CN111337388A - 一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法，涉及煤层瓦斯基础参数测定技术领域，本发明能够准确方便快捷地测定煤层原始瓦斯含量。主要方法包括以下步骤：a、现场取样；b、实验室煤样工业分析；c、实验室煤样瓦斯扩散实验；d、球状煤粒动扩散系数新模型拟合煤样瓦斯扩散率曲线；e、现场解吸测试；f、计算煤样原始瓦斯含量。此方法不同于以往方法，避免了运用解吸模型推算误差导致的瓦斯含量测定误差，且无需进行计算瓦斯残存量，也不需要考虑瓦斯损失量。本发明测定过程简单易行，测定时间短，适用于测定各种复杂地质条件下、各变质程度煤层的原始瓦斯含量。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯灾害治理、煤层瓦斯基础参数测定技术领域，尤其涉及一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层原始瓦斯含量的方法。
背景技术
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。2009年，煤层瓦斯含量作为区域突出危险性预测及区域防突措施效果检验的主要指标被写进了《防治煤与瓦斯突出规定》，更是突出了煤层瓦斯含量测定在煤矿生产过程中的重要性。因此，煤层瓦斯含量测定结果的可靠性和准确性显得尤为重要。目前我国煤层原始瓦斯含量测定方法主要有直接方法和间接方法。其中，间接方法比较复杂，该法存在煤层原始瓦斯压力测定工艺复杂、测定周期长、成功率低、成本较高等缺点，无法适应我国复杂地质条件下的煤层瓦斯含量测定；直接方法多是利用钻孔取样，将煤层瓦斯含量分为取样过程中瓦斯损失量、现场解吸量和残存量三个部分。该方法受限于瓦斯损失量需要通过井下解吸数据回归获得，且需要有专业设备进行瓦斯残存量测定，而且井下直接测定方法一般需要较长时间方可获得测定结果。总而言之，这两种方法在某种程度上均存在一定的局限性，对各种不同特性煤层适应性较差。本发明为了解决现有技术中的不足之处,提供一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层原始瓦斯含量的方法,该方法能够准确方便快捷的测出煤层原始瓦斯含量。此方法既避免了运用解吸模型推算误差导致的瓦斯含量测定误差，又不需要进行计算瓦斯残存量，也不需要考虑瓦斯损失量，所需设备简单，方法更为方便，适用于测定各种复杂地质条件下、各变质程度煤层的原始瓦斯含量。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处,提供一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层原始瓦斯含量的方法。该方法测定过程简单易行，测定时间短，测定数值快捷准确。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案：基于扩散率曲线差减法快速确定煤层瓦斯含量的方法,包括以下步骤：
a、现场取样；
b、实验室煤样工业分析；
c、实验室煤样瓦斯扩散实验；
d、实验数据拟合煤样瓦斯扩散率曲线；
e、现场解吸测试；
f、计算煤样原始瓦斯含量。
步骤a的具体过程为：在待测定煤层瓦斯含量的地点进行钻孔取样，要求所取煤样无矸石、以块状为主，为了防止煤样的氧化，煤样需用密封袋封装运输送至实验室。
步骤b的具体过程为：严格依照《煤的工业分析方法》GB/T212-2008对煤样进行工业分析，测出煤的四项重要指标值。
步骤c的具体过程为：首先采用铁锤或用颚式破碎机将原煤样破碎；然后将经破碎的小颗粒煤样用标准筛进行筛分；筛分加工成实验所需粒径的煤样；并且为了排除水分的影响，将粉碎后的煤样置于105℃的马弗炉中干燥6h后置入玻璃容器密封以待实验使用。实验系统采用自主研制的煤粒瓦斯扩散实验系统，该系统主要是由真空脱气单元、高压充气单元、吸附平衡单元、温度控制单元和瓦斯扩散测量单元五部分组成。
步骤d的具体过程为：
(1)首先可计算出煤样极限瓦斯扩散量Q∞；极限扩散量Q∞为初始含气量Q与大气压下的终态含气量Qa差值，其中实验条件下的Q，Qa均按下式计算
式中，Q为初始总瓦斯含量，cm3/g；a、b为可燃基吸附常数，p为吸附平衡压力，MPa；Ad为干燥基灰分，％；ρ为煤视密度，g/cm3；
为孔隙率；tw为吸附平衡温度，℃
计算大气压下的终态平衡含气量Qa时，以大气压代替上式中的压力p
(2)实验条件下，扩散率按照Qt/Q∞计算，然后基于动扩散系数新模型拟合出扩散率随时间变化曲线，新模型如下式所示
步骤e的具体过程为：在待测定煤层瓦斯含量的地点进行钻孔取样，在钻孔钻至煤层开始见煤时开始计时，称重后装入带有压力表的煤样罐中，煤样质量为G，并利用传统井下解吸仪进行现场解吸测试，记录现场解吸测试开始进行时的时间为t1，开始瓦斯解吸测定后，记录时间点为t2，同时读取t1至t2时间段内煤样的瓦斯解吸量为Q测。
步骤f的具体过程为：通过查阅煤粒瓦斯扩散率随时间变化曲线，可查知：现场解吸测试开始t1时刻的扩散率为α1，t2时刻的扩散率为α2，
现场解吸煤样的瓦斯含量可通过下式计算：
Q＝Q∞+Qa
采用上述技术方案,本发明基于球状煤粒动扩散系数新模型，可利用任一可知压力下某一煤样扩散率变化曲线，通过查询扩散率曲线，对应某一时间段下的扩散率变化值，再根据现场解吸量可推算煤层原始瓦斯含量。此方法不需要选取解吸模型推算取样过程中瓦斯损失量，且不需要进行残存量测定。
本发明能够准确方便的测得煤层原始瓦斯含量。此方法避免了解吸模型推算误差导致的瓦斯含量测定误差,且不需要进行残存量测定,所需设备简单,方法更为方便。适用于测定各种复杂地质条件下、各变质程度煤层的原始瓦斯含量，适应性较强。
附图说明
图1是本发明方法中自主研制的煤粒瓦斯扩散实验装置原理图。
图2是某煤样瓦斯扩散率随时间变化曲线图。
图3是某煤样基于球状煤粒动扩散系数新模型瓦斯扩散率拟合曲线图。
图中附图1标记为：1、甲烷瓶；2、充气罐；3、恒温水浴；4、煤样罐； 5、复合真空计；6、真空泵；7、解吸仪；8、9、10、压力表；a、b、c、d、e、 f、g、阀门；h、玻璃三通阀。
具体实施方式
为使本领域技术人员详细了解本发明的生产工艺和技术效果,下面以具体的生产实例来进一步介绍本发明的应用和技术效果。
步骤一：现场取样
在待测定煤层瓦斯含量的地点进行钻孔取样，要求所取煤样无矸石、以块状煤为主，实验煤样取自河南焦煤集团九里山矿，用密封袋封装运输送至实验室。
步骤二：实验室煤样工业分析
严格依照《煤的工业分析方法》GB/T212-2008对煤样进行工业分析，测出煤样重要特征参数，如下表所示
表1煤样特征参数
步骤三：实验室煤样瓦斯扩散实验
扩散实验具体实验方法为：(1)煤样准备(2)设备气密性检查(3)煤样真空脱气(4)充气吸附平衡(5)瓦斯扩散数据测定(6)数据处理。
步骤四：动扩散系数新模型拟合煤样瓦斯扩散率曲线
继而带入吸附平衡压力为2.0MPa，标准大气压力值0.1MPa，可得其瓦斯含量分别为14.51m3/g、1.71m3/g，继而得到吸附平衡压力2.0MPa下极限扩散量Q∞为 12.79m3/g。并且将1-3mm粒径煤在30℃温度和2.0MPa压力条件下的扩散率数据处理如图2所示；
运用动扩散系数新模型计算初始扩散系数D0与β值，可知，初始扩散系数D0值为0.73cm2·s-1，β值为4.43s-1，且对该煤样扩散率数据进行模型拟合，拟合精度高，如图3所示。
步骤五：现场解吸测试
在待测定煤层瓦斯含量的地点进行钻孔取样,在钻孔钻至煤层时开始计时。称重后装入带有压力表的煤样罐中，称取煤样质量为350g。然后利用传统井下解吸仪进行现场解吸测试，记录此时时刻为10min，开始瓦斯解吸测定后，再次记录此时时间为25min，同时读取此15分钟内煤样的瓦斯解吸量为128ml。经过查阅上图3可知：10min时的瓦斯扩散率为0.220，25min时的瓦斯扩散率为0.309。
步骤六：计算煤样原始瓦斯含量
现场解吸煤样的瓦斯含量可通过下式进行计算：
Q＝Q∞+Qa＝4.11+1.71＝5.819ml/g＝5.819m3/t
则取样地点煤层瓦斯含量为5.819m3/t。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构、方向等作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
a、现场取样；
b、实验室煤样工业分析；
c、实验室煤样瓦斯扩散实验；
d、基于球状煤粒动扩散系数新模型拟合煤样瓦斯扩散率曲线；
e、现场解吸测试；
f、计算煤样原始瓦斯含量。
2.根据权利要求1所述的基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于：步骤a的具体过程为：在待测定煤层瓦斯含量的地点进行钻孔取样，要求所取煤样无矸石、以块状为主，并且为了防止煤样的氧化，煤样需用密封袋封装运输送至实验室；步骤b的具体过程为：严格依照《煤的工业分析方法》GB/T212-2008对煤样进行工业分析，测出煤的四项重要指标值；步骤c的具体过程为：首先采用铁锤或用颚式破碎机将原煤样破碎；然后将经破碎的小颗粒煤样用标准筛进行筛分；筛分加工成实验所需粒径的煤样，且为了排除水分的影响，将粉碎后的煤样置于105℃的马弗炉中干燥6h后置入玻璃容器密封以待实验使用，实验系统采用自主研制的煤粒瓦斯扩散实验系统，该系统主要是由真空脱气单元、高压充气单元、吸附平衡单元、温度控制单元和瓦斯扩散测量单元五部分组成，实验装置原理图如图1所示。
3.根据权利要求1所述的基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于：步骤d的具体过程为：
(1)首先可计算出煤样极限瓦斯扩散量Q∞；极限扩散量Q∞为初始含气量Q与大气压下的终态含气量Qa差值，其中实验条件下的Q，Qa均按下式计算
式中，Q为初始总瓦斯含量，cm3/g；a、b为可燃基吸附常数，p为吸附平衡压力，MPa；Ad为干燥基灰分，％；ρ为煤视密度，g/cm3；
为孔隙率；tw为吸附平衡温度，℃；
计算大气压下的终态平衡含气量Qa时，以大气压代替上式中的压力p；
(2)实验条件下，扩散率按照Qt/Q∞计算，然后基于动扩散系数新模型拟合出扩散率随时间变化曲线,数学模型如下式所示
4.根据权利要求1所述的基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于：步骤e的具体过程为：在待测定煤层瓦斯含量的地点进行钻孔取样，在钻孔钻至煤层开始见煤时开始计时，将煤样称重后装入带有压力表的煤样罐中，称取所装煤样质量为G；利用传统井下解吸仪进行现场解吸测试，记录现场解吸测试开始进行时的时间为t1，开始瓦斯解吸测定后，记录时间点为t2，同时读取t1至t2时间段内煤样的瓦斯解吸量为Q测。
5.根据权利要求1所述的基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于：步骤f的具体过程为：通过查阅煤粒瓦斯扩散率随时间变化曲线图3，可查知：现场解吸测试过程中t1时刻的扩散率为α1，t2时刻的扩散率为α2。
6.现场解吸煤样的原始瓦斯含量可通过下式计算：
Q＝Q∞+Qa
所得瓦斯含量值Q即为取样地点煤层原始瓦斯含量。
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