煤矿V煤层瓦斯基础参数测试技术研究报告.doc

分类号： 密级： UDC: 编号： 科学技术研究报告xx煤业有限公司x煤矿V煤层瓦斯基础参数测试xx煤业有限公司x煤矿x省煤炭科学研究院x年8月目 录1 矿区概况41.1矿井概况41.2井田地质情况51.3煤层赋存61.4矿井通风71.5开拓生产现状71.6瓦斯涌出现状82 煤层瓦斯基础参数测试92.1测试的主要内容92.2测试方法92.3瓦斯参数测试92.3.1煤层瓦斯压力测定92.3.2测压钻孔分析112.3.3煤样的实验室测定122.3.4煤层瓦斯含量测定122.3.5钻孔瓦斯流量及其衰减系数的测定162.3.6煤层透气性系数183 煤层瓦斯基础参数测定结果及分析203.1 煤层瓦斯基础参数测定结果203.2 成果分析20参考文献22附录：瓦斯参数实验室测试结果23附录：瓦斯含量实验室测试结果24xx煤业有限公司x煤矿煤层瓦斯基础参数测试1 矿区概况1.1矿井概况x煤矿原为乡集体企业，现转变为股份制企业。2008年10月矿井进行了技术改造。矿区面积1.3309km2。现保有储量88.8万吨，远景储量542.9万吨。开采水平-100+170m。可采煤层：5煤、6煤。属煤与瓦斯突出矿井，核定生产能力6万吨/年。该矿位于x市北西26公里处，行政区划隶属苏仙区栖凤渡镇凉源村管辖。地理坐标为东经11256321125731，北纬260007260126。矿区交通以公路为主，有3km简易公路与107国道相连，往南23km至x城区，与京广铁路相连，交通较为便利。图1-1-1 交通位置图1.2井田地质情况一、地 层矿山内出露地层由新至老为：三叠系下统大冶组（T1d）、二叠系上统大隆组（P2d）、龙潭组上段（P2l2）、龙潭组下段（P2l1）。由新至老简述如下：（1）三叠系下统大冶组（T1d）上部以薄层状灰岩为主，夹有黄色砂质泥岩，下部为灰色泥岩和绿灰色泥灰岩，厚0200m，平均厚125m。二叠系上统大隆组（P2d）灰黑色薄层状硅质灰岩，脆性，菱形解理较发育，间夹硅质泥岩和泥灰岩，底部含一层菱铁质结核，产菊石化石。厚0200m，平均厚125m。（2）二叠系上统龙潭组上段（P2l2）以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，构成四个沉积旋回为郴耒矿区主要含煤岩系。共含煤6层，其中5、6煤层为主要可采煤层；下部粉砂岩及砂质泥岩，深灰色、薄层状水平层理，夹扁球状菱铁质结核和“龟形”结核，产瓣鳃类化石及螺化石，“龟形”结核和螺化石泥岩为龙潭组上下段分界标志层。总厚约300m。（3）二叠系上统龙潭组下段（P2l1）上下部：黑灰、灰色、中厚层状硅质泥岩，夹灰色块状硅质灰岩，致密，富含锰铁质；中部灰色、黄灰色泥岩与砂质泥岩，层厚约70m。二、构 造（1）区域构造本矿井所属栖风渡勘探区处于高亭司白录观向斜西翼。在13至21勘探线间与之平行的南塘下向、背斜构造为白录观复式向斜西翼所伴生的褶皱构造，其褶曲方向呈北西3545展布，且主要影响-250m以下煤层。本勘探区5线以南的唐山背斜交正断层，由南东向北东方向延伸交于南塘下向、背斜，走向近南北向，倾角约30，落差约120m。（2）矿井构造矿山地层走向北西南东，倾向北东，倾角2633，平均30。总体构造为单斜构造形态。矿山南东边界出露唐山背正断层，断层走向近南北，倾向北东，倾角约30，落差约120m，对矿山开采影响不大。综上所述，矿井范围内构造属简单类型。 断层特征一览表 编号位置走向长度倾向倾角性质断距破坏煤层程度唐山背矿井中部SN NE30正断层120m不大1.3煤层赋存三、煤 层1、含煤地层街洞矿区龙潭组上段含煤地层含煤6层，自上而下依次为2、3、4、5、6、7煤层，该矿5、6煤层为可采煤层，其它煤层为不可采煤层。2、煤层特征1）5煤层钢灰色，半亮型至光亮型，玻璃光泽，具贝壳状断口，条带状结构，煤厚07.5m，平均1.16m，煤层结构较简单，属不稳定煤层。无伪顶，直接顶板岩性为黑色薄层状泥岩或砂质泥岩，底板为薄层状细砂岩或细砂岩与粉砂岩互层。2）6煤层厚度03.68m，平均1.31m，钢灰色，半亮半暗型，粉末状，胶结结构，半金属光泽，属极不稳定煤层，含夹矸14层，煤层结构复杂。伪顶，直接顶板岩性为黑色、薄层状夹菱铁质结核的泥岩，底板为薄层状细砂岩。可采煤层特征表煤层名称煤层厚度最小最大平均(m)倾角（）容重（t/m3）夹矸层数平均间距(m)稳定程度顶底板岩性523331.45031.2较稳定无伪顶，直接顶板岩性为黑色薄层状泥岩或砂质泥岩，夹菱铁质结核，产大量大羽羊齿等植物化石，为级顶板。底板为薄层状细砂岩或细砂岩与粉砂岩互层，厚度9.0m，无底鼓现象。626321.4014不稳定具00.4m伪顶，开采过程中随采随落。直接顶板岩性为黑色、薄层状夹菱铁质结核的泥岩，属级顶板。底板为薄层状细砂岩，较坚硬，无底鼓现象。四、煤 质可采煤层为5、6煤层。5煤层：煤厚07.5m，平均1.16m，煤层结构较简单；6煤层：厚度03.68m，平均1.31m，煤层结构较复杂，属不稳定煤层。本矿井范围内各煤层均为气肥煤。年生产能力为6万吨。1.4矿井通风 矿井采用中央并列通风，通风方式为抽出式通风、2台FBCDZNO14。电机功率245。矿井总进风量1500m3min。1.5开拓生产现状矿井开拓现状1、 矿井开拓： 矿井采用斜井开拓。设有主井、风井两个井筒。主斜井井口坐标：X=2877567.368、Y=38395512.395、Z=+167.725、方位角为186，落底标高-20.8m，倾角为29，斜长388.946m，净宽2.4m，净断面5.13m2，采用单钩串车提升，担负矿井提煤、提矸、下料、人员升降、管线敷设等功能；风井井口座标为：X=2877609.90、Y=38395494.00、Z=+161.54m，方位角210，落底标高为+21.7m，坡度为28，斜长297.867m，井筒宽2.2m，净断面4.53m2；。担负矿井回风、行人和安全出口等功能。主井采用绞车为JTP-1.61.2，串车提升。现生产水平为-20m、回风水平为+25m。现生产采区为21采区，采用走向短壁式采煤法，单体液压支柱配铰接顶梁支护顶板。运输大巷人力推车。-20m水平为我矿目前主要生产水平，采区有独立的运输系统、通风系统和排水系统。我矿采用走向短壁后退式采煤法开采，单体液压支柱配铰接梁支护，全部垮落法管理顶板，现有1个正规回采工作面，煤巷掘进当头2个，爆破落煤，人力拖运，人力装车。施工岩掘工作面3个，采用爆破落矸，人力装车，分别是-20北大巷、-20南大巷底板瓦斯预抽巷，0水平北回风巷。各掘进工作面都具有独立的通风、运输系统，生产系统完善。1.6瓦斯涌出现状1、瓦 斯根据x省煤炭管理局(湘煤安监函x172号)关于x年度煤矿瓦斯等级鉴定结果的批复，矿井相对瓦斯涌出量为34.56m3/t，绝对瓦斯涌出量为34.561.2m3/min，相对CO2涌出量为13.25m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。资源储量核实报告及其它地质报告，均未说明矿井瓦斯涌出梯度值，本设计按气肥煤经验值取为0.04m3/t/m。2、煤尘爆炸危险性根据中煤科工集团重庆研究院有限公司x年11月所作的矿井煤尘爆炸性鉴定报告，（报告编号C13x0228或C13x0229号），矿井5、6煤层均无煤尘爆炸危险性。3、煤的不易自燃发火倾向性根据x省煤安检测检验中心x年11月22日所作的矿井煤层不易自燃发火倾向性检验报告，（报告编号煤检字14628号），矿井5、6煤层均无不易自燃发火倾向性。4、地 温据x煤矿生产情况，本矿井煤系地层地温正常，矿井无热害。 2 煤层瓦斯基础参数测试2.1测试的主要内容根据x煤矿目前开拓布置现状，在-20m北大巷和-20m南底板预抽巷内施工穿层钻孔，在21采区0m水平煤巷掘进工作面施工顺层钻孔，并取相应的煤样测定并计算V煤层瓦斯基础参数，包括煤层瓦斯压力、瓦斯含量、透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数，以及煤的坚固性系数f、瓦斯放散初速度P、孔隙率、瓦斯吸附常数、工业分析指标等。2.2测试方法煤层瓦斯基础参数测试包括现场测试和实验室测试两部分。现场测定包括煤层瓦斯压力、瓦斯含量解吸量、钻孔自然瓦斯涌出量、采取煤样等工作；实验室测试包括煤的残存瓦斯含量、工业分析、瓦斯吸附常数、坚固性系数f、瓦斯放散初速度P以及煤的孔隙率等参数测试。煤层瓦斯参数测定的程序为： 首先在-20m北大巷和-20m南底板预抽巷中通过测压钻孔，实测煤层的原始瓦斯压力、钻孔瓦斯自然涌出量及钻孔瓦斯涌出衰减系数； 然后在实验室对煤样进行煤的工业分析，测定瓦斯吸附常数、煤的孔隙率、煤的瓦斯放散初速度、坚固性系数、钻孔瓦斯组分等参数； 最后在现场及实验室测定的基础上，通过分析、计算确定煤层的瓦斯含量、煤层透气性系数及钻孔瓦斯流量衰减系数。2.3瓦斯参数测试2.3.1煤层瓦斯压力测定根据测压地点应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围的原则，结合x煤矿实际情况，在-20m南大巷和-20m南底板预抽巷共测定4个煤层瓦斯压力，测压位置示意图见图2-1，钻孔参数见表2-1。图2-1 x煤矿测压钻孔布置图表2-1 测孔布置具体参数测孔编号地点开孔标高（m）方位角（）倾角（）见煤深度（m）-20-1#-20北大巷-2042242-20-2#-20北大巷-20332248-20-1#-20南预抽巷-20442344-20-2#-20南预抽巷-20442546备注：测压钻孔均穿过煤层进入顶（底）板0.5m。煤层原始瓦斯压力采用钻孔自然恢复测压法，测定方法及步骤如下：选择无地质构造、周围50m范围内煤体没有受到采动影响且隔离岩柱垂直厚度超过20m的岩巷，利用直径105mm钻头在指定位置开孔，开孔段长度2m；保持与开孔段同心的角度施工直径75mm的穿层钻孔穿透煤层全厚，进入顶（底）板0.5m；成孔后，在孔内安设测压管，用事先准备好的木头封住孔口，用注浆泵将搅拌好的水泥砂浆、膨胀剂、速凝剂的混合液缓慢注入孔内进行封孔，封孔深度为全岩孔段，如图2-2示；封孔材料经24小时凝固后，在测压导气管口安设截止阀和压力表进行测压；要求测压的头三天，每天记录一次压力表的读数，以后每两到三天记录一次压力表的读数，当压力表的压力指示值连续三次观测没有变化时，压力指示值加上当地大气压力即为煤层瓦斯压力值。图2-2 上向测压钻孔结构及封孔方式示意图2.3.2测压钻孔分析x煤矿在-20m北大巷和-20m南底板预抽巷共施工4个瓦斯压力测定钻孔，瓦斯压力测定情况均不正常。分析原因为：-20m北大巷两个测压钻孔穿煤只有1m，实际煤厚只有几十公分，煤层瓦斯赋存能力差，瓦斯压力小；在-2m南底板预抽巷钻孔封孔以后，压力未稳定之前，矿方在测压地点退后仅10m的地方放炮，造成震动，原本一周时间已经上升到0.6MPa的压力被破坏。故只有通过煤层瓦斯含量反算得到矿井瓦斯压力。2.3.3煤样的实验室测定 取样在新暴露煤壁采集约2kg的原始煤样。煤样采取后用密封性好的塑料袋封装，填写煤样标签，送x省煤安检测检验中心检测。 煤样测试方法及内容根据实验室测定标准对煤样进行实验室分析测试。实验室煤样测定内容为：煤的工业分析、瓦斯吸附常数、真（视）密度、孔隙率、瓦斯放散初速度、坚固性系数等。 测试结果煤样参数测试结果见表2-3。表2-3 x矿煤样参数测定结果表测试项目参数测定结果平均值煤的坚固性系数f0.30.3瓦斯放散初速度P1818吸附常数a（m3/t）28.4428.44吸附常数b（MPa-1）2.1542.154水分Mad（%）0.511.821.17灰分Ad（%）2.86.004.4挥发分Vdaf（%）6.557.687.12真密度TRD1.411.41视密度ARD1.341.34孔隙率F（%）4.964.962.3.4煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量是指煤层或岩层在自然条件下单位重量或单位体积所含的瓦斯量，一般用m3/t或m3/m3表示。 测定方法本次测定采用的是钻屑解吸法，井下钻屑解吸法测定原理是：井下采集新鲜原始煤样，实测煤样瓦斯解吸量，根据煤样瓦斯解吸规律推算取样过程煤样的损失瓦斯量，然后在实验室测定煤样的残存瓦斯量，最后根据煤样的取样损失瓦斯量、井下瓦斯解吸量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。井下钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的步骤如下：在掘进工作面新鲜暴露煤壁，用煤电钻垂直煤壁打一个42mm、深10m左右的钻孔，采集不小于12m处的煤样（或者通过穿层钻孔利用岩芯管取煤样）；将采集的新鲜煤样装罐并记录煤样装罐后开始解吸测定的时间t0，用瓦斯解吸速度测定仪（图2-3）测定不同时间t下的煤样累积瓦斯解吸总量，测定时间一般为2个小时，解吸测定停止后拧紧煤样罐（不漏气为原则）。损失量计算将不同解吸时间下测得数据按下式换算成标准状态下的体积：式中 V0i换算成标准状态下的解吸瓦斯体积，mL； Vi不同时间解吸瓦斯测定值，mL；Po大气压力，Pa；hw量管内水柱高度，mm；Pshw下饱和水蒸汽压力，Pa；tw量管内水温，。设煤样解吸测定前的暴露时间为t0，不同时间t下测得的Voi值所对应的解吸时间为t0+t；将测点(t0+t)0.5，Voi绘在坐标纸上，将直线延长与纵坐标轴相交，截距即为瓦斯损失量，该次测定过程损失量推算过程如图2-4所示。1量管 2水槽 3螺旋夹 4吸气球 5温度计6、8弹簧夹 7排水管 9排水管 10穿刺针头 11密封罐图2-3 瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图图2-4 煤屑解吸瓦斯速率与解吸时间的回归曲线将解吸测定后的煤样连同煤样罐送实验室测定煤样中的残存瓦斯量、水分、灰分和煤样重量。根据煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量及残存瓦斯量和煤样重量，求算煤样的瓦斯含量：式中 X煤样瓦斯含量，mL/g。V0换算成标准状态下的煤样在井下测得的瓦斯解吸总量，mL；V1换算成标准状态下的煤样取样过程损失瓦斯量，mL；V2换算成标准状态下的煤样残存瓦斯量，mL；G0煤样重量，g。 瓦斯含量测定结果利用上述方法，在115采区-70m水平煤巷掘进头通过施工顺层钻孔取煤屑对V煤层瓦斯含量进行了测定，测定结果如表2-4示。表2-4 x煤矿煤层瓦斯含量测定结果表 类别煤层瓦斯含量瓦斯含量系数m3/tm3/m3m3/ t.MPa1/2m3/ m3.MPa1/2V 15.6921.0612.6616.97 瓦斯压力/含量反算结果用朗格缪尔方程可以进行瓦斯压力/含量的相互换算，计算公式如下： （2-1）式中X煤层瓦斯含量，m3/t；P煤层绝对瓦斯压力，MPa；a吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；b吸附常数，MPa1；Mad煤中水分，%； Ad煤中灰分，%； 煤的容重（视密度），t/m3；煤的孔隙率，m3/m3。将各参数实验室测值代入计算公式，计算结果如表2-5示。表2-5 x煤矿煤层瓦斯压力/含量计算结果表 取样地点参数值-70水平煤掘巷a（m3/t）28.44b（MPa1）2.154Mad（%）1.17Ad（%）4.4( m3/m3)0.0496 (t/m3)1.34瓦斯压力（MPa）1.54瓦斯含量（m3/t）15.692.3.5钻孔瓦斯流量及其衰减系数的测定 测定方法表征钻孔自然瓦斯涌出特征的参数有两个，它们是钻孔自然初始瓦斯涌出强度和钻孔自然瓦斯流量衰减系数，其中钻孔瓦斯流量衰减系数是评价煤层瓦斯预抽难易程度的一个重要指标。和值是通过测定不同时间的钻孔自然瓦斯涌出量并按下式回归分析求得的： （2-2）式中 自排时间t时的钻孔自然瓦斯流量，m3/min；自排时间t=0时的钻孔自然瓦斯流量，m3/min；钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d-1；t钻孔自排瓦斯时间，d。对式（2-2）积分，可以得到任意时间t内钻孔自然瓦斯涌出总量： =即： （2-3）式中 时间t内钻孔自然瓦斯涌出总量，m3；钻孔极限瓦斯涌出量，m3。其余符号意义同前。和值的具体测定步骤为：在测压钻孔的压力稳定后卸除压力表，或者在新鲜的掘进煤巷施工顺层钻孔，排放瓦斯一到两个小时，安上流量计（或煤气表）测定钻孔的自然瓦斯流量，并测其随时间的变化值，直到数值变化较小或没有流量为止；根据测定结果，计算钻孔瓦斯流量衰减系数。 衰减系数测试结果本次测定选用-86m南底板预抽巷测压钻孔作为测试钻孔。钻孔瓦斯流量衰减系数结果见表2-6；钻孔瓦斯流量衰减曲线见图2-5、2-6。表2-6 钻孔瓦斯流量衰减系数结果表测试孔号钻孔瓦斯流量衰减系数（d1）百米钻孔瓦斯初始流量q0（L/min）百米钻孔极限瓦斯涌出量（m3）-20m水平1#测压孔0.3636116.53320.49-20m水平2#测压孔0.3606157.67437.24图2-5 -20南大巷-1#钻孔百米钻孔瓦斯流量随时间变化曲线图图2-6 -20南大巷-2#钻孔百米钻孔瓦斯流量随时间变化曲线图2.3.6煤层透气性系数煤层透气性系数是衡量煤层中瓦斯流动难易程度的重要指标，是评价煤层瓦斯能否实行预抽的基础参数。其物理意义是：在1m长煤体上，当压力平方差为1MPa2时，每日流过1m2煤层断面的瓦斯量（m3）。 测试方法目前，煤层透气性系数主要采用径向流量法计算获得，计算公式如表2-7：表2-7 径向流量法计算煤层透气性系数公式表 时间准数煤层透气性系数常数A常数B10-2111010102102103103105105107备注：表中F0时间准数，无因次。表中 P0煤层原始瓦斯压力（绝对压力），MPa；P1钻孔中的瓦斯压力，为0.1MPa；r1钻孔半径，m；煤层透气性系数，m2/(MPa2d)；q在排放瓦斯时间为t时的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/(m2d)，可由式q=Q/2r1L确定；Q在时间t时的钻孔总流量，m3/d；L钻孔有效煤孔长度，m，为钻孔内穿煤的长度；t从开始排放瓦斯到测量瓦斯流量q时的时间间隔，d；煤层瓦斯含量系数，m3/(m3MPa0.5)，； X煤层瓦斯含量，m3/m3；P计算煤层透气性系数地点的瓦斯压力，MPa。 透气性测试结果利用上述方法对x煤矿V煤层透气性系数进行计算，其计算结果如表2-8示。表2-8 x煤矿V煤层透气性测试结果测试孔号常数A常数B煤层透气性系数(m2/MPa2.d)验算F0-20m水平1#测压孔0.143688499.99350.469497234.7457-20m水平2#测压孔0.127723499.99350.410506205.2503表2-9 煤层瓦斯抽采难易程度表类别钻孔流量衰减系数(d1)煤层透气性系数m2/(MPa2d)容易抽采10可以抽采0.003-0.0510-0.1较难抽采0.050.1根据计算结果并结合煤矿瓦斯抽采规范（AQ1027-2006）对煤层瓦斯抽采难易程度的分类标准（表2-9）：x煤矿V煤层的透气性系数为0.410506-0.469497m2/（MPa2d）；钻孔瓦斯流量衰减系数为0.3606-0.3636d-1，x煤矿V煤层属于较难抽采可以抽采煤层，这就要求该矿在进行煤层瓦斯抽采的过程中必须采取增加煤层透气性的卸压增透措施。3 煤层瓦斯基础参数测定结果及分析3.1 煤层瓦斯基础参数测定结果为了便于查找和应用，根据上述参数测定数据，通过分析整理，得出x煤矿煤层瓦斯基础参数测定结果，其结果见表3-1，其中瓦斯含量及瓦斯压力取其最高值。 表3-1 瓦斯参数测定成果表参数名称单位V煤层数值平均值煤的坚固系数f0.30.3瓦斯放散初速度PmmHg1818水分Mad%0.51-1.821.