瓦斯基础参数测定试验指导书

1、矿井瓦斯防治及矿井通风瓦斯方面实验瓦斯基础参数测定实验一、实验目的1.掌握胶囊粘液封孔法直接测定煤层瓦斯压力的原理、方法，了解井下的瓦斯压力测定程序；2.掌握直接法测定煤层瓦斯含量（DGC）的原理、方法，了解井下瓦斯含量测试程序；3.掌握瓦斯吸附常数的测定原理、方法，掌握高压容量法测定吸附常数步骤；二、实验原理1. 通过钻孔揭露煤层，安设瓦斯压力测定装置及仪表，封孔后，利用煤层瓦斯的自然渗透作用，使钻孔揭露煤层处或测压室的瓦斯压力与未受钻孔扰动煤层的瓦斯压力达到相对平衡，并通过测定钻孔揭露煤层处或测压室的瓦斯压力来表征被测煤层的瓦斯压力。按照封孔方式分为主动式和被动式，主动式封孔的基本原理是“

2、固封液，液封气”，即在封闭段两端的固体物质间注入压力密封液，在高于预计瓦斯压力的密封粘液的作用下，密封液渗入孔壁与固体物的裂缝和孔隙周围的裂隙中以阻止煤层瓦斯泄漏（胶囊粘液封孔）；被动式封孔的基本原理是用固体物充填测压管与钻孔壁之间的空隙（如黄泥、水泥砂浆、聚氨酯等）。2. 该测定装置将煤层瓦斯含量分为：瓦斯损失量W1、常压瓦斯解吸量W2、粉碎瓦斯解吸量W3和常压残存量Wc。通过向煤层施工取芯钻孔，用井下取芯系统将煤芯从煤层深部取出，及时封入煤样筒中；井下进行煤样瓦斯解吸速度测定以及损失时间的记录，利用公式ati进行瓦斯损失量W1的计算；把装有煤样的煤样筒带到实验室进行常压解吸，测量从煤样筒中

3、释放出的瓦斯量W21, 与井下测量的瓦斯解吸量W22计算煤芯瓦斯解吸量W2；称量煤样总重后称取二次煤样进行常压粉碎解吸，并以此计算粉碎瓦斯解吸量W3；则可解吸瓦斯含量Wm为：WmW1W2W3。采用朗格缪尔公式计算常压残存量Wc，则可得出煤层瓦斯含量W= Wm+Wc。3. 煤中大量的微孔内表面具有表面能，当气体与内表面接触时，分子的作用力使甲烷或其他多种气体分子在表面上发生浓集，称为吸附。气体分子浓集的数量渐趋增多，为吸附过程；气体分子复返回自由状态的气相中，表面上气体分子数量渐趋减少，为脱附过程。表面上气体分子维持一定数量，吸附速率和脱附速率相等时，为吸附平衡。煤对甲烷的吸附属于物理吸附，通过

4、实验获得七点对应瓦斯压力下的吸附量，通过数据拟合获得吸附常数a、b值。三、实验仪器及方法实验用到的仪器设备包括：MWYZ-H型瓦斯压力测定仪、DGC型瓦斯含量测定装置及HCA型高压容量法吸附参数测定装置。1.瓦斯压力测定仪器及使用方法实验仪器采用华北科技学院独立研发的MWYZ-H型主动式煤层瓦斯压力测定仪及相关安装工具、补气气瓶等。仪器结构图如附图所示。仪器使用方法及测试步骤如下：（1）在井下正式测试之前，需在地面模拟钻孔中做耐压试验，试验压力应高于井下预计瓦斯压力0.51.0 MPa（注意：该仪器的额定测压值为6 MPa）。在地面试验中应认真观察整个观测系统是否可靠，发现情况异常或泄漏应及时

5、查明原因，并进行排除，以确保整个测试系统在井下安全可靠。（2）选择合适的测压地点，测压地点应无复杂地质构造。直接在煤层中进行瓦斯压力测定时，应选择新鲜暴露煤层；通过岩层测定煤层瓦斯压力时，应垂直于煤层打钻，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。注意：钻孔直径宜为7075mm，否则，直径过大会造成胶囊过度膨胀，易使胶囊破裂。（3）胶囊用的乳化液必须经过过滤，且杂质粒度应小于1mm，以防由于管路堵塞，造成胶囊压力低于压力表显示的压力。乳化液为皂化液+水，其体积比为1:19（即1份皂化液+19份水）。（4）在打钻期间，完成压力粘液的配制，并放入粘液罐中。压力粘液为膨润土+乳化液

6、（或水），其体积比为1:7（即1份膨润土+7份乳化液或水）。若密封粘液使用三相泡沫，可先将泡沫粉先放入胶囊之间的护管里，然后使用手压泵打水或乳化液。注：压力粘液的输送可以选择氮气瓶气压驱动，也可选择手压泵用乳化液驱动。（5）钻孔完工后，要清除孔底的钻屑，以提高密封效果。清除完钻屑后，要尽快将封孔器送入钻孔中，这样可大大缩短测压时间。（6）将封孔器放入钻孔内的预定位置后，为避免危险，先暂时打开瓦斯补气口处的开关，排放瓦斯，然后利用手动式乳化液泵将乳化液压力加至1.5 Mpa，检查胶囊是否膨胀并封住钻孔。检查时可用力拉护管，观察是否松动。如松动，说明胶囊未膨胀，应先放出乳化液卸压，然后检查管路是否

7、发生阻塞，并及时排除，确保胶囊及管路通畅之后方可使用。（7）在整个操作和测压期间，工作人员不得面对封孔器，以防封孔器突然冲出伤人。 （8）封孔器安装完毕后，应把“管道冲出危险 切勿正对钻孔”警示牌挂在钻孔处的护管上，并通过护管将封孔器固定在专用的立柱上，以防测压时封孔器突然抛出。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，如果没有固定封孔器的立柱，封孔器可能在瓦斯压力作用下突然抛出，造成事故。（9）胶囊膨胀封住钻孔后，打开氮气瓶总开关和粘液罐高压截止阀开关。为了快速将粘液密封腔充满粘液，先将氮气瓶减压表的压力调到0.81.0 MPa，当粘液密封腔充满粘液后，再将氮气瓶减

8、压表的压力暂时调到0.20.3 MPa，封堵胶囊周边钻孔裂隙。（10）关闭瓦斯补气口处的开关，观察瓦斯压力表上的变化。为加速瓦斯压力的上升，缩短测压时间，在完成钻孔密封后可通过瓦斯补气口向瓦斯室内充入补偿高压氮气。注：补气一般选择氮气瓶补气。（11）测压期间要定时观察和记录瓦斯压力、乳化液压力和粘液压力。如乳化液压力或粘液压力下降，应及时补压，保证乳化液压力高于瓦斯压力1.5 MPa，粘液压力高于瓦斯压力0.20.3 MPa。（12）如果瓦斯压力连续24小时没有变化，则可认为这个稳定的压力就是煤层瓦斯压力。（13）测压完毕后，回收测压仪。注意：测压仪回收时，要严格按照操作程序，按顺序进行，先释

9、放瓦斯，再释放粘液压力，最后释放胶囊乳化液压力，否则会出现危险。（14）测压仪器使用完后应及时清理，并擦干各部件，以防生锈。注意：通粘液的通道要通过手动式乳化液泵打压清洗，避免粘液堵塞管路。2. 瓦斯含量测定装置及使用方法实验仪器采用DGC型瓦斯含量直接测定装置，该仪器是一套实验室结合井下使用的成套测定设备。由井下测定装置和地面测定装置组成，分为井下取芯与井下解吸系统、地面瓦斯解吸系统、称重系统、煤样粉碎解吸系统、水分测定系统和数据处理系统，是目前精度最高、速度最快的煤层瓦斯含量（W）及可解吸瓦斯含量（Wm）测定设备。测定流程如下图所示：图1 瓦斯含量测定流程仪器使用方法如下：1. 测试前准备

10、工作。取芯系统主要为取芯管和井下解吸系统操作规程中的仪器及物品，测试前要进行清点以防遗漏；需将充气后的密封装置浸入清水中检查气密性；钻机及钻杆配套性。2. 到达取芯目的地后在钻机调整或开孔过程中要准备好井下解吸系统，在煤样取出前做好以下的准备工作：首先将井下解吸仪底塞打开灌水至适当刻度（“0”刻度或以下附近），放入密封垫圈后拧紧底塞。在井下解吸仪灌水过程务必注意防止密封垫圈丢失；灌水时要底座口朝上，待灌水完毕并上紧底塞（手持底座进行底塞的旋紧）后要立即倒置井下解吸仪，使底座朝下并观察井下解吸仪内液面是否下降，若无下降则密封良好，若液面下降则检查底塞是否加密封垫圈以及旋紧底塞。解吸仪灌水完毕将其

11、悬挂并检漏后，用乳胶管一端连接解吸仪进气嘴（长度较长的气嘴），出液嘴（长度较短气嘴）待煤样筒装入煤样后连接煤样筒出气嘴，读取液面初值并记录。打开煤样筒盖，准备煤样的装入；打开煤样筒盖上阀门检查出气嘴是否有堵塞现象，并将煤样筒阀门始终处于开启状态，与“O”型密封圈一起放置一旁以便随时取用。打开矿用大气压力表盖让其暴露在空气中，待读数稳定后读取大气压力(KPa)和温度计读数()。井下解吸装置连接如下图：图2 解吸装置示意图3. 取芯管取样。取芯钻孔先用开孔钻头施工，采用湿式钻进；当钻进到预定深度后退出钻杆换用取芯管进行取芯；取芯过程水（风）量大小可根据煤层软硬情况进行调整。取芯管送达孔底后，调整钻

12、进参数，进行取样钻进，同时用秒表记录起钻时间；钻进至取芯管装满为止，记录钻进结果时间；快速退出取芯管，将所取煤样进行适当分选，装进煤样筒，并用秒表记录煤样筒密封时间，取样工作结束；之后进行下一轮取芯作业。仔细做好以下记录：取芯时间、取芯位置、取芯位置埋深、取芯人员、钻机及钻头型号、开孔时间及位置、开孔高度、开孔倾角及方位角、煤样粒度大小、煤层厚度、取芯深度、钻机钻进到预定深度时停钻时间、取芯开始时间、取芯结束时间、钻杆退出钻孔时间和开始解吸时间。4. 煤样封装及井下解吸。煤样取出后快速封入煤样筒，封入煤样筒煤样选取粒径较大且质量大于500g，然后将煤样筒出气嘴用乳胶管与井下解吸仪连接。煤样筒与

13、井下解吸仪连接前准确读初值，井下解吸仪液面（凹液面）刻度并作记录作为初始刻度，连接瞬间待气体涌出后迅速读取液面刻度作为0min刻度并打开秒表计时。然后每一分钟读取液面刻度一次，直至30min结束。若解吸过程中解吸瓦斯体积达到井下解吸仪最大量程85%时，关闭煤样筒阀门重新给井下解吸仪灌水后再开启煤样筒阀门按照操作步骤继续解吸，并将换水时间内的累加解吸量平均分配到换水时间上；井下解吸瓦斯量数据用以推算瓦斯损失量W1；井下解吸结束后解吸仪读数终值与初始刻度读数之差即为井下瓦斯解吸量W21。所读读数务必做好记录填入相应已准备的表格。解吸完毕后关闭煤样筒阀门，并放入清水中进行煤样筒气密性检测，若出现漏气

14、现象则该样作废，若无漏气现象则放置一旁，待升井时一同带入实验室。5. 地面解吸前准备工作。地面解吸装置包括两组解吸玻璃管，并配有甲基橙（指示剂）的工作液；将煤样筒出气嘴连接到地面瓦斯解吸测量管（1500ml/根）上，开启地面解吸装置背光灯管，操作玻璃管操作手柄到吸水排气档，按动真空泵启动按钮进行排气吸水，当液面到达适当位置（根据瓦斯解吸量确定）时停止，调节解吸管操作手柄到隔绝真空泵连通状态，使解吸管处于密封状态。解吸管密封性检测：在打开煤样筒阀门解吸开始前观察液面下降情况，若在1min内玻璃量管内液面无下降则气密性良好，若存在要及时排除方可进行瓦斯解吸。6. 实验室常压解吸。在确认调试完好后，

15、缓慢打开煤样筒阀门，隔一定时间间隔读取一次瓦斯的解吸量，时间间隔的长短取决于解吸速度；并注意观察解吸累计量的变化规律，发现异常及时处理，或报废。当单根解吸玻璃管内液面低于1300ml时，关闭煤样筒阀门进行换水，并重复上述操作步骤，直至一分钟内瓦斯泻出量少于5ml时结束（约40min）。记录周围环境的温度、大气压力及测试人员等。测量结束后，记录释放出的瓦斯量W22，W22与井下瓦斯解吸量W21之和换算为标况下单位质量瓦斯体积即为常压解吸瓦斯含量W2；解吸完毕后转入煤样称重操作系统。7. 煤样总量称重及粉碎煤样称重。将常压解吸结束后的煤样从煤样筒倒入大煤样盆，将矸石等非煤物质剔除后进行煤样总重G称

16、量，并做好相关记录。从煤样盆中取两份相等量的二次煤样，记录二次煤样重量G2，煤样的质量一般取100200g，选择整芯或较大块的煤样，确保二次煤样和全煤样有相同的特性。两份二次煤样测试结果相差30%以上，则再取第三份二次煤样。若煤样粒度较大（粒径大于26mm），则用铁锤在破碎试验台上粉碎到较小颗粒(最大粒度不超过26mm)，测量每份二次煤样的质量G2后，逐份将煤样装入粉碎机料钵中粉碎解吸。8. 常压粉碎解吸。连接解吸玻璃量管（1000ml/根），其操作与地面解吸系统中解吸玻璃量管操作相同，检查气路部分的气密性，保证气路系统和料钵、盖三者之间不漏气。解吸玻璃量管气密性按照4.3.2.3中检测。粉碎

17、机料钵气密性检测：料钵卡紧后将气嘴与图1中解吸玻璃管气嘴1连接，将解吸玻璃管充水后处于工作状态，将解吸玻璃管气嘴1处于进气放水状态，待量管稳定后若1min内液面下降小于10ml则气密性良好。将称量好的二次煤样放入料钵内，盖好带有密封圈的盖子，并压紧密封严实。将粉碎机定时器定时为35min，运行时观测两份粉碎煤样的解吸瓦斯量体积W31或W32，当单根解吸玻璃管内液面低于850ml时要重新排气吸水后继续测定。若两份同质量的煤样瓦斯解吸量W31和W32相差小于30%，则取其平均值作为粉碎解吸瓦斯含量W3并作记录；若二者相差大于30%，则要重新称取第三份二次煤样进行粉碎。煤粒在粉碎机粉碎35min左右

18、，待粉碎至1min中瓦斯解吸量小于10ml时为止。粉碎结束后，将料钵内煤样倒出并用棉花将料钵和滑块擦拭干净，重复上述步骤进行另一份煤样的粉碎，直至全部煤样粉碎结束。9. 煤样的保存、水分测定、气样采集。将未粉碎煤样、粉碎后的两次煤样分别装入煤样袋，并填写标签一同放入煤样袋保存；标签所填内容包括：取芯时间、取芯地点、取芯深度、煤样总重、粉碎二次煤样重量及其粉碎解吸量等。3. 高压容量法测定吸附参数装置及使用方法实验装置为HCA高压容量法吸附装置。仪器系统主要包括：称量系统、真空烘干系统、脱气系统、充气系统、吸附系统、监测系统、附属物品。仪器使用方法如下：1. 制备煤样。煤样粒度为0.20.25m

19、m，实验之前需要测试煤的孔隙率、水分、灰分、挥发分等参数；2. 称样。对盛装试样的煤样杯应预先编号，保存到干燥器中。称取试样前，应将煤样瓶适当旋转，使瓶中煤样混匀。在电子天平中称量煤样50g左右，精确到0.0001g。3. 烘干。将煤样杯中称好的煤样置于真空干燥箱内，设定真空干燥箱温度为8085，启动真空泵开始脱气，当干燥箱内的真空度保持在13Pa以下时，使煤样在恒温下烘干6h左右取出，立即放入干燥器内冷却保存。4. 装罐并检查气密性。烘干并冷却后的煤样应仔细装入有编号的吸附罐内，注意不得造成煤样的抛撒与损失，煤样装入吸附罐后要轻敲震平，并在上面铺盖一衬有薄层脱脂棉的铜网，以防脱气或解吸瓦斯时

20、细煤末飞出，旋紧螺钉，用游标卡尺测量罐缝高度（即吸附罐罐体与罐盖间的缝隙高度，它反应了每次装入煤样后，由于压紧螺钉的松紧程度不同而使死空间大小发生变化。将高压瓦斯气体充入吸附罐中检查气密性。充入瓦斯压力应高于试验压力4MPa以上，将充有高压瓦斯的吸附罐置于水中，检查各接头位置及高压阀门口、螺钉处均不应有气泡冒出。5. 脱气。将经过气密性检查之吸附罐缓缓打开高压阀门，放掉高压瓦斯后与罗茨真空泵机组、脱气气路系统（即脱气箱）相联接。关闭真空机组的大气连通阀，依次开启真空计电源和真空机组，旋转气路系统的玻璃活塞，然后缓慢打开吸附罐高压阀门进行脱气，5分钟后将吸附罐置于60超级恒温水浴中。脱气时间视不同煤样、煤样数量及泵的能力而定，但要求真空度小于4Pa后至少再连续脱气4h。脱气完成后关闭吸附罐高压阀门，停止真空机组，并将真空机组与大气连通，关闭真空计。6. 低压吸附实验。将充入瓦斯的量管和经过清洗的连接胶管与经过脱气的吸附罐相连。开启量管上部活塞使之处于与吸附罐相连通状态，移动水准瓶使水准瓶内的液面与量管内的液面保持一致，记录量管内的液面刻度，此刻度为量管初始体积。然后缓缓打开吸附罐的高压阀门，此时量管内的瓦斯将被吸入吸附罐内，注意不断移动水准瓶使其液面与量管内的液面保持一致。低压吸附之煤样的吸附速度小于0.5cm3/h时，即可认为达到了吸