CN107817191A - 一种煤层瓦斯抽采效果检验的方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层瓦斯抽采效果检验的方法，属于通过间接监测煤层抽采过程中瓦斯含量的变化实现对瓦斯抽采效果检验的一种方法。根据煤层瓦斯抽采过程中，瓦斯解吸‑扩散‑渗流过程中的同位素随时间变化规律以及煤层瓦斯的解吸率与变化呈线性关系。获取煤层瓦斯抽采区域的原始碳同位素值，而后通过实验室实验测试建立瓦斯解吸率与值关系的数学模型。通过实时监测煤层瓦斯抽采过程中值，并应用上述建立的数学模型获得煤层中瓦斯含量的变化，即煤层瓦斯抽采率的变化情况，从而获得通过抽采过程中瓦斯的变化对煤层瓦斯抽采效果的检验。该方法大大省去打钻孔所需的人力物力，操作方面，便捷有效。

Description

一种煤层瓦斯抽采效果检验的方法

技术领域

本发明的技术领域为矿业工程，涉及到煤矿安全生产，是一种高瓦斯与煤与瓦斯突出矿井的煤层瓦斯抽采效果检验的新方法。

背景技术

在高瓦斯与煤与瓦斯突出矿井，采用抽采煤层瓦斯的技术降低煤层中的瓦斯含量与瓦斯压力，以消除煤层煤与瓦斯突出危险性，保证煤层回采期间较低的瓦斯涌出量，有效的保证煤矿的安全开采。区域性防突措施为突出矿井的瓦斯防治的首要技术措施，规定区域措施不到位，不得进行采掘作业。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。目前，区域防突措施煤层瓦斯抽采效果的评价采用煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量作为主要评价指标，而煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量的参数通过实际的直接测定获得，需要对瓦斯抽采区域进行施工钻孔取样进行残余瓦斯含量测定或进行残余瓦斯压力测定，该方法通过布置检测点向抽采区域施工钻孔进行抽采效果评价，测定分析时间一般不少于10天，周期较长、所需人力物力较大、测量数据受现场施工和煤层条件影响较大。因此煤矿瓦斯的抽采效果的检验方法还有待补充完善。

发明内容

针对已有技术的不足之处，本发明提供一种更为方面、便捷、准确的煤矿瓦斯抽采效果检验的方法。

该方法根据瓦斯抽采过程中，CH₄碳同位素的分馏效应，建立起解吸时间与值、瓦斯的解吸率与关系；根据井下瓦斯抽采区域不同时间点的对照建立起的数学模型进行瓦斯抽采效果检验。建立起一种新的煤层瓦斯抽采效果检验方法，指导煤矿的瓦斯抽采工作。

原始煤层瓦斯抽采过程中，由于瓦斯发生解吸-扩散作用。¹²CH₄的极性弱于¹³CH₄，¹²CH₄优先解吸，以及¹²CH₄与¹³CH₄在煤体孔隙扩散过程中的不同的动力学过程，导致发生同位素的分馏效应，即先解吸出来的值相对较轻，而后期解吸出来的值偏重。值随解吸时间延长，是一个指数变重的过程，解吸时间与值呈对数关系，如图1所示。而且值变重同样可以分为前期的急剧变重阶段和后期的平缓变重阶段，这与煤解吸过程的阶段性一致。

随着煤解吸率的增大，CH₄碳同位素逐渐变重，如图2所示，而且CH₄碳同位素与解吸率呈良好的正相关关系。解吸率是衡量煤层瓦斯解吸效率的重要指标。在瓦斯含量高、瓦斯储量大的条件下,解吸率大，表明瓦斯的抽采周期长。随着煤层瓦斯抽采的进行，瓦斯发生碳同位素分馏效应，不断变重。

根据煤矿瓦斯的抽采情况，进行定期对抽采的CH₄浓度与进行监测，得到随着抽采时间的进行，的变化规律。随着可解吸瓦斯的不断解吸，随着抽采进行瓦斯抽采率不断提高，可以得到瓦斯抽采率与的变化关系，结合现场的测定的不同时间点瓦斯解吸量与值，并根据直接法瓦斯含量测定结果计算不同时间点的瓦斯解吸率，从而建立瓦斯抽采率随时间的线性关系，确定在瓦斯抽采率达到一定程度所对应的通过对抽采系统中不同时间段监测，对比建立的与抽采时间、瓦斯解吸率的关系，进行瓦斯抽采效果的检验。

附图说明

图1是本发明实施例解吸时间与值的关系图；

图2是本发明实施例CH₄解吸率与对应变化关系图；

图3是本发明实施例的实验设备结构示意图。

图中：1-煤样罐，2-三通阀门，3-流量计，4-集气室，5-阀门开关，6-同位素质谱仪，7-排水量筒，8-升降台，9-细口瓶，10-色谱仪。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步描述：

1)煤矿瓦斯气体的值可在实验室气体同位素质谱仪上进行测定，测定时间较短，最短可在30min内完成；

2)采用取芯钻进行采取煤样，取芯地点选在地质条件稳定并且未受采动影响的煤层，时间尽可能的短，选取较完整的煤芯快速的装入煤样罐进行煤样的解吸测定，解吸前5min，每隔10-20s取一次气样进行值测定，并记录每次解吸出来的气量和解吸时间；解吸5min后，每隔50-60s，采取一次气样进行值测定，并记录每次解吸出来的气量和时间，直至煤层瓦斯解吸量小于0.01mL/min为止，在CH₄解吸的不同时间点，测定解吸气体的解吸量与值，解吸的时间尽可能的长，以确保煤样中的可解吸瓦斯的完全解吸。根据以上得到的数据，建立解吸时间与值、瓦斯的解吸率与对应关系，其中瓦斯的解吸率为不同时间点测定时的累计解吸总体积除以总的瓦斯含量；

实验室具体测定方法所用的实验设备结构如附图3所示，具体步骤如下：

A、将原始预抽煤层所取的煤样，在最少的时间内，选取较为完整的煤芯快速的装入大型煤样罐1中，并快速密封带入实验室；

B、将大型煤样罐如附图3所示连接，打开三通阀门2，让煤样罐和排水量筒相通，记录排水量筒初始值；

C、打开大型煤样罐阀门开关，煤样开始解吸，当解吸稳定后，旋转第一个三通阀门和阀门开关5，使煤样罐和集气室4相通，流量计会记录进入集气室的瓦斯量(瓦斯量不要过多)，并记录时间，同时测定此时解吸气体的解吸量；

D、打开集气室和同位素质谱仪间的阀门开关5，测试解吸气体中的值；

E、集气室气体收集结束后立即旋转第一个三通阀门，使煤样罐和排水量筒相通，继续解吸实验；

F、以后每间隔一定时间重复上述步骤C、D、E，间隔时间随煤样解吸的进行适当逐渐延长，直至煤样中的瓦斯完全解吸；

G、待煤样中的瓦斯完全解吸后，测定所有解吸气体的解吸量，并旋转第二个三通阀门，使排水量筒和色谱仪相通，检测解吸气体的气体成分；

H、根据解吸气体的气体成分以及所占比重，测定不同时间点对应的解吸瓦斯量以及解吸瓦斯总量。

I、整理数据，建立解吸时间与值的关系式，如下：

其中A、B由实验室测定获得拟合系数，t为瓦斯解吸时间，单位：d；为对应时间t时测定的抽采瓦斯同位素值。

瓦斯的解吸率与对应关系如下：

其中a、b由实验室测定获得拟合系数，η为瓦斯解吸率，％；为对应η时测定的抽采瓦斯同位素值，如图1和2所示。

3)在进行瓦斯抽采的区域采取气样进行分析，根据抽采系统的布置情况，必须保证取气样抽采管路抽采待考察区域瓦斯，不能与其他抽采区域的瓦斯相混合，可在抽采系统的管路或钻场汇流处采取气样测定值，取样的时间间隔为10～15天/次；

4)根据抽采系统中不同时间的值的变化，对照步骤2)中建立的解吸时间与值、CH₄解吸率与的关系，从而预测瓦斯需要的抽采时间，检验抽采瓦斯已达到的程度。

Claims (3)

1.一种煤层瓦斯抽采效果检验的方法，包括测量抽采煤层中的解吸量、值，建立瓦斯解吸时间与值变化的关系曲线和瓦斯解吸率与值的对应关系曲线，从而预测瓦斯需要的抽采时间，检验抽采瓦斯已达到的程度。

2.根据权利要求1所述的检验方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)利用搭建的实验室测试系统，首先通过钻孔取芯方法获得原始含瓦斯煤样，并迅速的将煤样装入解吸罐中进行煤样的瓦斯解吸试验，对于CH₄解吸的不同时间点，测定解吸气体的解吸量与值，以及解吸的瓦斯总量；

(2)根据步骤(1)得到的实验结果，分别建立瓦斯解吸时间与值变化的关系曲线，根据得到的每次瓦斯解吸量以及解吸的累计量，除以煤层瓦斯原始含量，得到煤层瓦斯的解吸率，然后建立煤层瓦斯解吸率与值的对应关系，并根据上述两个对应的关系曲线，判断出瓦斯涌出由游离态向吸附态转变的值；

(3)在煤矿井下瓦斯抽采过程中，可以通过抽采钻孔、抽采钻场或抽采管路中采集气样，通过质谱仪进行测试获得瓦斯气样的值，根据步骤(2)中得到瓦斯解吸时间与值变化的关系曲线判别瓦斯抽采过程中游离态的转变点，对应瓦斯解吸率与值的关系，得到煤层瓦斯抽采程度，即瓦斯抽采率和残余瓦斯含量的实时的变化情况，从而实现通过检测抽采瓦斯的值的变化实现对瓦斯抽采效果检验。

3.根据权利要求2所述的检验方法，其特征在于，所述步骤(1)中，解吸前5min，每隔10-20s取一次气样进行值测定，并记录每次解吸出来的气量和解吸时间；解吸5min后，每隔50-60s，采取一次气样进行值测定，并记录每次解吸出来的气量和时间，直至煤层瓦斯解吸量小于0.01mL/min为止。