煤层瓦斯压力及含量测定技术.ppt

煤层瓦斯压力及含量测定 测定目的及意义 煤层瓦斯压力 含量测定规范 1 1 1 2 一 瓦斯压力 含量测定的目的及意义 1 1测定目的及意义 1 1测定目的及意义 在煤层突出危险性鉴定 区域突出危险性预测 区域防突措施效果检验和突出矿井开采的非突出煤层和高瓦斯矿井的开采煤层 在延深达到或超过50m或开拓新采区时需要测定煤层瓦斯压力 1 2煤层瓦斯压力 含量测定规范 1 预抽回采区域措施检验点布置 对穿层钻孔或顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验时若回采工作面长度未超过120m 则沿回采工作面推进方向每间隔30 50m至少布置一个检验测试点 若回采工作面长度大于120m时 则在回采工作面推进方向每间隔30 50m 至少沿工作面方向布置两个检验测试点 且检验测试点要在工作面巷道轮廓线外15m 回采区域侧 至工作面中部区域内均匀布置 1 2煤层瓦斯压力 含量测定规范 1 预抽回采区域措施检验点布置 1 2煤层瓦斯压力 含量测定规范 1 预抽回采区域措施检验点布置 1 2煤层瓦斯压力 含量测定规范 2 穿层钻孔预抽煤巷条带措施检验点布置 对穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检验时 在煤巷条带每间隔30 50m至少布置一个检验测试点 且检验测试点要在煤巷轮廓线至煤巷轮廓线外15m范围均匀布置 1 2煤层瓦斯压力 含量测定规范 3 穿层钻孔预抽石门揭煤区域措施检验点布置 对穿层钻孔预抽石门 含立 斜井等 揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验时 至少布置4个检验测试点 分别位于要求预抽区域内的上部 中部和两侧 并且至少有一个检验测试点位于要求预抽区域内距边缘不大于2m的范围 至少有一个检验测试点位于预揭石门巷道轮廓线上 1 2煤层瓦斯压力 含量测定规范 4 沿空掘巷突出危险性效果检验点布置 对沿空送巷掘进工作面突出危险性效果检验时 在煤巷条带每间隔20 30m至少布置一个检验测试点 每个检验区域不得少于3个点 且检验测试点要在预掘煤巷中心线至煤巷轮廓线外15m范围均匀布置 二 煤层瓦斯压力测定 瓦斯压力测定技术发展概况 瓦斯压力测定国家标准 新安煤田瓦斯测压难点 新安煤田瓦斯压力测定方法 2 3 2 4 2 5 2 6 2 1概述 指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力 是决定瓦斯含量的主要因素 造成突出的重要压力之一 多年来 面对新安煤田煤层透气性低 顶底板破碎等复杂地质条件 经过不断探索 总结了一套测压钻孔施工和封孔方法 煤层瓦斯赋存和流动规律 总结了前人煤层瓦斯压力测定工艺 介绍了瓦斯压力测定的国家标准 详细介绍新安煤田测压工序 2 1概述 煤层瓦斯压力 新安煤田瓦斯压力测定概况 本节主要内容 2 2瓦斯在煤层中赋存及流动规律 瓦斯的概念及来源 瓦斯的性质 瓦斯的生成 瓦斯在煤层内的存在状态 煤层瓦斯赋存的垂向分带 煤对瓦斯的吸附特性 影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素 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 2 1瓦斯的性质及生成 2 2 2煤层瓦斯赋存 2 2 3煤层瓦斯运移的基本规律 2 2 1瓦斯性质及其生成 1 瓦斯及性质 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 甲烷是无色 无味 无嗅 可以燃烧和爆炸的气体 其爆炸极限为5 16 它对人体的影响同氮相似 可使人窒息 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 2 2 1瓦斯性质及其生成 2 瓦斯生成 在生物化学作用成气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 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 1 煤层瓦斯赋存状态 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 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xM yH2O 其中M代表烃 固溶态等 但现有开采水平下 游离瓦斯仅占5 12 其余为吸附瓦斯 2 2 2煤层瓦斯赋存 2 煤层瓦斯垂向分带 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CO2 N2 N2与N2 CH4三个带的统称 各带不仅瓦斯组分不同而且瓦斯含量也不相同 2 2 2煤层瓦斯赋存 2 煤层瓦斯垂向分带 瓦斯风化带的下部边界可按下列条件确定 甲烷及重烃浓度之和 80 按体积 瓦斯压力P 0 1 0 15MPa 相对瓦斯涌出量qCH4 2 3m3 t煤 煤层瓦斯含量x 1 0 1 5m3 t可燃物 长焰煤 x 1 5 2 0m3 t可燃物 气煤 x 2 0 2 5m3 t可燃物 肥 焦煤 x 2 5 3 0m3 t可燃物 瘦煤 x 3 0 4 0m3 t可燃物 贫煤 x 5 0 7 0m3 t可燃物 无焰煤 2 2 2煤层瓦斯赋存 2 煤层瓦斯垂向分带 甲烷带 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0 007 0 012MPa m 近似于静水压力值 2 2 2煤层瓦斯赋存 3 煤对瓦斯的吸附特性 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 压力与温度 煤层瓦斯压力越大 其含量越高 温度温度每升高1 吸附瓦斯的能力降低约8 水分 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 煤变质程度的影响 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20 26 之间的煤到无烟煤 相应的吸附量呈快速的增长 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 煤层和围岩的透气性 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 埋深及煤层倾角 一般情况下 随着煤层埋深增加 煤层瓦斯含量也与随之增大 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 40 80 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 6 12 相对瓦斯涌出量达150m3 t 而且发生了煤与瓦斯突出 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 煤层露头 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 地质构造 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 地质构造 褶曲构造 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 火成岩的侵入 岩浆侵入含煤岩系 煤层 使煤 岩层产生膨胀及压缩 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 2 2 2煤层瓦斯赋存 4 瓦斯含量的主要影响因素 煤化程度 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 2 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 在一般情况下 以达西定律为基础来研究煤层瓦斯流动规律还是可行的 但是在特殊情况下 如石门揭开煤层 瓦斯喷出或突出 则必须按当时条件加以修正 瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内的运移有层流和紊流两种形式 而层流运移通常又可分为线性和非线性渗透两种 紊流一般只有发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯突出时的瓦斯流动 在原始煤层中瓦斯的运移是层流运动 2 2 3煤层瓦斯运移的基本规律 线性渗透 当瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时 即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成正比时 呈线性规律 符合达西定律 中国矿业大学在实验室中对用煤粉压制的圆柱形人工煤样进行的大量瓦斯渗透试验表明 瓦斯在孔隙直径较大的煤样中流动时 完全服从达西定律 即 式中q 比流量 m3 m2 d 透气系数 P1 入口处瓦斯压力平方 MPaP2 出口处瓦斯压力平方 MPa2 L 煤样长度 m 2 2 3煤层瓦斯运移的基本规律 非线性渗透 当雷诺数大于一定值以后 瓦斯在煤层中的流动即处于非线性渗流而不服从达西定律 在非线性渗流条件下 比流量与压力差之间关系可用指数方程表示 即 式中qn 在n点的比流量m3 m2 d m 渗透指数 m 1 2 dP 瓦斯压力平方的差 dn 与瓦斯流动方向一致的某一极小长度 m 透气系数 当m 1时 上式与达西定律相同 当m 1时 表明随着雷诺数增大 流体流动时在转弯 扩大 缩小等局部阻力处引起的压力损耗增大 致使比流量降低 此时流体在多孔介质中的流动就表现为非线性渗流 2 3瓦斯压力测定的目的和意义 瓦斯的概念及来源 瓦斯的性质 瓦斯的生成 瓦斯在煤层内的存在状态 煤层瓦斯赋存的垂向分带 煤对瓦斯的吸附特性 影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素 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 2 1瓦斯的性质及生成 2 2 2煤层瓦斯赋存 2 2 3煤层瓦斯运移的基本规律 2 3瓦斯压力测定技术发展概况 黄泥封孔 普通水泥浆封孔 胶囊 粘液封孔 胶圈 粘液封孔 聚氨酯泡沫封孔 煤层原始瓦斯含量法 煤层瓦斯涌出量法 残余瓦斯含量法 测压地点深度估算法 压力测定方法 2 3 1瓦斯压力直接测定法 2 3 2瓦斯压力间接测定法 2 3 1瓦斯压力直接测定法 1 黄泥封孔 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5 10m 孔径 50 75mm 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 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 2 3 1瓦斯压力直接测定法 2 普通水泥浆封孔 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 2 3 1瓦斯压力直接测定法 3 胶囊 粘液封孔 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 2 3 1瓦斯压力直接测定法 4 胶圈 粘液封孔 1980年中国矿业大学的周世宁教授等研制成功胶圈粘液封孔器 其结构图见下图 用胶圈 粘液封孔器封孔的方法被称为胶圈 粘液封孔法 它的主要封孔原理是 以可膨胀伸缩的胶圈作为封孔设备 用它封闭高压粘液 再由高压粘液封高压瓦斯 由压力表测定瓦斯压力 胶圈之间充入的高压粘液 还可以封堵周边岩石的裂隙 2 3 1瓦斯压力直接测定法 5 聚氨酯泡沫封孔 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 2 3 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 2 3 2间接测定瓦斯压力法 1 煤层原始含量 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 2 3 2间接测定瓦斯压力法 煤层瓦斯含量计算 瓦斯压力反算 2 3 2间接测定瓦斯压力法 统计计算采区总瓦斯量 Q 采区总瓦斯涌出量 m3 Q掘 Q回采 Q采空 分别为掘进 回采和采空区的总瓦斯涌出量 m3 Q残 残存在运出采落煤炭中的瓦斯含量 m3 X 采区内平均每m3煤炭所含的瓦斯量 m3 m3 采区内的煤总体积 m3 查右图 煤层瓦斯涌出量法 这种方法一般只适用于无邻近煤层的单一煤层 其优点在于根据通风报表即可得出煤层瓦斯压力值 不需专门进行测压工作 但其缺点是极其粗略 2 3 2间接测定瓦斯压力法 绘图 参与瓦斯含量 这种测定方法的优点是井下操作较少 且可适用于煤层测压 但它的缺点是实验室内工作量大 同时煤结构有变化 且t0时间准确性需商榷等 在岩芯管开始采样前 取样开始立即计时 取出煤样后迅速放入密封罐中 记录从取样倒放入罐中的时间t0 然后再到实验室中测出没有的剩余瓦斯含量 测完后再充以瓦斯达到某一瓦斯压力后 突然释放瓦斯 放散瓦斯的时间与t0相同 然后又测其剩余瓦斯含量 如此变换瓦斯压力重复这一操作几次 绘制出真实瓦斯压力和放散瓦斯时间t0后的剩余瓦斯含量关系曲线 求出真实的瓦斯压力 2 3 2间接测定瓦斯压力方法 测压地点深度估算法 根据已开采深度范围内瓦斯压力与开采深度之间的关系 估计未知开采深度的瓦斯压力值 其关系式为 式中P 距基表H深处的瓦斯压力 MPa k 常数 由统计分析或经验得到 应由具体矿井确定 H 距地表的深度 m 这一估计方法和我国某些瓦斯矿井的情况相符 但是 由于瓦斯压力和地质条件密切联系 因此该方法也仅可作为参考 2 4瓦斯压力测定国家标准 煤层瓦斯自然渗透 测压室内平衡的瓦斯压力 按测压方式 按封孔材料 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 测压规范 2 4 1测定原理 2 4 2测压方法分类 2 4 3瓦斯压力测定工艺 2 4 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 按封孔材料 2 4 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 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 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 2 4 3瓦斯压力测定工艺 2 4 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5 10d 当煤层的瓦斯压力大于4MPa时 则需20 40d 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 2 5新安煤田瓦斯测压难点 测压难点 新安煤田煤层透气性低且破碎岩层较为发育 封孔时易漏浆 影响封孔质量 小构造发育 破碎岩层多 钻孔出水会增加封孔难度 影响封孔效果 煤层顶底板破碎 封孔时漏浆严重 影响封孔质量 新安煤田煤层透气性低 测压周期长 2 6新安煤田瓦斯压力测定方法 2 6 1测压地点选择2 6 2测压方法选择2 6 3钻孔施工2 6 4封孔工艺仰孔封孔工艺俯孔封孔工艺2 6 5瓦斯压力观测装表测压及补充氮气测压管理瓦斯压力观测瓦斯压力确定方法 2 6 1测压地点选择 测压地点选择的原则 同一地点应施工不少于两个测压钻孔 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 石门揭煤瓦斯压力测定按 防治煤与瓦斯突出规定 简称 规定 的有关规定进行 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 2 6 1测压地点选择 测压地点选择的原则 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 在煤层顶底板无含水层 构造带 裂隙带的测压处 可采用速凝膨胀水泥封孔测压法 在煤层顶地板有含水层的测压处 可采用全孔注浆 扫孔 注水泥浆封孔测压法 2 6 3钻孔施工 速凝膨胀水泥封孔测压法测压钻孔施工工序 开孔选择 75mm的钻头钻进 钻进中要及时根据钻屑特征判断钻孔地质情况 参照地质柱状图比对分析钻孔的实际地质构造 要准确记录钻孔情况 包括钻进速度 有无卡钻 抱钻 顶钻等情况 要准确记录钻孔见煤时间 见煤点 穿煤长度等参数 钻孔应穿过煤层顶板0 5m 仰角 或底板0 5m 俯角 如遇煤层顶 底板含水 钻孔也可不穿透煤层 防止顶底板水进入测压腔影响测压准确性 钻孔位置及钻孔参数确定 钻孔施工 钻孔清理 根据预测压地点的 地质说明书 编制钻孔设计 钻孔设计必须明确开孔位置 方位 角度 钻进深度 终孔后退出钻具 必要时利用压风进行清孔 将孔内水和钻屑排出钻孔 2 6 3钻孔施工 全孔注浆 扫孔 注水泥浆封孔测压法测压钻孔施工工序 开孔选择 113mm钻头钻进6 8m深停止 退出钻具 清理净钻屑后 将孔口管送入孔内 用速凝水泥固定 外露长度100 200mm 再用泥浆泵注入水泥浆 水 水泥 1 1 5 加固孔口管 40 的仰角孔在孔口管和孔壁之间插入4分铁管注浆 40 仰角孔和俯角孔在孔口管内注浆 对于直到孔口管外不再漏浆为止 待加固孔口管的水泥浆凝固后 一般24h 用 75mm钻头扫孔到6 5m处停止钻进 退出钻具 用注浆泵注水对孔口管做耐压试验 耐压 8MPa 稳定时间 10min 试验合格方可继续钻进 否则 重新注浆加固 重新试验 直至试验合格 钻孔施工到接近煤层时停止钻进 退出钻具 将孔口管封堵 连接注浆泵 再次进行耐压试验 钻孔位置及钻孔参数确定 钻孔施工 根据预测压地点的 地质说明书 编制钻孔设计 钻孔设计必须明确开孔位置 方位 角度 钻进深度 2 6 3钻孔施工 全孔注浆 扫孔 注水泥浆封孔测压法测压钻孔施工工序 试验合格后 利用注浆泵向孔内注入水泥浆 耐压 8MPa 水泥浆配比为 水 水泥 1 0 5 1 1 5 待水泥浆凝固后 一般24h 以原孔方位 角度进行扫孔 用 75mm钻头钻进至接近煤层处 退出钻具30min后观察孔口是否有水流出 如有则重复上两步骤 直至孔口不流水 确定堵水成功后 继续用 75mm钻头钻进 钻孔应穿过煤层顶板0 5m 仰角 或底板0 5m 俯角 如遇煤层顶 底板含水 钻孔也可不穿透煤层 防止顶底板水进入测压腔影响测压准确性 钻孔施工 耐压实验 终孔后退出钻具 必要时利用压风进行清孔 将孔内水和钻屑排出钻孔 2 6 4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安装压力表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 A型测压管 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 见右图 具体施工步骤如下 仰孔封孔测压示意图 管路铺设 2 6 4封孔工艺 仰孔封孔工艺 具体施工步骤如下 根据钻孔深度确定测压管 回浆管的长度 测压管应进入煤层 回浆管长度小于测压管0 5m 回浆管每段之间用直通连接 将测压管用12号铁丝绑扎在回浆管上送入孔内 每隔2m绑定一次 确保不发生滑移 将测压管和回浆管送到预定位置后外露长度不小于300mm 将注浆管送入孔内 外露长度不小于300mm 2 6 4封孔工艺 仰孔封孔工艺 密封孔口 将浸透水的速凝水泥塞入孔中 用木棍将其向孔深处塞实 进入孔内0 5 0 7m 固定好孔口 注浆封孔 注浆封孔 待速凝水泥凝固后 向孔内注浆进行封孔 水泥浆配比 重量比 特种膨胀水泥 水 110 80 安装压力表 待水泥浆凝固后 一般24h 2 6 4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 开动注浆泵 向孔内注入水泥浆液 认真观察回浆管返浆情况 发现返浆立即关闭回浆管阀门 停止注浆 关闭注浆管阀门 安装压力表 待水泥浆凝固后 一般24h 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 开动注浆泵 向孔内注入水泥浆液 发现孔口周围岩石裂隙漏浆时停止注浆 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2 3min注一次浆 注浆量视漏浆情况确定 不再有漏浆时实施连续注浆 安装压力表 待水泥浆凝固后 一般24h 2 6 4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 见下图 钻孔具体封孔步骤如下 俯孔封孔测压示意图 管路铺设 灌浆封孔 密封孔口 安装压力表 2 6 4封孔工艺 俯孔封孔工艺 管路铺设 根据钻孔深度确定测压管长度 测压管应进入煤层 距测压管底端3000mm位置包缠棉纱 按照逆时针方向围绕测压管缠绕 形成马尾状 大小以能通过孔径为宜 将测压管送入预定位置后顺时针旋转并反复抽拉至稳固 外露长度不小于300mm 密封孔口 将浸透水的速凝水泥塞入孔中 用木棍将其向孔深处塞实 进入孔内0 5 0 7m 固定好孔口 注浆封孔 注浆封孔 待速凝水泥凝固后 向孔内注浆进行封孔 水泥浆配比 重量比 特种膨胀水泥 水 110 80 安装压力表 待水泥浆凝固后 一般24h 2 6 5瓦斯压力观测 装表测压及补充氮气 用高压胶管作为测压管时 需要使用配套的连接配件连接 压力开关连接在三通的一端 如上图所示 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 还可用来连接氮气或二氧化碳钢瓶 向测压室内充入氮气 注浆封孔完成后 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 如下图 将高压氮气钢瓶和压力表开关相连 打开氮气钢瓶和压力表开关立刻向孔内注入氮气 以预估煤层瓦斯压力的1 2倍为宜 然后关闭压力表开关阀 停止注氮 2 6 5瓦斯压力观测 瓦斯压力观测 前期 72h内 一小班一次 之后每天观测一次 如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下表 测压管理 必须设专人负责瓦斯压力的测定工作 在瓦斯压力测定过程中 应作好各种参数及施工情况的记录 2 6 5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 三 煤层瓦斯含量测定 概述 煤层瓦斯含量测定 3 1 3 2 3 1概述 概念及意义 1 概念 单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量 标准状态下的瓦斯体积 包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分 2 意义 煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据 是矿井瓦斯抽放设计的重要参数之一 因此 测量煤层中的瓦斯压力 估算煤层中的瓦斯含量是矿井瓦斯防治的一项十分重要的工作 3 根据方法特点 1 直接测定法 该法比较简单 直接从煤 岩试样中抽出瓦斯 测定其成分和瓦斯含量 2 间接测定方法 比较复杂 先测定孔隙率 a b值 煤的工业分析 再计算瓦斯含量 3 2煤层瓦斯含量测定 测定步骤 采样 井下自然瓦斯解吸量测定 损失瓦斯量计算 实验室煤样脱气及气体成分分析 煤层瓦斯含量计算 直接法测定 煤层瓦斯含量井下直接测定方法 GBT23250 2009 3 2煤层瓦斯含量测定 1 采样 采样准备 1 所有用于取样的煤样罐在使用前必须进行气密性检测 气密性检测可以通过向煤样罐注空气至1 5MPa以上 关闭后搁置12h 压力不降低方可使用 不应在丝扣及胶垫上涂润滑油 2 解吸仪在使用前 将量管内灌满水 放置10min量筒水面不降低为合格 2 意义 煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据 是矿井瓦斯抽放设计的重要参数之一 因此 测量煤层中的瓦斯压力 估算煤层中的瓦斯含量是矿井瓦斯防治的一项十分重要的工作 煤样采集 1 采样钻孔布置 同一地点应布置两个取样钻孔 取样点间距不小于5m 2 在石门或岩石巷道可打穿层钻孔取煤样 在新暴露的煤巷中应首选煤芯采取器 简称煤芯管 或其他定点取样装置定点采集煤样 3 2煤层瓦斯含量测定 1 采样 采样深度 采样深度应按以下两种情况确定 1 测定煤层原始瓦斯含量时 采样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 在采掘工作面取样时 采样深度应根据采掘工作面的暴露时间来确定 但不应小于12m 在石门或岩石巷道采样时 距离煤层的垂直距离应视岩性而定 但不应小于5m 2 抽采后煤层残余瓦斯含量测定时 采样深度应符合AQ1026的规定 采样时间 采样时间是指用于瓦斯含量测定的煤样从暴露到被装入煤样罐密封所用的实际时间 不应超过5min 3 2煤层瓦斯含量测定 1 采样 采样要求 1 对于柱状煤芯 采取中间不含矸石的完整的部分 2 对于粉状及块状煤芯 要删除矸石及研磨烧焦部分 3 不应用水清洗煤样 保持自然状态装入密封罐中 不可压实 罐口保留约10mm空隙 采样记录 采样时 应同时收集以下有关参数记录在采样记录表中 参见附录A 1 采样地点 矿井名称 煤层名称 埋深 地面标高 底板标高 采样深度 钻孔方位 钻孔倾角 2 采样时间 取样开始时间 取样结束时间 装样结束时间 3 编号 煤样罐号 样品编号 3 2煤层瓦斯含量测定 2 井下自然瓦斯解吸量测定 井下自然解吸瓦斯量采用排水集气法 瓦斯解吸仪与煤样罐连接 每间隔一定时间记录量管读书及测定时间 连续观测 60 120 min或解吸量小于2cm2 min为止 开始观测前30min内 间隔1min读一次数 以后每隔 2 5 min读一次数 将观测结果填写到测定记录表中 见附录B 同时节理气温 水温及大气压力 测定结束后 密封煤样罐 并将煤样罐沉入清水中 仔细观测10min 如果发现有气泡冒出 则该试样作废应重新测试 如果不漏气 送实验室继续测定 3 2煤层瓦斯含量测定 3 损失量计算