蔡园煤矿12煤瓦斯压力及含量研究.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 2 年第6 期 总第1 1 1 期 蔡园煤矿 l 2 煤瓦斯压力及含量研究 薛光强 ， 孙洪华 ( 济宁市蔡园生建煤矿。山东 微山2 7 7 6 0 6 ) 摘要采用两个充高压液体的胶囊封孔，同时在两个胶囊之间充入具有一定压力的 粘液，并保持粘液的压力始终高于测压室的瓦斯压力，粘液在压力作用下渗入钻孔周边裂 隙， 杜绝瓦斯的泄漏 ， 从 而使测 出的瓦斯压力值接近煤层真 实的瓦斯压力以及 测算 出瓦斯含 量， 为合理安排 生产、 实现矿 井的安全、 高效生产提供技术依据。 关键词 瓦斯压力；瓦斯含 量 中图分类号： T D 7 1 2 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 0 7 9 7 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 4 8 0 3 1 矿井概况 济宁市蔡园生建煤矿位于山东省微山县欢城镇 蔡园管区， 井田位于滕南煤 田西部。 北以程楼断层为 界 ， 东以 田岗断层 、 珠梅集断层为界与枣庄矿业集团 柴里煤矿为邻 ， 西、 南部以太原组煤 1 7 露头线为界。 井田东西长约 3 6 k in， 南北宽约 2 3 k m， 井田面积约 6 2 1 71 k m 。 矿井始建于 1 9 7 5 年 1 0月， 1 9 8 2 年 9 月建成投 产， 2 0 0 6 年矿井生产能力核定 4 2 万 。 矿井累计查 明资源储量 3 8 3 2 0 万 t ，其中可采储量 1 2 7 4 4 万 t ， 基础储量 1 9 3 8 3万 t ， 资源量 1 8 9 3 7万 t 。矿井采用 立井单水平分 区式开拓方式 。一 1 4 0 m大巷为主要 开 拓水平大巷。现主采煤层为 3 上、 3 下两个煤层， 采 煤方法为缓倾斜厚煤层走向长壁倾斜分层下行采煤 方法 ， 回采工艺为炮采。 依据有关规定 ，新揭露煤层前必须对该煤层的 瓦斯压力 、 瓦斯含量、 瓦斯释放速度等基础瓦斯参数 进行测定。 通过测定 1 2 # 煤层瓦斯基础参数 ， 能够初 步了解该煤层的瓦斯含量、瓦斯涌出量、突出危险 性，以便掌握矿井的瓦斯赋存规律，为合理安排生 产 、 实现矿井的安全、 高效生产提供技术依据。其中 瓦斯基本参数包括： 1 2 #煤层的瓦斯压力、 1 2 #煤层 透气性系数 、 2 # 煤层瓦斯放散初速度P 、 1 2 #煤层 瓦斯吸附常数 a 、 b值 、 1 2 #煤层煤体的坚固性系数 f 、 1 2 # 煤层煤样孔隙结构 、孔隙率、 1 2 #煤层构造煤 破坏类型鉴定以及 1 2 # 煤层瓦斯含量。 2 1 2煤瓦斯基础参数测定 2 1 1 2 #煤层瓦斯压力测定 煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气 体压力 ， 即气体作用于孔隙壁的压力。 煤层瓦斯压力 是研究煤层瓦斯流动和涌出的基本参数，也是煤与 瓦斯突出的动力之一。煤层瓦斯压力的大小决定了 煤层瓦斯含量的多少 、瓦斯流动动力的高低以及瓦 斯动力现象的瓦斯潜能大小。准确测定瓦斯压力对 矿井有效而合理地制定防治瓦斯的措施 、预测预报 煤与瓦斯突出危险性 、合理制定防突措施等均具有 十分重要 的意义。 中国矿业大学周世宁院士提 出了胶囊 一压力粘 液封孔测定煤层瓦斯压力技术。 其基本原理是： 固体 封液体 ， 液体封气体。即在进行钻孔的封孔测压时， 采用两个充高压液体的胶囊封孑 L ，同时在两个胶囊 之间充入具有一定压力的粘液 ，并保持粘液的压力 始终高于测压室的瓦斯压力 ，粘液在压力作用下渗 入钻孔周边裂隙， 杜绝瓦斯的泄漏， 从而使测出的瓦 斯压力值接近煤层真实的瓦斯压力 。 本次 测定即采用 目前 国内外较先进 的 M一型 胶囊 一 压力粘液封孔技术测定煤层瓦斯压力。为使 测出的瓦斯压力值能代表煤层的原始瓦斯压力， 要 求测压地点应尽可能选在不受断层影响以及裂隙不 发育的地 区。 2 1 1 M一型瓦斯压力测定仪的原理及操作步骤 M 一 型瓦斯压力测定仪的结构示意图见图 1 。 其 主要组成部分为： 第一胶囊 、 乳化液管 、 粘液管、 第二 胶囊 、 瓦斯管及压力表、 手动乳化液泵、 手动粘液泵 等。手动乳化液泵将乳化液压入第一和第二胶囊， 使 胶囊膨胀 ， 密封钻孔 ； 手动粘液泵将粘液压人两个胶 囊之间， 并向钻孔周边裂隙渗透， 加强密封效果。 瓦斯 压力表显示瓦斯压力值。M 一 型瓦斯压力测定仪是 目前较先进的封孔、 测压仪器 ， 为了保证该仪器的正 确和安全使用， 在使用过程中应遵守如下操作规程： 乳化液管 乳化液管 瓦斯霄 瓦斯警 二 三 三 二 垂 1 工 二 口 二 二 ：( 斯 a c 带 过 滤 ， 图 1 M一型瓦 斯压力测定 仪结构图 在井下正式测试之前 ，需在地面模拟钻孔中做 4 8 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第6 期 塑 耐压试验 ，试验压力应高于井下瓦斯压力 0 5 1 O M P a 。在地面试验中应认真观察整个测试系统是 否可靠， 发现情况异常或泄漏应及时查明原因， 并予 以排除； 重点应保证胶囊充水后能及时膨胀 ， 并且不 漏水，以确保整个测试系统在井下安全可靠以及测 定的数据准确 。 选择合适的测压地点， 尽量垂直于煤层打钻， 钻 孔直径小于 8 0 m m； 否则 ， 测压时会造成胶囊过度膨 胀 ， 易使胶囊破裂。 当钻孔接近煤层后， 停止钻进， 待 测压人员到达现场后， 恢复钻进。 向胶囊内压入的乳化液必须经过过滤，且杂质 粒度应小于 1 m m，以防管路堵塞。乳化液配比为： 5 油 ， 9 5 水。 测压人员可事先在巷道内将封孔器装配好 ， 待 钻孔完工后， 清除孔底钻屑， 以提高密封效果， 然后 立即将封孔器送入钻孔 。 及时封孔可缩短测量时间。 将测压仪放入钻孔预定位置后，利用手动乳化 液泵将乳化液压力加至 2 O M P a 左右， 然后检查胶囊 是否膨胀并封住钻孑 L ，检查时可用手拉一拉乳化液 管 ， 观察胶囊是否松动。倘若松动， 则说明胶囊未膨 胀 ， 应先放出乳化液卸压， 然后检查管路是否发生阻 塞，并及时排除，确保胶囊及管路通畅之后方可使 用。 在测试中， 胶囊内乳化液压力应高于预计瓦斯压 力 1 5 MP a 左右 。 稍后，用粘液泵将粘液压人两个胶囊之间的钻 孔封孔段 ，并使粘 液压力高 于瓦斯压力 0 3 0 5 M P a 。为了加速瓦斯压力的上升， 缩短测压时间， 可向测压室充人高压氮气或二氧化碳气体。 、狈 4 压仪安装完备后，应将测压仪钢管用卡环固 定在专用立柱上， 以防测压时突然抛出。 这一点很重 要， 因为胶囊反复使用后可能产生泄漏， 使乳化液压 力突然下降， 如果没有固定测压仪的立柱， 测压仪可 能在瓦斯压力下突然抛 出， 造成事故。 封孔 以后 ， 要定时观察和记录瓦斯压力 、 粘液压 力和乳化液压力。如乳化液压力下降， 应用泵增压 ， 保证乳化液压力高于瓦斯压力 1 5 M P a ， 粘液压力高 于瓦斯压力 0 3 0 5 MP a 。 如瓦斯压力连续 3天无变 化 ， 则可认为这个稳定的压力值就是煤层瓦斯压力。 测压结束后， 可以回收测压仪。注意： 测压仪回 收时 ， 要严格按照操作程序进行 ， 先释放瓦斯 ， 再泄 粘液， 最后泄乳化液， 以免出现危险。具体操作步骤 如下 ： 首先打开瓦斯压力表的阀门，将钻孑 L 中的瓦斯 放出。 然后将手动粘液泵的卸压阀逆时针缓慢拧松， 等粘液流出， 直至粘液压力为 0 。 再将手动乳化液泵 的保险阀打开， 将卸压阀逆时针缓慢拧松 ， 直至乳化 4 9 液压力为 0 。最后将测压仪从钻孔中取出，拆卸装 箱。 测压仪使用完后应及时清理， 并擦干测压仪各部 件， 以防生锈。 2 1 2 测压钻孔设计参数 测压钻孔设计参数如表 1 所示 。 表 1 测压钻孑 L 设计参数 l # 、 2 # 孔测压钻孔设计参数如图 2 所示。 图 2 l # 、 2 样钻孔设计图 2 1 3 瓦斯 压 力 测定 结果 2 1 2 1 钻孔瓦斯压力上升曲线 定时瑚 C a ) 图 3 五采轨道大巷 点。 1 #孑 L 1 2下煤层瓦斯压力测定曲线 | 2 定对傩 t d ) 图4 五采轨道大巷 1 0 点。 2 #孔 1 2下煤层瓦斯压力测定曲线 潮定时髑 f d ) 图 5 5 2 0 1 运输巷 9 #点前 6 3 m， 3 #孔 1 2下煤层瓦斯压力测 定曲线 挖 加 * 佗 O O 矗 O O O 尊R鸳 簟 挂 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第6 期 总第1 1 1 期 2 1 2 2 瓦斯压力测定结果 表 2 1 2 #煤层 瓦斯 压力测定 结果汇总表 3 #孔 。 运 点前l 2 # - 1 1 7 0 0 + 3 3 5 1 3 5 0 0 2 o 1 2 ojm 3 1 2 #煤层瓦斯含量测定 煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量与瓦斯涌出量的 基础， 是煤层瓦斯的重要参数之一； 所以， 准确测定 煤层瓦斯含量是很重要 的。煤层瓦斯含量 的测定方 法较多， 主要有勘探钻孔煤芯解吸法、 工作面钻孔煤 屑解吸法、 瓦斯含量系数法以及高压吸附法。 其中高 压吸附法是常用 的实验室测定方法之一 。 煤层瓦斯含量的测算可通过采集新鲜煤样 ， 先 进行工业性分析，然后进行瓦斯含量的测定与计算 等步骤来完成。 3 1 1 2 #煤层煤的工业分析 煤的工业成份直接影响着煤层瓦斯含量的计 算 ； 因此 ， 在预测煤层瓦斯含量时 ， 应对煤的组分进 行工业性分析 。 1 2 #煤层的工业分析测定结果如表 3 所示 。 表 3 煤样工业组分测定结果 3 2 1 2 #煤层瓦斯含量测算结果 利用吸附常数 a 、 b 值 、工业分析结果和煤层瓦 斯压力值就可计算煤层瓦斯含量。煤层瓦斯含量包 括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量 。 煤的游离瓦斯含量， 按气体状态方程求得 ： YV P T 0 厂 式中： V为单位重量煤的孔隙容积， m 3 t ； 孔隙容积 L ， 一、 、 分别为煤样的假密度和真密度； h P为瓦斯 压力 ， MP a ； T o 、 P o 为标 准状况下绝 对温度 ( 2 7 3 K)与压力 ( 0 1 0 1 3 2 5 MP a ) ； T为瓦斯绝对温度 ( K ) ； 为瓦斯压缩系数； X y 为煤的游离瓦斯含量 ， n l ， ( 标准状态下 ) t ( 煤 ) 。 煤的吸附瓦斯含量，按朗格谬尔方程计算并考 虑煤中水分、 可燃物百分比、 温度影响系数， 由此， 煤 的吸附瓦斯量为 ： x x ： = e ( 1 0 0 一 A W) 1 0 0 ( 2 ) 式 中： a 、 b为吸附常数 ； p 为绝对瓦斯压力 ， MP a ； t o 为 实验室测定煤的吸附常数时的实验温度 ， ； 浴槽温 度 to = 3 0 C ； t 一煤层温度 ， o C； n为系数 ，按下式确 定 ： n = 可 0 0 丽 2 ； A 、w为煤中得灰分和水分， ； x x 为煤的吸附瓦斯含量， m ， ( 标准状态下) l ( 煤 ) 。 煤的瓦斯含量，等于游离瓦斯与吸附瓦斯含量 之和 ： X = X x + X y ( 3 ) 利用以上公式计算 3 下煤层的瓦斯含量如表4 。 表 4 1 2 #煤层瓦斯含量测算表 4 主要结论 经过对我矿 1 2 #煤层 瓦斯压力进行 了现场测试 和实验室测定 ， 得出了以下主要结论： 现场测得 1 2 #煤层瓦斯 瓦斯 压力为 ： 0 1 1 - 0 1 2 MP a ； 详见表 5 。 表 5 1 2 #煤层瓦斯压 力测定结果 汇总表 点 。 1 # L 五采轨道大巷 9 #点 1 2 # 一 1 2 3 0 0 + 3 3 5 1 8 0 0 叭 0 1 1 2 #孔五采轨道大巷 1 0 #点1 2 # 一 1 2 3 8 0 + 3 3 5 1 3 0 0 0 1 0 1 1 3 #孔 。 运 #点前1 2 # -1 1 7 0 0 + 3 3 5 1 3 l 5 0 0 2 0 1 2 ojnl ( 1 ) 1 2 #煤层瓦斯含量实测结果为 ： 0 5 3 6 0 5 8 1 m 3 t ， 详见表 6 。 表 6 1 2 #煤层瓦斯含量测算表 祭 地 点 总(m能3t) 通过测定 1 2 # 煤层瓦斯压力 ， 能够初步了解了该 煤层的瓦斯含量 、 瓦斯涌出量 、 突出危险眭， 基本在开 采前掌握了本采区 1 2 煤的瓦斯赋存规律，为合理安 排生产、 实现矿井的安全、 高效生产提供技术依据。 参考文献： 【 1 张铁 岗矿井瓦斯综合治理技术 北京：煤炭工业出版 社 2 0 01 2 】 赵铁桥 煤矿瓦斯及其防治 化学工业出版社2 0 1 1 3 】 吴光亮 矿井煤层原始瓦斯含量分布规律分析 煤矿与技 术管理 2 0 1 0 ， ( 5 ) ( 收稿 日期： 2 0 1 2 1 0 2 5 ) 5 0