矿井瓦斯基础理论及瓦斯压力测定.ppt

矿井瓦斯基础理论及瓦斯压力测定,淮北矿业集团公司瓦斯治理技术第二期培训班,中国矿业大学安全工程学院,目录,一、概述二、瓦斯在煤层中赋存及流动规律三、瓦斯压力测定的目的和意义四、瓦斯压力测定技术发展概况五、瓦斯压力测定国家标准六、淮北矿区瓦斯测压难点七、瓦斯压力测定方法八、资料汇总,第一章概述,煤层瓦斯压力是重要的瓦斯参数之一，瓦斯压力越大，煤层瓦斯含量越大，煤与瓦斯突出危险性也越大。煤层瓦斯压力测定是煤矿的勘探和开采的重要工作之一。准确测定瓦斯压力，对保证矿井安全生产具有重要意义。50多年来，淮北矿业集团下属的十几对煤矿，进行了大量的煤层瓦斯压力的测定，积累了不少施工经验，也遇到了各种各样的问题。经过不断的探索和创新，总结出了一套行之有效的钻孔施工和封孔方法，解决了含水层和破碎岩层对瓦斯测压的影响。本培训材料介绍了煤层瓦斯赋存和流动规律，强调了准确测定煤层瓦斯压力的重要意义，总结了前人煤层瓦斯压力测定工艺，并对淮北矿业集团瓦斯压力测定的具体步骤、工序进行了详尽的说明。使煤层瓦斯压力测定的过程的更加规范，从而确保瓦斯压力测量结果的准确性。,第二章瓦斯在煤层中赋存及流动规律,2.1瓦斯的性质及其生成瓦斯的概念及来源瓦斯的性质瓦斯的生成2.2煤层瓦斯赋存瓦斯在煤层内的存在状态煤层瓦斯赋存的垂向分带煤的吸附性能影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素2.3煤层瓦斯运移的基本规律瓦斯在煤层中运移的基本规律煤层中瓦斯流动状态分类,2.1瓦斯性质及其生成,广义上讲，矿井瓦斯是井下有害气体的总称。包括：甲烷（CH4）、重烃（CnHm）、氢气（H2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氡（Rn）等。煤矿大部分瓦斯来自于煤层，而煤层中的瓦斯一般以甲烷为主（可达80%90%），它是威胁矿井安全的主要危险源，所以在煤矿狭义的瓦斯专指甲烷（CH4）。,瓦斯概念,井下常见有害气体物理性质,2.1瓦斯的性质及生成,瓦斯概念,煤层烃类气体组分典型气相色谱图,矿井瓦斯组分,2.1瓦斯的性质及生成,煤层烃类气体组分质谱定性鉴定结果,矿井瓦斯组分,2.1瓦斯的性质及生成,中国部分煤矿煤层瓦斯组成测定结果,矿井瓦斯组分,2.1瓦斯的性质及生成,甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧和爆炸的气体。它对人体的影响同氮相似，可使人窒息。由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧，当甲烷浓度为43时，空气中相应的氧浓度即降到12，人感到呼吸非常急促；当甲烷浓度在空气中达57时，相应的氧浓度被冲淡到9，人即可处于昏迷状态，有死亡危险。甲烷分子直径0.41nm，其扩散速度是空气的1.34倍，它会很快的扩散到巷道空间。甲烷密度为0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍。,瓦斯性质,2.1瓦斯的性质及生成,这个时期是从腐植型有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的，在温度不超过65条件下，腐植体经厌氧微生物分解成甲烷和二氧化碳，其模式可用下式来概括：,生物化学作用成气时期,瓦斯生成,2.1瓦斯的性质及生成,成煤作用各阶段形成甲烷的示意反应式可描述如下：,煤化变质作用成气,在瓦斯生成的同时，芳香核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中缩聚芳香核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳香核组成。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。,瓦斯生成,2.1瓦斯的性质及生成,瓦斯生成,2.1瓦斯的性质及生成,图2-1煤化作用（碳含量83-92%）成气反应示意图,图2-3各煤化阶段甲烷生成量曲线,图2-2腐质煤在煤化变质阶段成气演化的一般模式,游离瓦斯：由于甲烷分子的自由热运动，显示出相应的瓦斯压力，这种状态的瓦斯服从气体状态方程；吸附瓦斯：存在在微孔表面上和在煤的粒子内部占据着煤分子结构的孔穴或煤分子之间的空间。,2.2煤层瓦斯赋存,煤层瓦斯赋存状态,在采深3001200m中等变质煤中甲烷存在状态分布情况,表明在现今采深下，游离瓦斯仅占512，其余为吸附瓦斯。,煤层瓦斯赋存状态,2.2煤层瓦斯赋存,煤中孔隙分类如下：微孔其直径10-1mm，它构成层流及紊流混合渗透区间，并决定了煤的宏观（煤和中硬煤）破坏面。,煤中孔隙分类,2.2煤层瓦斯赋存,煤中的各组分是处于气态或是液态取决于煤层温度与瓦斯压力，在目前开采深度与煤层瓦斯压力下，乙烷是气态，其它重烷是液态；煤层中瓦斯除吸附和游离状态以外，还有可能以瓦斯水化物晶体形式存在。其结构形式为xMyH2O，其中M代表烃。瓦斯水化物组成见下表。,煤层瓦斯赋存状态,2.2煤层瓦斯赋存,煤层瓦斯沿垂向一般可分为两个带：瓦斯风化带与甲烷带。瓦斯风化带是CO2N2、N2与N2CH4三个带的统称，各带不仅瓦斯组分不同而且瓦斯含量也不相同。,煤层瓦斯垂向分带,2.2煤层瓦斯赋存,煤层瓦斯垂向分带,2.2煤层瓦斯赋存,煤层瓦斯垂向分带,2.2煤层瓦斯赋存,甲烷及重烃浓度之和80（按体积）；瓦斯压力P0.10.15MPa；相对瓦斯涌出量qCH423m3/t煤；煤层瓦斯含量x1.01.5m3/t可燃物（长焰煤）x1.52.0m3/t可燃物（气煤）x2.02.5m3/t可燃物（肥、焦煤）x2.53.0m3/t可燃物（瘦煤）x3.04.0m3/t可燃物（贫煤）x5.07.0m3/t可燃物（无焰煤）,瓦斯风化带的下部边界可按下列条件确定：,煤层瓦斯垂向分带,2.2煤层瓦斯赋存,位于瓦斯风化带下边界以下的属于甲烷带，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加呈有规律的增长。增长的梯度，在不同煤质（煤化程度）、不同地质构造与赋存条件有所不同。瓦斯压力梯度的变化范围为0.0070.012MPa/m，近似于静水压力值。,甲烷带,煤层瓦斯垂向分带,2.2煤层瓦斯赋存,煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。,煤对瓦斯的吸附,2.2煤层瓦斯赋存,煤吸附瓦斯时，吸附等温线符合朗缪尔方程式：,朗缪尔方程,2.2煤层瓦斯赋存,式中a吸附常数，表示在给定的温度下，单位质量固体的极限吸附量，对煤体吸附瓦斯而言，该值一般为1555m3/t；b吸附常数，一般为0.55.0MPa1；p吸附平衡时的瓦斯压力，MPa；X在给定温度条件下，瓦斯压力为P时单位质量固体表面吸附的瓦斯量,不同煤层的瓦斯吸附等温线,随着瓦斯压力的升高，煤吸附的瓦斯量增大，但增长率逐渐变小；当瓦斯压力无限增大时，煤的吸附瓦斯量趋于某一极限值。,朗缪尔方程,2.2煤层瓦斯赋存,瓦斯压力的影响温度每升高1，吸附瓦斯的能力降低约8。水分的增加使煤的吸附能力降低煤变质程度的影响,吸附含量的主要影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,水分的影响,2.2煤层瓦斯赋存,煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成，一般讲，从挥发分为2026之间的煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速的增长。,煤变质程度的影响,2.2煤层瓦斯赋存,煤层瓦斯含量的影响因素,煤层的埋藏深度煤层和围岩的透气性煤层倾角煤层露头地质构造火成岩的侵入,2.2煤层瓦斯赋存,一般情况下，煤层及围岩透气性越大，瓦斯越易流失，瓦斯含量越小；反之，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量大，比如孔隙与裂隙发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气性非常大，它比致密而裂隙不发育的岩石的透气系数高百万倍，在漫长的地质年代中，会排放大量的瓦斯。,煤层和围岩的透气性,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,在同一埋深下，煤层倾角越小，煤层瓦斯含量越高。例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡（4080），相对瓦斯涌出量约20m3/t，无瓦斯突出现象；而南翼煤层倾角缓（612）相对瓦斯涌出量达150m3/t，而且发生了煤与瓦斯突出。,煤层倾角,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多；反之，地表无露头的煤层，瓦斯含量越高。例如中梁山煤田，煤层无露头，而且为背斜构造，所以煤层瓦斯含量大。,煤层露头,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,煤系地层为沉积地层，各种岩石的透气性有很大差别，在地层与地质构造的共同作用下，可能形成封闭型地质构造或开放型地质构造。封闭型地质构造有利于瓦斯储存，开放型地质构造有利于瓦斯排放。,地质构造,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,闭合而完整的背斜或穹窿又覆盖有不透气的地层是良好的储存瓦斯构造，其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶”。在倾伏背斜的轴部，瓦斯浓度通常也高于翼部。但是当背斜轴顶部因张力形成连通地表的裂隙时，瓦斯易于流失，轴部瓦斯含量反而低于翼部。向斜构造存在两种情况:一种情况下，因轴部受到强力挤压，透气性差，使轴部的瓦斯含量高于翼部:另一种情况下，由于向斜轴部瓦斯补给区域缩小，当轴部裂隙发育，透气性好时，有利于瓦斯流失，开采至向斜轴部时，相对瓦斯涌出量反而减少。受构造影响形成局部变厚的大煤包时，也会出现瓦斯含量增高的现象。这是因为煤包在构造应力作用下，周围煤层被压薄，上下透气性差的岩层形成对大煤包的封闭条件。,地质构造（褶曲构造）,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,断层对瓦斯含量的影响，一方面要看断层的封闭性，另一方面要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性断层(张性、张扭性、导水性)不论是否与地表直接相通，都会引起附近煤层瓦斯含量的降低；封闭性断层压性、压扭性、不导水性与煤层接触的对盘岩层透气性差时，可以阻止瓦斯的排放，可能形成高瓦斯区域。,地质构造（断层）,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,岩浆侵入含煤岩系、煤层，使煤、岩层产生膨胀及压缩。岩浆的高温烘烤可使煤的变质程度升高，增加煤的瓦斯吸附能力。岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭。岩浆岩的侵入引起了强烈的物理、化学反应，既破坏了煤的原来结构，也导致了煤层的应力不均匀分布。有时因岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用增加，逐渐形成裂隙通道。火成岩侵入煤层对瓦斯赋存既有形成、保存瓦斯的作用，也有某些条件下使瓦斯逸散的可能。通常情况下，火成岩侵入带与未侵入带的过渡地带瓦斯含量往往较大，如淮北局的杨柳矿，皖北局的卧龙湖矿。岩浆岩侵入带易发生煤与瓦斯突出，如北票矿区，岩浆岩侵入带发生的突出（265）次占突出总数的25%。这是由于尤其是岩浆岩侵入引起的煤层局部变质带，当煤的变质程度不一而形成混杂状态时，煤的力学性质的变化，以及由此引起的应力不均匀分布更为明显。,火成岩的侵入,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,煤是天然吸附体，煤层的煤化程度越高，其存贮瓦斯的能力越强。在甲烷带内，在其它因素相同条件下，煤化程度不同的煤，其瓦斯含量不仅不同，而且随深度增加其瓦斯含量增加也不同；对于高变质无烟煤（挥发分低于120mL/g）其瓦斯含量不服从上述规律。这是因为这种煤的结构发生了质的变化，其瓦斯含量很低，而且与埋深无关，例如湖南煤田矿区的文化村矿，煤变质已接近石墨（挥发分仅3.14%）,煤层瓦斯含量很低。,煤化程度,煤层瓦斯含量的影响因素,2.2煤层瓦斯赋存,2.3煤层瓦斯运移的基本规律,瓦斯在煤层中运移的基本规律,煤层的孔隙和裂隙的尺寸是不均匀的，因而在大裂隙带中可能出现紊流，而在微裂隙中则属于层流运动，在微孔中还存在扩散分子滑流。根据实验室和在现场对瓦斯流动规律的测定，其流动规律主要是遵循达西定律，即是层流运动。,煤层透气性,2.3煤层瓦斯运移的基本规律,概念透气系数的物理意义是：在1m3煤体的两侧，当其压力的平方差是1atm2或0.01MPa2时，通过1m2煤面，每日流过的瓦斯量。,煤层透气性系数计算方法,2.3煤层瓦斯运移的基本规律,第三章瓦斯压力测定的目的和意义,3.1煤层瓦斯压力3.2瓦斯压力测定的目的煤层瓦斯含量预测瓦斯涌出量预测煤与瓦斯突出预测,煤层瓦斯压力的定义与意义,3.1煤层瓦斯压力,煤层瓦斯压力是指煤层孔隙中所含游离瓦斯呈现的压力，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量多少、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数，在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出量、瓦斯流量、瓦斯抽采与瓦斯突出问题中，掌握准确可靠的瓦斯压力数据最为重要。,煤的游离瓦斯含量按气体状态方程计算：,游离瓦斯量的计算,3.2煤层瓦斯含量,煤的吸附瓦斯含量按朗缪尔方程计算并应考虑煤中水分、可燃物百分比、温度的影响系数，见下式：,煤的吸附瓦斯量的计算,3.2煤层瓦斯含量,煤的瓦斯含量等于游离瓦斯含量与吸附瓦斯含量之和。,煤的瓦斯含量计算,式中X为煤的天然瓦斯含量m3/t，其它符号意义同前。,3.2煤层瓦斯含量,煤矿地下采掘过程中，在很短时间（数分钟）内，从煤（岩）壁内向采掘工作空间突然喷出煤（岩）和瓦斯的动力现象，人们称为煤（岩）与瓦斯突出，简称瓦斯突出。它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，它能摧毁井巷设备、破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤（岩）抛出物，能造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故，导致生产中断等，因此，煤与瓦斯突出是矿井最严重的灾害之一。,煤与瓦斯突出,第四章瓦斯压力测定技术发展概况,4.1瓦斯压力直接测定法黄泥封孔普通水泥浆封孔胶囊-粘液封孔聚氨酯泡沫封孔特种膨胀水泥封孔法4.2煤层瓦斯含量煤层原始瓦斯含量法,1980年以前，国内外常用固体材料进行封孔。黄泥封孔是常见的固体材料封孔方法（尤其在石门测压时）的一种。对于孔深510m，孔径5075mm，倾角不大的钻孔均可采用该方法进行封孔。该方法以质地致密、富于可塑性的半干的黄泥或水泥团为封孔材料。,黄泥封孔,4.1瓦斯压力直接测定法,1-压力表；2-三通；3-木楔；4-测压管；5-挡板；6-煤层图4-1黄泥封孔测压简图,水泥浆液封孔是早期固体材料封孔方法的一种。由于其特殊的物性特征和成本较低等优点，致使该方法一直延用至今。水泥浆液封孔是用水泥浆液代替黄泥和水泥团作为封孔材料密封钻孔，待其凝固后，使用测压管检测煤层的瓦斯压力。这种封孔方法适用于深度超过15m，倾角45度以上的钻孔。,普通水泥浆封孔,4.1瓦斯压力直接测定法,该封孔方法是用两个高压注水胶囊作为封孔段的封闭端，再向胶囊间的密封段内注入密封液的封孔方法。密封液中较大粒径的骨料在胶囊充水后的压力下堵在较大裂隙中，阻止密封液在较大裂隙中的流失；较小粒径的骨料一次充填在较大骨料之间形成了一个骨料塞，密封液中的粘液在高压作用下渗过骨料进入孔壁微裂隙中。,胶囊-粘液封孔,4.1瓦斯压力直接测定法,聚氨酯泡沫封孔是近些年来出现的一种新型封孔方法。它的封孔原理是利用聚氨酯的快速膨胀凝固特性实现钻孔的快速密封。,聚氨酯泡沫封孔,4.1瓦斯压力直接测定法,各种封孔方法的使用条件及优缺点,4.2瓦斯压力直接测定法,测定方法及原理现场钻屑瓦斯解吸测量瓦斯解吸时间的确定瓦斯损失量的计算根据钻屑解吸速率r0推算瓦斯损失量瓦斯量换算,煤层原始瓦斯含量法,4.2间接测定瓦斯压力法,煤层原始瓦斯含量法,4.2间接测定瓦斯压力法,解吸瓦斯量按下式换算成保准条件下体积：式中V0标准状况下解吸瓦斯体积，mL；V量管内解吸瓦斯体积，mL；Pa测定地点大气压力，Pa；t测定地点气温，；Ps测定地点气温下饱和水蒸气压力，Pa。解吸测定后的煤样送实验室进行真空脱气与粉碎后再脱气测定煤体残余瓦斯体积，两次脱气的体积共为V/。,煤层原始瓦斯含量法,4.2间接测定瓦斯压力法,煤层瓦斯含量计算,瓦斯压力反推计算,第五章瓦斯压力测定国家标准,5.1测定原理5.2测压方法分类按测压方式按封孔材料5.3瓦斯压力测定工艺测定地点的选择测定方法的选择钻孔施工封孔施工瓦斯压力观测与确定,5.1测定原理,通过钻孔揭露煤层，安设测定仪表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。,按测压方式,5.2测压方法分类,1.主动测压法钻孔封完孔后，通过钻孔向被测煤层充入补偿气体达到瓦斯压力平衡而测定煤层瓦斯压力的测压方法。补偿气体可选用高压氮气或其他惰性气体。补偿气体的充气压力应略高于预计煤层瓦斯压力。2.被动测压法钻孔封完孔后，通过被测煤层瓦斯的自然渗透，达到瓦斯压力平衡而测定其瓦斯压力的测压方法。,按封孔材料,1.黄泥、水泥封孔测压法封孔材料为黄泥，水泥或黄泥水泥混合物，封孔方式为手工操作，主要适用于石门揭煤的瓦斯压力测定。2.胶囊一密封粘液封孔测压法封孔材料为胶囊、密封粘液，封孔方式为手工操作。适用于松软岩层或煤巷瓦斯压力测定。3.注浆封孔测压法封孔材料为膨胀不收缩水泥浆加粘液，封孔方式为压气注浆器或泥浆泵注浆封孔。适用于井下各种条件下的瓦斯压力测定，特别适用于近距离煤层群分煤层的瓦斯压力测定。,测定地点的选择,5.3瓦斯压力测定工艺,测定方法的选择,钻孔施工,测压处岩石坚硬、少裂隙，可采用黄泥、水泥封孔测压法；在松软岩层及煤巷中测定煤层的瓦斯压力时，钻孔长度15m时应采用胶囊一密封粘液封孔测压法；钻孔长度15m时应采用注浆封孔测压法。竖井揭煤可采用注浆封孔测压法；测定邻近煤层的瓦斯压力或煤层群分层测压应采用注浆封孔测压法；测压时间充足时，宜采用被动测压法；测压时间较短时，应采用主动测压法。,钻孔的开孔位置应选在岩石(煤壁)完整的位置。钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完整，穿层测压钻孔宜穿煤层全厚。钻孔施工好后，应立即清洗钻孔，保证钻孔畅通。在钻孔施工中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开始见煤长度及钻孔在煤层中长度煤层厚度，钻孔开钻时间、见煤时间及钻毕时间。,要求,要求,同一地点应打两个测压钻孔，钻孔口距离应在其相互影响范围外，其见煤点的距离除石门测压外应不小于20m；除在煤巷中测定本煤层瓦斯压力外，测定地点应选择在石门或岩巷中；钻孔应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围；测定煤层原始瓦斯压力的见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道、采动及抽放等的影响范围；选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度；瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方。,要求,5.3瓦斯压力测定工艺,封孔施工,瓦斯压力观测与确定,主动测压法应每天观测一次，被动测压法应至少3天观测一次。在观测中发现瓦斯压力值变化较大，则应增加观测次数。采用主动测压法时，当煤层的瓦斯压力小于4MPa时需510d；当煤层的瓦斯压力大于4MPa时，则需2040d；被动测压法时，则视煤层的瓦斯压力及透气性大小的不同，需30d以上。,将观测结果绘制在以时间（d）为横坐标，瓦斯压力（MPa）为纵坐标的坐标图上，当测压时间达到规定时，如压力变化小于0.005MPa/d，测压工作即可结束；对于上向测压钻孔，在结束测压工作、撤卸表头时(撤表头时应制定相应的安全措施)，应测量从钻孔中放出的水量，根据钻孔参数、封孔参数计算出钻孔水的静水压力，并从测定压力中扣除。对水平及下向测压孔则以测定值作为瓦斯压力值；同一地点以最高瓦斯压力作为测定结果。,封孔深度A.封孔深度应超过钻孔施工地点巷道的影响范围，并满足以下要求：a)黄泥、水泥封孔测压法的封孔深度应不小于5m；b)胶囊-粘液封孔测定本煤层瓦斯压力的封孔深度应不小于10m；c)注浆封孔测压法的封孔深度不小于12m，煤层群分层测压时则应封堵至被测煤层在钻孔侧的顶板或底板；d)应尽可能加长测压钻孔的封孔深度。B.本煤层测压孔封孔应保证其测压气室长不小于1.5m，穿层测压孔的封孔不宜超过被测煤层在钻孔侧的顶板或底板。,要求,要求,第六章淮北矿区瓦斯测压难点,淮北矿区煤层顶底板含水层较多，地层中岩石含水较大。断层和破碎岩层多。钻孔出水会对瓦斯测压带来两方面不利影响：钻孔出水会影响封孔效果，封孔设备放入孔内困难，往往放不到孔内合适的位置，封堵孔口时难度较大，密封质量难以保证，出水还会影响水泥浆液等封孔材料的凝固效果等。钻孔有水会影响煤层瓦斯压力测量的准确性。如果含水层在原始条件下已经与煤层相连通，表面水与瓦斯压力早已实现压力平衡，这时测出的水与瓦斯平衡压力即为原始瓦斯压力；当煤层与含水层之间具有良好的隔水层如完整的粘土、页岩、粉砂岩等时，因为水的压力与瓦斯压力未达平衡，此时测量出的压力不能代表原始瓦斯压力；当水压高于瓦斯压力时，测出的瓦斯压力值将高于煤层真实瓦斯压力。淮北矿区煤层顶底板含水层较多且破碎岩层较为发育，给煤层瓦斯压力的测定带来了一定的困难。因此，有必要对煤层瓦斯压力测定方法进行探索与创新，在不同条件下选用合理的封孔测压工艺，克服以上困难，才能准确测出煤层真实的瓦斯压力。,第七章瓦斯压力测定方法,7.1测压地点选择7.2钻孔施工正常测压钻孔施工工序遇含水层或破碎带时钻孔施工工序7.3封孔工艺仰孔封孔工艺俯孔封孔工艺近距离煤层群瓦斯压力测定方法7.4瓦斯压力观测装表测压及补充氮气瓦斯压力观测瓦斯压力确定方法7.5煤层透气性系数的测定,7.1测压地点选择,测压地点选择的原则如下：,瓦斯压力测量地点一般选择在岩石比较完整，周边地质结构单一的岩巷中进行。为准确测定煤层瓦斯压力，测压地点应选择在石门或巷道中进行。通过煤层周围的岩柱向未开采的煤层打钻测压。,测压钻孔及其见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围。,选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度。,同一地点应打两个测压钻孔，钻孔口距离应在其相互影响范围外，其见煤点的距离除石门测压外应不小于20m，测量的结果以压力较高的一个为准。,根据瓦斯抽采基本指标及安徽省煤矿瓦斯治理规定：高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井每个采区垂深每增加50m时，应选择合适地点测定煤层瓦斯压力，同一地点测压应打两个测压钻孔。,7.1测压地点选择,如果必须在断层、裂隙带或破碎带地段施工测压孔时，首先必须采用水泥浆或其它封堵材料，封堵围岩裂隙；同一地点测压应打两个测压钻孔，钻孔口距离应在其相互影响范围外，其见煤点的距离除石门测压外应不小于20m。瓦斯压力测量结果以压力较大的一个为准；,具体要求如下：,目标煤层50m范围内无采空区，尽量选取在最近几年新开拓的岩石巷道；,测量地点一般选择在岩石比较完整，周边地质结构单一的岩巷中进行；测压钻孔及其见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道卸压圈和采动影响范围，测压煤层周围岩石致密完整、无破碎带；,煤层50m范围内无断层和大的裂隙；岩层无淋水，岩柱（垂高）至少大于10m；,瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方；如果选取顺煤层施工测压孔，钻孔长度不小于40m，选取构造简单有利于施工的最新开掘的煤巷；根据瓦斯抽采基本指标及安徽省煤矿瓦斯治理规定：高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井每个采区垂深每增加50m时，应选择合适地点测定煤层瓦斯压力，同一地点测压应打两个测压钻孔；,7.1测压地点选择,具体要求如下：,选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度。一般的岩巷打钻，钻孔深度不宜小于10m；,钻孔必须打在平巷上方15m或下方20m处（如图7-1）。应尽可能地选择施工仰角测压孔，避免俯角和水平钻孔；,7.2钻孔施工,正常测压钻孔施工工序,根据钻场地点和煤层位置，确定钻孔开口位置、钻孔角度、方位和深度等；开孔后，一般选用75mm的钻头钻进。钻进过程中，及时根据钻屑判断钻孔地质情况，参照地质柱状图，比对分析钻孔的实际地质构造；孔时应及时记录钻孔情况，包括钻进尺度，有无卡钻、包钻、顶钻等情况；钻到煤层时，应及时记录见煤地点、见煤时间、煤层厚度、穿煤厚度等参数；一般钻孔应穿过煤层0.5m为终孔位置。（如遇煤层直接顶含水，钻孔也可不穿透煤层，防止顶板水影响瓦斯压力测定。）,直接钻孔穿过煤层施工方案，主要针对煤层周围没有地质构造，岩层稳定完整，岩层无淋水等而设计的钻孔施工方案。具体的施工工序如下：,钻孔位置及钻孔参数确定,钻孔施工,钻孔清理,根据钻场地点和煤层位置，确定钻孔开口位置、钻孔角度、方位和深度等；,钻孔终孔后退出钻杆，必要时要进行钻孔清孔。,7.2钻孔施工,遇含水层或破碎带时钻孔施工工序,扫净孔内岩屑后，将108mm带法兰盘的孔口管送进孔内，孔口管露出钻孔外长度100300mm左右为宜；先用木楔、棉纱、快硬水泥把孔口管固定好，再用水泥浆（水：水泥1：1.5）加固孔口管；对于40以上的仰孔，在孔壁和孔口管之间插入4分铁管，采用外壁注浆；40以下仰孔及俯孔采用孔内注浆，将孔口管外端加上法兰盘向孔内注浆，直到孔口管外不再漏浆为止；,根据地质资料判断钻孔位置可能要穿过破碎带，软煤层或含水层时，需要安设注浆加固孔口管，以便对孔内的破碎带、渗水岩层进行注浆封堵施工作准备。这种施工方案主要为处理钻孔经过岩层破碎带，孔壁渗水等情况，减小由此对钻孔钻进和封孔测压造成的影响。,具体施工工序如下：,初次钻进,固定孔口,初次扫孔,初次试压,选好开孔位置后，选用113mm钻头钻进56m深停止，退出钻杆；,用注浆泵注水对孔口管做耐压试验。要求孔口管耐压8MPa，耐压稳定时间不少于10min；,待加固孔口管的水泥浆液凝固2448小时后，用75mm钻头扫孔到6.5m处停止钻进，退出钻杆；,7.2钻孔施工,遇含水层或破碎带时钻孔施工工序,待水泥浆充分凝固后，以原孔（轴心）为中心通过扫孔，二次施工小孔径（一般为75mm）至接近煤层处；退钻观察孔口是否有水流出或渗出30min。如果仍旧有水则需重复上面步骤，直至孔口不出水为止；确定堵水成功后，继续钻孔施工至穿透煤层0.5m终孔（如果煤层直接顶含水，钻孔也可以不穿透煤层进入顶板）。,继续钻进,再次试压,注浆,二次扫孔,耐压试验合格方可钻进，不合格则须重新注浆加固，重新耐压实验，直至孔口管耐压试验合格；,孔口管耐压实验合格后，用75mm钻头继续钻进；钻孔施工到接近煤层时停钻，退出钻杆。注意不要钻入煤层；,孔口管接上法兰盘，再次试压；,根据钻孔大小和钻孔深度，确定注入水泥浆液的量；试压合格后，利用高压注浆泵向孔内注入水泥浆填满整个钻孔。注浆堵水压力不小于8MPa。水泥浆配比为，水：水泥1：0.51：1.5。水泥浆浓度可逐渐增加，初期用清水或稀水泥浆冲开裂隙通道；,7.3封孔工艺,仰孔封孔工艺,仰孔打好后，如果孔内没有出水可以实施测压管路铺设并实施注浆封孔。具体操作步骤为：管路铺设密封孔口注浆封孔。具体封孔施工步骤如下：,管路铺设要在封孔之前完成。铺设的管路包括：测压管、检查管（又称回浆管）、注浆管。它们分别完成测定瓦斯压力、标定浆液在孔内位置、向孔内注入浆液。如图7-2所示。具体施工步骤如下：,图7-2仰孔封孔测压示意图,管路铺设,7.3封孔工艺,仰孔封孔工艺,回浆管为外径为20mm的PVC塑料管。每段长度为2m（根据巷道宽度而定），用两通连接；在距离回浆管顶端4m的位置，PVC管连接处改用一个三通连接（如图7-3），使得注入的浆液到达此处时由三通返回孔口，起到检查注浆位置的作用；将测压胶管用铁丝绑扎在回浆管上送入孔内。测压管顶端要略微超过检查管顶端（100mm左右），防止浆液进入测压管内；每送入一段（23m）回浆管和测压管，用铁丝绑定一次，使测压管与回浆管不发生滑移；将测压管和回浆管送到位置时，须保证两根管路在孔外露出足够长度（不小于300mm），以便后续装表操作；,打好钻孔后，根据钻孔长度确定送入孔内测压管和回浆管的长度；测压管是内径为5mm的耐高压胶管。测压管顶端500mm范围内的管壁上开一些小孔，并包裹80目的铁砂网，防止碎煤屑堵塞气孔；,测压管,具体施工步骤如下：,向孔口放入1m长的注浆管，同样露出孔口300mm为宜；向孔口内塞入木楔，固定管路。,回浆管,注浆管,7.3封孔工艺,仰孔封孔工艺,如果钻孔周边岩石没有裂隙，注浆施工步骤如下：利用注浆泵，向孔内注入水泥浆液；如果孔口周围没有较大裂隙，浆液会很快达到回浆管的位置，从回浆管返回至孔口；发现回浆管口有浆液返回时，可立即关闭回浆管阀门，停止注浆；等待水泥浆液凝固（一般24h）后可以装压力表。,密封孔口,完成管路铺设后，需要对钻孔孔口部位进行密封加固工作。首先将浸透水的快干水泥卷塞入孔中，用木棍将其尽量向孔深处捣实，直至孔口。,注浆封孔,密封孔口完成后，向孔内注入特种水泥浆液。水泥浆的组成配比（重量比）可按如下两种配比配制：特种水泥：水110：80：注浆时水泥浆液不宜过稠或过稀，以用手捞出时浆液呈线状液滴为宜。,7.3封孔工艺,仰孔封孔工艺,如果钻孔周边岩石有裂隙，注浆时周围出现漏浆时，应采取间歇式注浆，其施工步骤如下：若孔口周边有明显裂隙，注浆时浆液会从孔口周围岩石的裂隙中漏出；这时先停止注浆；向水泥浆液中掺混木屑或细沙，也可加入少量的粘稠剂（如水玻璃）等，并搅拌均匀；实施间歇式注浆，每隔23分钟注一次浆，每次注浆量视周边裂隙发育情况而定。一般注浆到周边裂隙开始连续漏浆为止；间歇注浆至周边裂隙不再有浆液漏浆时，可实施连续注浆至回浆管回浆为止；回浆管返回浆液后，停止注浆泵，关闭注浆管球形阀，注浆施工完毕。水泥浆液内掺入细沙、木屑和粘稠剂等，实施间歇式注浆，可以有效使浆液渗入周边裂隙中并凝固堵住周边裂隙。,7.3封孔工艺,俯孔封孔工艺,封孔材料主要有水泥、棉絮及水玻璃，如图7-4，钻孔具体封孔步骤如下：,图7-4俯孔封孔测压示意图,钻孔施工,排水排渣,包缠棉絮线、连接管路,封孔,7.3封孔工艺,俯孔封孔工艺,钻孔具体封孔步骤如下：,1）钻孔施工：钻孔的开孔位置应选择在岩石完整的位置；钻孔施工应严格按设计钻孔参数进行，并保证钻孔平直、孔形完整，穿透被测煤层。在钻孔施工中，应准确记录钻孔参数、钻孔见煤深度，煤层厚度，以及钻孔开孔时间、见煤时间及结束时间。,2）排水排渣：将4分测压铁管连接并送入钻孔底部，利用压风将孔内水、煤渣和岩渣排出钻孔。排水排渣时，应反复抽送直管，以将孔内的水和渣排出干净。,3）包缠棉絮线、连接管路：排水排渣后，取出测压管，将2m长的花管伸入钻孔，花管上端连接测压铁管，联接处包缠棉絮线（棉絮线尽量松散，以便将孔底端缠绕固定）。包缠的棉絮线不宜过厚，沿直管包缠以能通过孔径为宜。,4）封孔：将测压管送入钻孔底部，旋转并反复抽拉测压管，使处在孔底部的棉絮线能够缠绕包裹充填其所在的孔截面。判断直管抽拉不动的时候，开始配制水泥浆液（水泥浆液的配比：水泥：水：水玻璃=5：6：1，或水泥浆液的配比：水泥：速凝剂：水=25：1：35），开始先配制较稠的浆液，并迅速将和好的水泥浆液倒入钻孔，然后配制正常浆液注入钻孔，直到钻孔外段只剩0.5m时停止，将准备好的快干水泥卷或锚固剂填入孔口，再用湿的水泥卷将孔口塞实，撒上干水泥粉，固定好孔口。,7.4瓦斯压力观测,装表测压及补充氮气,封孔完毕等待一段时间后，可进行装表测压。水泥封孔需等待水泥浆液凝固24小时后，方可装表测压。用高压胶管作为测压管时，需要使用配套的连接配件连接。如图7-6。,压力开关连接在三通的一端（如图7-6所示）。其主要作用是：当装好压力表后，管内可能存在少许积水，影响测量结果。这时候可以打开压力开关，将水放出。,7.4瓦斯压力观测,装表测压及补充氮气,还可用来连接氮气或二氧化碳钢瓶，向测压室内充入氮气，提高测压速度。注浆封孔完成后，按图7-6将压力表连接到测压管路上；连接压力表三通上的一端与一个压力表开关相连（如图7-7）。高压胶管将高压氮气钢瓶和压力表开关相连。高压胶管与管件的连接都通过螺纹挤压实现密封连接，保证在一定气体压力下连接处不会出现漏气；随后打开氮气钢瓶和压力表开关立刻向孔内释放氮气。注入氮气压力一般以34MPa为宜，然后关闭压力表开关阀，停止注氮。,7.4瓦斯压力观测,瓦斯压力观测,应每天观测压力一次。初期一小班一次，后期每三天观测一次。在观测中发现瓦斯压力值变化较大，则应增加观测次数。瓦斯压力记录表的格式如表7-1。,7.4瓦斯压力观测,瓦斯压力确定方法,a)将观测结果绘制在以时间（d）为横坐标，瓦斯压力（MPa）为纵坐标的坐标图上，当测压时间达到的规定，如压力变化小于0.005MPa/d，测压工作即可结束；,b）分析瓦斯压力时间曲线，正常的情况应该是瓦斯压力逐渐上升，在数天后达到稳定值，该值为真实的煤层瓦斯压力；如果瓦斯压力上升很快，在不到一天的时间就达到稳定，并且钻孔有水，则可能是含水层承压水压力，不是真正的煤层瓦斯压力。,c)同一地点以最高瓦斯压力作为测定结果。,7.4煤层透气性系数的测定,煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志，是评价煤层瓦斯抽放难易程度和瓦斯突出防治的重要技术参数。可采用径向流量法测定煤层透气性系数。,钻孔径向流量法测定煤层透气性系数的具体做法是：首先垂直煤层打一贯穿煤层的钻孔，密封钻孔并利用测压仪测出煤层原始瓦斯压力。测完压力后，打开阀门，使钻孔内压力降至大气压力，测出各个时刻钻孔自然瓦斯排放量，代入上述相关公式，求出煤层透气性系数值。在实际测定中，钻孔径向流量法的测定要求在降压排瓦斯后的几天内进行，尽量延长测定时间，使流场扩大，测出来的值逐渐稳定，最后取其稳定值作为测定地点煤层透气性系数。,瓦斯流量记录如表7-2所示。根据瓦斯流量测定结果即可计算得出煤层透气性系数，如表7-3所示。,第八章资料汇总,8.1采区概况及测点布置8.2测压钻孔设计8.3钻孔封孔施工记录8.4瓦斯压力测量和记录8.5瓦斯压力测定结果分析汇总,8.6煤层瓦斯含量8.7煤层透气性系数8.8煤层百米钻孔瓦斯流量衰减系数8.9煤层可抽性分析8.10瓦斯涌出量预测回采工作面瓦斯涌出量预测掘进工作面瓦斯涌出量预测8.11突出参数及突出危险性预测,8.1采区概况及测点布置,测压工作开始前，需叙述采区地质概况、巷道布置、采煤工作面概况。根据测压地点选择原则，合理布置测点。并将测压钻场及钻孔绘于测压地点示意图，如图8-1为某矿测压地点示意图。,图8-1测压地点示意图,8.2测压钻孔设计,施工测压钻孔前需根据巷道布局情况提前设计出钻孔参数，钻孔参数包括：钻孔开孔位置、钻孔孔径、钻孔倾角、钻孔方位角、钻孔孔深、见煤标高、封孔深度等。如表8-1所示。钻孔资料还应包括钻孔应穿过岩层和煤层的柱状图，预测见煤深度等。某矿煤层柱状图如图8-2所示。,8.3钻孔封孔施工记录,钻孔施工过程中需仔细对照钻孔岩性柱状图，观测出水情况，为下一步的钻孔封孔提供准确预判。其施工记录及封孔记录可按表8-2及表8-3、8-4来执行。,8.4瓦斯压力测量和记录,钻孔在封孔后前一星期内每天观测并记录压力表读数和观测的时间，以后每3天观测一次。直至瓦斯压力稳定为止。如表8-5所示，并绘出某矿压力随时间的变化曲线，格式如图8-3所示。,8.5瓦斯压力测定结果分析汇总,将各钻孔的测压结果进行汇总见表8-6，并对测压结果进行分析，根据压力表示数随时间的变化曲线可以判定测压结果的准确性，利用准确可靠的测压结果绘制出某矿煤层瓦斯压力与见煤标高的关系曲线，如图8-4所示。,图8-4煤层