．６６ ２１．９０ ２５ ０．９８８ ０．６５ ０．０１９３ １７ １７．４５ ０．３０２
３＃ ０．０２８９
１６．４８
３．７８ ０．８１ ６．６２ ２５ ０．９８７６ ０．６５ ０．０１９３ １７ １７．７９ ０．２６５