CN102128765A - 一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法 - Google Patents

一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法 Download PDF

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Abstract

一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量的方法，将煤层瓦斯含量
Figure 2010105800895100004DEST_PATH_IMAGE002
分为解吸瓦斯量
Figure 2010105800895100004DEST_PATH_IMAGE004
和残存瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
两部分，其中解吸瓦斯量
Figure 595227DEST_PATH_IMAGE004
包含损失瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和现场解吸瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，通过建立实验室数学模型：测定不同瓦斯压力
Figure DEST_PATH_IMAGE012
下解吸曲线组及残存量，得到解吸量
Figure 502003DEST_PATH_IMAGE004
的拟合关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，瓦斯压力
Figure 922621DEST_PATH_IMAGE012
与拟合系数A的关系式
Figure DEST_PATH_IMAGE016
,及瓦斯压力与残存量
Figure 711902DEST_PATH_IMAGE006
的拟合关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；然后在现场钻取煤样测定其解吸曲线和解吸量
Figure 853777DEST_PATH_IMAGE010
，利用
Figure 546926DEST_PATH_IMAGE014
计算损失瓦斯量
Figure 874003DEST_PATH_IMAGE008
，并根据现场解吸结果拟合系数A计算出煤层瓦斯压力
Figure 627195DEST_PATH_IMAGE012
；最后利用式
Figure 39722DEST_PATH_IMAGE018
计算获得煤样残存瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。该方法在实验室数学模型建立后，可通过井下现场120min的解吸测定，能够快速准确的测定采样地点的煤层瓦斯含量。

Description

一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法
技术领域
本发明涉及测定煤层瓦斯含量方法，尤其是一种适用于煤层瓦斯含量的井下直接快速测定方法。
背景技术
《防治煤与瓦斯突出规定》中指出我国采用瓦斯含量                                               
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE002
、瓦斯压力作为突出煤层突出危险性区域预测和区域效果检验工作的主要预测指标。井下直接测定煤层瓦斯压力除需施工测压钻孔外，往往还需特殊的封孔装备及材料等，工程量较大，成本较高，测定周期较长（一般为15天以上），且受地质条件和封孔工艺等因素的影响，有时很难测准或测出煤层的实际瓦斯压力，特别是对于大面积预抽的工作面，测压条件难掌握，即使测出了压力值，可靠性也很差。因此，瓦斯含量在今后突出煤层的区域预测、区域效果检验和瓦斯抽采效果考察中将作为最重要的指标。煤层瓦斯含量测定方法主要有直接法和间接法两类。间接法需要在井下实测煤层真实瓦斯压力，在实验室测定吸附常数（a、b值）、孔隙率、灰份、水份等数据，通过计算确定煤层瓦斯含量，至少需要20天以上。现有井下煤层瓦斯直接测定方法，除需要进行井下煤层瓦斯含量的现场解吸外，还要对现场解吸后的煤样进行实验室残存量测定，最终确定每个取样点煤样的解吸量和残存量，这种方法需要多次反复的进行实验室的煤层瓦斯残存量测定，无法在井下直接快速的测定出煤层瓦斯含量，对于煤矿井下需要大量实测煤层瓦斯含量的现状显得工作量较大，周期较长。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种方法简单、可靠性强、快速准确、减轻测量工作量的煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法。
技术方案：本发明煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法：包括以下步骤：
步骤1．实验室数学模型建立
a．采集现场煤层的煤样，在实验室测定4～6个不同瓦斯压力
Figure 284435DEST_PATH_IMAGE004
下煤样在约120min内瓦斯解吸曲线；
b．根据不同的煤种的瓦斯解吸曲线趋势，确定不同瓦斯压力下的拟合关系
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE006
，式中：
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE008
指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出的瓦斯量， 
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE010
值为拟合系数，
Figure 670417DEST_PATH_IMAGE002
为煤层瓦斯含量，包括损失瓦斯量
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE014
；同时，确定瓦斯压力与拟合系数
Figure 879310DEST_PATH_IMAGE010
的对应拟合关系
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE016
；
c．各煤样在解吸120min后，测定残存瓦斯量
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE018
，拟合残存瓦斯量
Figure 170614DEST_PATH_IMAGE018
与瓦斯压力
Figure 437647DEST_PATH_IMAGE004
，确定残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系式，
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE022
是指在一个大气压力下，单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量；
步骤2．现场测定
钻取瓦斯含量测定地点的煤样，在钻孔钻至煤层时开始计时，将采集到的新鲜煤样装入煤样罐中密封，煤样装罐时间
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE024
控制在30min内，测定并记录煤样在计时后120min内的瓦斯解吸曲线及解吸量，然后通过拟合公式
Figure 774268DEST_PATH_IMAGE006
对井下测定数据处理，得到现场解吸拟合系数，计算出损失瓦斯量
Figure 521961DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤3．将步骤2中得到的现场拟合系数A代入拟合公式
Figure 258973DEST_PATH_IMAGE016
，得到煤层的瓦斯压力
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤4．将得到的煤层瓦斯压力
Figure 251200DEST_PATH_IMAGE026
通过公式
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE028
，得到煤层残存瓦斯量
Figure 681044DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤5．确定煤层原始瓦斯含量
Figure 922669DEST_PATH_IMAGE002
将步骤2中所得损失瓦斯量
Figure 197793DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure 559373DEST_PATH_IMAGE014
与步骤四中所得残存瓦斯量
Figure 894539DEST_PATH_IMAGE018
代入公式
Figure 2010105800895100002DEST_PATH_IMAGE030
，得到煤层原始瓦斯含量
Figure 623461DEST_PATH_IMAGE002
。
有益效果：本发明依据矿井同一煤层的吸附解吸性能，建立该煤层合理的损失量和残存量计算模型，通过井下直接快速测定便能获得煤层瓦斯含量，根据拟和出的煤层压力-瓦斯解吸量经验公式，结合井下解吸瓦斯含量可准确推算出测定地点的煤层瓦斯压力。在井下120min内准确快速的测定煤层的瓦斯含量，工作量小，所需时间短，尤其适用于同一煤层井下多点快速测量。采用间接法推算瓦斯含量时，考虑到实测煤层瓦斯压力结果影响因素较多，压力测定结果只能无限接近真实值，因此，从现场工程运用角度来看，本发明方法不仅能够快速测定煤层瓦斯含量，并且能够真实的反映煤层瓦斯含量和瓦斯压力，可靠性与安全性更高，能满足了井下大面积多点测定煤层瓦斯含量的要求，对我国煤矿煤与瓦斯突出区域性预测和区域性效果检验技术的发展具有重要的意义。
附图说明
图1 是本发明的测定原理流程示意图。
图2～图5是本发明的测定流程原理示意图。其中：
图2 为不同瓦斯压力下的实验室解吸曲线（120min）示意图；
图3 为瓦斯压力P与拟合系数A的拟合关系曲线示意图；
图4 为残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系曲线示意图；
图5 为现场解吸瓦斯量拟合曲线示意图。
图6～图9是祁南矿7煤层瓦斯含量测定流程原理示意图。其中：
图6 为祁南矿7煤不同瓦斯压力下的解吸曲线图；
图7 为祁南矿7煤瓦斯压力P与拟合系数A对照图；
图8 为祁南矿7煤瓦斯残存量与瓦斯压力关系图；
图9 为祁南矿7煤现场所测解吸结果拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
本发明将煤层瓦斯含量
Figure 702276DEST_PATH_IMAGE002
分为解吸瓦斯量
Figure 669095DEST_PATH_IMAGE008
和残存瓦斯量
Figure 440741DEST_PATH_IMAGE022
两部分（指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出的瓦斯量；
Figure 273885DEST_PATH_IMAGE022
是指在一个大气压力下，单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量），其中解吸瓦斯量
Figure 626369DEST_PATH_IMAGE008
包括损失瓦斯量
Figure 37759DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure 475694DEST_PATH_IMAGE014
。依据同一煤层的吸附解吸性能，建立该煤层合理的损失量和残存量计算模型，确定井下直接快速测定煤层瓦斯含量的测定方法。具体步骤如下：
步骤1．实验室数学模型建立
a、采集现场煤层的煤样，在实验室测定5组不同瓦斯压力
Figure 896311DEST_PATH_IMAGE004
下煤样在120min内瓦斯解吸曲线（
Figure DEST_PATH_IMAGE032
），如图2所示；
b．根据不同的煤种的瓦斯解吸曲线趋势，确定不同瓦斯压力下的拟合关系：
Figure 368880DEST_PATH_IMAGE006
，式中：
Figure 951171DEST_PATH_IMAGE008
指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出的瓦斯量，
Figure 876402DEST_PATH_IMAGE010
值为拟合系数，
Figure 317354DEST_PATH_IMAGE002
为煤层瓦斯含量，
Figure 378851DEST_PATH_IMAGE008
包括损失瓦斯量
Figure 663202DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure 544570DEST_PATH_IMAGE014
；同时，确定瓦斯压力与拟合系数
Figure 754152DEST_PATH_IMAGE010
的对应拟合关系
Figure 943825DEST_PATH_IMAGE016
，如图3所示；
c．各煤样在解吸120min后，测定残存瓦斯量
Figure 843648DEST_PATH_IMAGE018
，拟合残存瓦斯量
Figure 878600DEST_PATH_IMAGE018
与瓦斯压力，如图4所示，确定残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系式，，式中的
Figure 927961DEST_PATH_IMAGE022
是指在一个大气压力下单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量；
步骤2．现场测定
利用钻孔钻取所测煤层煤样，现场测定时先用压水钻进，在距煤层约1m位置改用压风，在吹干钻孔后继续钻进钻入煤层时开始计时，随后接下压风排下的煤屑，筛选粒径1~3mm的煤样，煤样装至离罐口约10mm位置为佳；然后将解吸量筒与煤样罐连接，将采集到的新鲜煤样装入煤样罐中密封，记下此时的开始解吸时间，要求煤样自钻孔暴露时间到装罐解吸控制时间
Figure 297763DEST_PATH_IMAGE024
应根据不同煤种选择不同的控制时间，变质程度高的煤的装罐时间
Figure 657200DEST_PATH_IMAGE024
要短，并控制在30min以内；随后记录量筒中解吸的瓦斯量与时间的变化关系，测定并记录煤样在计时后120min内的瓦斯解吸曲线及解吸量
Figure 454255DEST_PATH_IMAGE014
，然后通过拟合公式
Figure 63090DEST_PATH_IMAGE006
对井下测定数据处理，得到现场解吸拟合系数
Figure 236583DEST_PATH_IMAGE010
，计算损失瓦斯量
Figure 247264DEST_PATH_IMAGE012
，如图5所示；
步骤3．将步骤2中得到的现场拟合系数A代入拟合公式
Figure 933329DEST_PATH_IMAGE016
，得到煤层的瓦斯压力
Figure 29461DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤4．将得到的煤层瓦斯压力通过公式
Figure 606253DEST_PATH_IMAGE028
，得到煤层残存瓦斯量
Figure 745110DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤5．将步骤2中所得损失瓦斯量
Figure 797380DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure 47096DEST_PATH_IMAGE014
与步骤四中所得残存瓦斯量
Figure 32369DEST_PATH_IMAGE018
代入公式
Figure 342128DEST_PATH_IMAGE030
，得到煤层原始瓦斯含量
Figure 412852DEST_PATH_IMAGE002
。
附图6～9所示为祁南矿7煤层的实施例，具体步骤如下：
步骤1、实验室数学模型建立
a、采集祁南矿7煤层的煤样，在实验室测定5组不同瓦斯压力下煤样在120min内瓦斯解吸曲线，如图6所示；
b、利用Excel拟合瓦斯解吸曲线，该解吸曲线符合对数函数关系，利用
Figure DEST_PATH_IMAGE034
拟合解吸曲线，拟合各组压力下的A和B值，得到瓦斯压力
Figure 935100DEST_PATH_IMAGE004
与A值的对应关系式
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，如图7所示。
c、测定各组煤样在解吸120min后的残存瓦斯量，如图8所示，确立残存瓦斯量与瓦斯压力的对应关系为。
步骤2、现场测定
测定时先用压水钻进，在距煤层约1m位置改用压风，在吹干钻孔后继续钻进钻入煤层时开始计时；随后接下压风排下的煤屑，筛选粒径1~3mm的煤样，煤样装至离罐口约10mm位置，然后将解吸量筒与煤样罐连接，记下此时的开始解吸时间
Figure 774880DEST_PATH_IMAGE024
为5min。随后记录量筒中解吸的瓦斯量与时间的变化关系，记录时间至计时120min，得到煤样解吸瓦斯量Q J =1.466m3/t，利用对数公式
Figure 724382DEST_PATH_IMAGE034
对井下测定数据进行拟合，如图9所示，得到A=0.5102，B=-0.9582，计算损失量Q S =1.312m3/t。
步骤3、确定煤层瓦斯压力
Figure 16823DEST_PATH_IMAGE026
将步骤2中得到的现场拟合系数A=0.5102带入公式
Figure 873920DEST_PATH_IMAGE036
，得到煤层瓦斯压力=1.42MPa；
步骤4、确定煤层残存瓦斯量
Figure 439342DEST_PATH_IMAGE018
将步骤3确定的煤层瓦斯压力
Figure 484659DEST_PATH_IMAGE026
=1.42MPa代入公式
Figure 879868DEST_PATH_IMAGE038
，计算煤层残存瓦斯量W C =4.725m3/t；
步骤5、确定煤层瓦斯含量
Figure 428661DEST_PATH_IMAGE002
将步骤2中所得损失瓦斯量和现场解吸瓦斯量
Figure 252577DEST_PATH_IMAGE014
与步骤4中所得残存瓦斯量代入公式
Figure 854777DEST_PATH_IMAGE030
，得到煤层原始瓦斯含量W=7.503m3/t。
现场与间接法测定结果比对：
在取样地点附近实测7煤层绝对瓦斯压力为1.3MPa（标高-521m），并取样测定了煤层的吸附常数（a、b值）、孔隙率、水份、灰份等参数，其结果如表1所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE039
采用间接法计算煤层瓦斯含量结果为6.5m3/t，而井下直接快速测定数值为7.503m3/t，其与间接法测定结果对比相对误差为15.4%；方法中获得的煤层瓦斯压力为1.42MPa，与实测数据1.3MPa也相当接近，从现场工程运用角度可以看出本发明的可靠性与安全性更高。

Claims (1)

1.一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于：
步骤1．实验室数学模型建立
a．采集现场煤层的煤样，在实验室测定4～6组不同瓦斯压力                                               
Figure 2010105800895100001DEST_PATH_IMAGE002
下，煤样在约120min内瓦斯解吸曲线；
b．根据不同的煤种的瓦斯解吸曲线趋势，确定不同瓦斯压力下的拟合关系
Figure 2010105800895100001DEST_PATH_IMAGE004
，式中：
Figure 2010105800895100001DEST_PATH_IMAGE006
指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出的瓦斯量，值为拟合系数，
Figure 2010105800895100001DEST_PATH_IMAGE010
为煤层瓦斯含量，
Figure 255230DEST_PATH_IMAGE006
包括损失瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；同时，确定瓦斯压力
Figure 478401DEST_PATH_IMAGE002
与拟合系数
Figure 215413DEST_PATH_IMAGE008
的对应拟合关系
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
c．各煤样在解吸120min后，测定残存瓦斯量
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，拟合残存瓦斯量
Figure 207640DEST_PATH_IMAGE018
与瓦斯压力
Figure 637484DEST_PATH_IMAGE002
，确定残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系式，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；是指在一个大气压力下单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量；
步骤2．现场测定
钻取瓦斯含量测定地点的煤样，在钻孔钻至煤层时开始计时，将采集到的新鲜煤样装入煤样罐中密封，煤样装罐时间
Figure DEST_PATH_IMAGE024
控制在30min内，测定并记录煤样在计时后120min内的瓦斯解吸曲线及解吸量，然后通过拟合公式
Figure 341184DEST_PATH_IMAGE004
对井下测定数据处理，得到现场解吸拟合系数，计算出损失瓦斯量；
步骤3．将步骤2中得到的现场解吸拟合系数A通过拟合公式
Figure 48743DEST_PATH_IMAGE016
，得到煤层的瓦斯压力
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤4．将得到的煤层瓦斯压力
Figure 596399DEST_PATH_IMAGE026
通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，得到煤层残存瓦斯量
Figure 94376DEST_PATH_IMAGE018
； 
步骤5．将步骤2中所得损失瓦斯量
Figure 600444DEST_PATH_IMAGE012
和现场解吸瓦斯量
Figure 285503DEST_PATH_IMAGE014
与步骤4中所得残存瓦斯量
Figure 168008DEST_PATH_IMAGE018
通过公式，得到煤层原始瓦斯含量。
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