瓦斯防治-煤层透气性系数.doc

测定意义随着矿井开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越多，煤与瓦斯突出的危险性也日益严重，瓦斯灾害已成为制约煤矿安全生产的突出问题。长期的理论研究和突出危险煤层的开采实践证明，开采保护层和预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性措施，对于不具备保护层开采的单一煤层，瓦斯抽采的意义更为显著。煤层透气性系数是评价瓦斯抽采效果的主要指标之一，也是衡量煤层突出危险性大小的重要指标。因此，对煤层透气性系数的计算方法进行深入探讨，可为煤矿瓦斯防治工作提供理论依据。煤层透气性系数和钻孔流量衰减系数是评价煤层瓦斯抽放及煤层气开采难易程度的标志性参数。因此，能否准确测量煤层透气性系数对于一个矿井来说具有十分重要的意义。但是，由于煤层透气性系数在测量过程中影响因素比较多，目前煤层透气性系数测量的误差比较大，准确率比较低。所以，系统全面的分析煤层透气性系数测定过程中的影响因素对于准确测量煤层透气性系数，为矿井抽采设计提供依据具有十分重要的意义。本质含义及测定方法 煤层透气性表征煤层对瓦斯流动的阻力，通常用煤层透气性系数表示，它反映了瓦斯沿煤层流动的难易程度。煤层透气性系数的物理意义可表述如下: 在 1 m3煤体的两侧，当瓦斯压力平方差为 1 MPa2时，通过 1 m2煤层断面每日流过的瓦斯量。煤层本身是非均质各向异性介质，因此，煤层的透气性系数必须通过实际测定才能确定。几十年来，国内外有关学者对此进行了许多研究，提出了各种各样的煤层透气性系数测定及计算方法。这些侧定及计算方法归纳起来可分为两类，即实验室测定方法和现场实际测定方法。根据研究认为，由干煤层是非均质且各向异性介质，在目前的实验室条件下很难模拟井下的实际情况，故而实验室只能进行定性、规律性的研究；要准确得知煤矿井下煤层的透气性系数，必须进行现场实际测定。但是，由于现场实际测定结果往往只能反映局部情况，而且费工费时，故而煤层透气性系数的规律性研究往往又会借助于实验窒的研究。因此，我们认为实验室的研究与现场的实际测定都是不可少的。实验室测定方法实验室测定煤样透气性的方法主要有两种，即加围压力时的煤样透气性系数测定方法和不加围压力时的煤样透气性系数测定方法。实验室测定煤样透气性方法的优点在于能大大节省人力和物力，同时也能缩短时间。此外，实验室测定方法还可了解煤样透气性系敷的变化状态以及所受影响因素。因此，在科学研究中往往采用实验室测定方法来分析测定煤样透气性系数。(l)不加围压时的煤样透气性系数的测定方法这种方法是从需要测定的煤层中采取煤样，然后在实验室中用砂轮或专门的钻简将煤样制成一定尺寸的圆柱状(或方柱状)，两端磨平，形成长5080 mm、直径3040 mm的圆柱(或30 mm30mm(5080)mm的方柱)，放入与之直径相仿的夹具中。为了使煤样和夹具壁之间密切接触不漏气。一般外加一个胶皮套或硅橡胶套。然后放在特制的仪器中，测定在一定的压差中通过煤样的瓦斯流量，根据煤样的几何尺寸、两端压差的大小和流量，根据达西定律计算其透气性系数，其实验装置如图1-1-1所示。 目前在实验室常用的方法是：取同一煤层若干煤样进行测定然后取其平均值作为煤样的渗透率和透气性系数。 但是，这种透气性系数测定方法除煤样本身与煤层的差别外，由于未考虑围压力(模拟地应力)的作用。故而测定结果与矿井中的实际情况相差较大。因此，为了与矿井实际情况相符，在煤样透气性系数的测定中应考虑圈压力(地应力)的影响。(2)加固压时的煤样透气性系数的测定方法加围压时的煤样透气性系数的测定实验装置如图1-1-2所示，其实验装置与图1-1-1相似，不同之处在实验缸内煤样周围充有-一定压力的黏液(或其他液体)，煤样周围需套上数层防水橡胶套，防止内泄外渗。用调节高压泵的压力来模拟地压对煤样的作用，其实验和计算方法刚与上述方法相同。(3)实验室测定方法的分析 在实验室中测定煤样透气性系数方法的优点是方法简单，可节省人力、物力和时间，但普遍存在着如下缺点： 取样的偶然性不能反映煤层的情况。这是因为煤样中瓦斯流动的通道除了经过煤体本身的微孔隙外，煤层中节理裂隙起着很重要的作用，且在取样制作测定煤样时只有硬煤或中硬煤才能保持其完整性，因此对煤层中软煤的渗透性也无法反映。 在制作煤样时，煤样受到机械作用可能产生新的裂隙或使原有裂隙加大。而煤层本身的某些裂隙又因煤样过小而被排斥掉，因而使其透气性发生变化。此外，取样一般在煤层的暴露面上采集，而在暴露面上的煤都是经过矿山压力破坏后的煤体，所以其透气性显然与原始煤层中有所不同。 实验室无法完全模拟地应力(至少目前是这样)，其原因在于一方面地应力在现场不易测准，另一方面现场围压不是三向等压，而实验中一般采用的是三向等围压，故受力状态不同，因而所测结果当然就无法准确反映现场的实际情况。 在实验室测定中，固体煤样与防水橡胶衬套之间往往存在着漏气现象而煤样的透气性又很低，微量的漏气和误差会使所测透气性大大增加。 综上所述，煤层透气性的实验室测定和现场测定会有很大的差别，其相差数倍、数十倍甚至上百倍是有可能的。目前实验室的测定值还不能直接反映现场的实际情况，但是，实验室能模拟矿井煤层中的条件作定性研究，如可在实验室中测定煤样在围压力不变的情况下瓦斯压力与煤样透气性间的关系，来研究井下煤层在同一水平地应力基本不变情况下瓦斯压力对煤层透气性的影响。同样也可在瓦斯压力不变条件下测定围压与煤样透气性问的关系，来研究井下煤层中瓦斯压力不变时地应力耐煤层透气性的影响。另外，对平行层理煤样和垂直层理煤样透气性的研究也将为井下煤层钻孔的最优布置方式提供一定的依据。所以，在实验室进行这些方面的研究不仅具有一定的实际意义，而且也是现场测定所无法比拟的。 现场测定方法(5)钻孔流量法 中国矿业大学周世宁教授在总结已有煤层透气性系数测定方法的基础上，根据煤层瓦斯流动理论，提出新的煤层透气性系数测定方法钻孔流量法。该方法包括巷道单向流量法、径向流量法和球向流量法。 单向流量法单向流量法测定煤层透气性系数是以瓦斯在煤层中的单向流动理沦为基础而得出的方法，其基本假设为：(a)煤层均质且各向同性；(b)瓦斯在煤层中的流动服从达西定律；(c)煤层顶底板不含瓦斯也不渗透瓦斯；(d)瓦斯在煤层中的流动为等温过程。该方法是在巷道中进行且是在紧接巷道掘进后进行的，如图1-1-6所示。众所周知，在煤层巷道周围煤层透气性的分布并非均质。当巷道向前掘进时，两帮的应力将发生变化，形成集中应力，使得两帮靠近煤壁处的煤体发生屈服变形，从而应力向煤体深部转移，导致在两帮煤层中形成卸压带、应力集中带和常压带。由于这三带的存在，使煤层的透气性发生很大变化。据前苏联有关人员的现场实测表明，在靠近巷道附近煤层的透气性要比深部大几十倍甚至几百倍，并向煤层深部逐渐减小。 巷道单向流量法的优点在于它能使流动场扩展很大。虽然在推导计算公式中，均质性的假设与事实有差别，但是当流动场扩散到足够大时，以致扰动带的影响可以忽略不计，选由均质性假设所带来的误差就基本上可以忽略不计。 径向流量法径向流量法测定煤层透气性系数是以瓦斯在煤层中径向流动理论为基础而得出的方法。其基本假设为：(a)在钻孔瓦斯流动范围内，煤层均质且各向同性；(b)钻孔垂直煤层(至少偏斜角不超过30o)贯穿煤层，在瓦斯流动场内煤厚不变；(c)煤层顶底板不漏气且不含有瓦斯；(d)打开钻孔之前，钻孔内瓦斯压力为原始瓦斯压力，打开后则始终保持大气压力；(e)瓦斯在煤层中的流动为等温过程且温度等于煤层温度；(f)瓦斯在煤层中的流动服从达西定律。 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捧放量；然后按照有关公式求出值。在宴际测定中，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，使流动场扩大，测出来的值逐渐稳定，最后取其稳定值作为测定地点煤层的透气性系数值。 钻孔径向流量法与其他各种测定煤层透气性的方法相比，具有理论基础可靠、数学推导方法合理，现场应用方便和计算简单的优点。径向流量法测定煤层透气性系数，尽管是在有关假设条件下得出的，但在钻孔瓦斯稳定流动的情况下其所做假设与实际情况基本吻合，根据在现场的多次测定表明，测定结果可以反映现场中的实际情况，为在现场测定实际煤层中真实，稳定的透气性系数提供了可靠的方法。 球向流量法球向流量法测定煤层透气性系数是以瓦斯在煤层中球向流动理论为基础而得出的方法，其基本假设为：(a)在钻孔瓦斯流动范围内煤层均质且各向同性；(b)煤层顶底板不漏气且不含有瓦斯；(c)瓦斯在煤层中的流动服从达西定律；(d)在打开钻孔之前，钻孔内瓦斯压力为煤层原始瓦斯压力，打开后则始终保持大气压；(e)瓦斯在煤层中流动为等温过程，温度等于煤层温度且不考虑瓦斯的压缩性。 钻孔球向流量法是在岩石巷道打一钻孔直穿煤层。破开底板后深入煤层0.1 m左右，然后采用测压仪封孔测定煤层的原始瓦斯压力。为了使压力上升的时间缩短。在封孔后可以预先向测压室中充人一定压力的N2或CO2气体，这样可缩短压力稳定所需的时问。压力稳定后打开阀门，使钻孔内压力降至大气压力，测定其流量与时间的关系。一般情况下，由于球向流量法所测流量较小故常用皂泡流量计来测定 球向流量法测出的煤层透气性系数曲线与径向流量法测定结果相类似，在钻孔孔底，煤层中的瓦斯流动场也具有一定的扰动。其表现在开始阶段，测出来的煤层透气性系数值较大，随着时间的延长，瓦斯流动场的扩大，扰动带的影响逐渐减小。因此在使用球向流量法测定煤层透气性系数时，一定要延长时间使其稳定后方可得出正确值。现场测定方法的应用现场测定煤层瓦斯透气性系数的步骤1）打钻测定煤层瓦斯压力。在石门或围岩巷道向煤层打测压钻孔，钻孔应该打穿煤层全厚。打钻过程中，记录钻孔见煤和穿透煤层的时间，取这两个时间的平均值作为钻孔开始排放瓦斯的起始时间。打钻完成后清洗钻孔，封孔测压。三、测定中的注意事项测定透气系数的钻孔要注意有无喷孔的现象，如有，应记录喷孔的数量，以便折合计算孔径。值得注意的是喷孔的钻孔孔壁附近煤体发生卸压变形，因而在排瓦斯时间短时，求得的透气系数偏大，所以在测定时使排瓦斯时间较长，使流动场扩大减少孔壁卸压区的影响。但在保护层开采后，因煤层普遍卸压，喷孔对钻孔透气系数的影响则相对减少。测定流量的时间，在压力为真实压力时，排瓦斯在一天以上较好，在压力低于真实压力时，以排瓦斯时间在一小时到几小时为好。如在测定前对压力的真实程度缺乏了解，可按不同时间多测几个流量值，这样可以分析压力的真实性和距钻孔不同距离煤层透气系数的变化规律。在测定流量时，气体的压力、温度和760mmHg，煤层温度相差较大时