瓦斯压力测定技术方案林南仓矿

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林南仓矿煤层瓦斯赋存规律及其灾害防治研究技术方案开滦集团林南仓矿华北科技学院2009年3月10日10

1林南仓矿煤层瓦斯赋存规律及其灾害防治研究技术方案1概述煤层瓦斯治理是一个世界性的难题，目前还没有从根本上解决瓦斯灾害。我国煤层赋存条件复杂多变，瓦斯灾害最为严重，是瓦斯事故最多的国家之一。在长期治理瓦斯的实践中，我国已探索形成了“以煤层瓦斯含量测定为基础，以瓦斯危险程度预测为依据，以瓦斯防治措施为手段"的瓦斯综合治理模式.其中,煤层瓦斯基本参数测定及赋存规律研究是一切瓦斯防治工作的基础.近十年来，国内外对煤层瓦斯参数（瓦斯压力、瓦斯含量、透气性等）及赋存规律进行了大量的研究。在瓦斯压力测定方面主要采用直接测定法，根据封孔原理的不同，一般分为被动式与主动式两种。被动式封孔测定法采用黄泥、水泥沙浆、胶圈、胶囊等进行封孔测定,由于该方法对钻孔周边微裂隙缺乏封堵能力,故而容易发生瓦斯泄漏，造成所测瓦斯压力值偏低。主动式封孔测压方法在20世纪80年代由周世宁院士等提出,其基本原理是用固体封液体、用液体封气体，且封孔液体的压力始终高于瓦斯压力，被称为能够准确测定煤层瓦斯压力的有效方法。瓦斯含量测定法也分为两类，即直接法和间接法.间接法是国内外最常用的煤层瓦斯含量测定方法,该法根据已知的煤层原始瓦斯压力和实验室测出煤的吸附常数值，通过朗格缪尔方程和气体状态方程分别求出煤层的吸附瓦斯量和游离瓦斯量，将两者相加后得出煤层的瓦斯含量。直接法通过测定和计算采样过程的损失瓦斯量、解吸瓦斯量和残存瓦斯量这三部分之和获得煤层原始瓦斯含量。几十年来，人们在探索直接测定原始煤层透气性系数上作了很多工作，提出了很多煤层透气性系数测定方法，其中有代表性的有马可尼压力法、克氏压力法、克里切夫斯基流量法及周氏钻孔流量法。10

2国内外对煤层瓦斯赋存规律进行了大量的研究，但对煤层瓦斯赋存规律的基础参数测定准确性多不高，测点选择典型性不够;同时对瓦斯赋存规律的影响因子、影响因素的权重是主观人为确定的，缺少科学性。对煤层瓦斯赋存规律的分析评估存在人为划分质量等级等问题，没有建立科学表现煤层瓦斯赋存规律的分析、评估、预测模型，因而影响了瓦斯灾害防治措施的有效性。本项目的研究的主要目的是获取林南仓研究区内煤层瓦斯赋存基础参数，在此基础上得出煤层瓦斯赋存分布规律.项目的开发实施将对林南仓矿煤层的瓦斯预测和灾害防治提供坚实的基础,对于保障林南仓矿的安全生产具有重大的意义.2主要研究内容与目标2.1主要研究内容(1)结合林南仓矿研究区煤层的实际情况,选择有6~9个代表性的煤层瓦斯参数测定地点，进行煤层瓦斯基础参数测定。（2）根据测定的瓦斯基础参数，分析影响煤层瓦斯赋存状态的因素，建立能科学表征煤层瓦斯赋存状态的评估指标体系。（3）量化指标体系中的定性因素，定量分析各因素对煤层瓦斯赋存规律的影响程度，建立能科学分析、评估、预测林南仓矿煤层瓦斯赋存规律的模型.（4)在上述研究基础上，得出林南仓矿研究区煤层瓦斯赋存规律，给出瓦斯含量（压力）分布等值线图，从而提出合理、有效的瓦斯治理措施建议，确保煤矿安全生产.2.2目标（1）获得林南仓矿研究区煤层瓦斯压力、含量等典型瓦斯赋存基础参数。（2）得出林南仓矿研究区煤层瓦斯压力、含量等赋存分布规律.（3)对林南仓矿研究区煤层提出合理、有效的瓦斯治理技术与措施.3具体实施方案3。1研究区瓦斯参数测定点布置方案为了最大限度反应原始状态下的瓦斯压力、含量等基础参数，选择10

3瓦斯参数测定地点时可参考以下原则：1、目标煤层周围无采空区，尽量选取在最近几年新开拓的岩石巷道；2、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；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,测压煤层周围岩石致密完整、无破碎带；3、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；4、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；5、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；6、应尽可能地选择施工仰角测压孔，避免俯角和水平钻孔，同一地点测压应打两个测压钻孔;7、如果选取顺煤层施工测压孔，钻孔长度不小于10m,选取构造简单有利于施工的最新开掘的煤巷。根据上述原则，在研究区内，皮带上山由于有运输皮带,影响打钻,并且皮带运输巷内有断层影响，因此，瓦斯压力测定地点选择在新掘探煤巷中,其布置示意如图1所示。测压钻孔参数：（1）钻孔角度：垂直煤巷两帮，上仰1-5度；(2）钻孔深度：12—15m;（3）钻孔孔径：直径75mm；（4）钻孔成孔工艺：压风排碴。10

4皮带上山3#钻孔1#钻孔待掘探煤巷5#钻孔6#钻孔2#钻孔待掘探煤巷4#钻孔7#钻孔研究区瓦斯参数测点布置示意图8#钻孔10

53。2煤层瓦斯压力测定实施方案3.2。1使用的仪器与测压基本原理煤层瓦斯压力测定使用华北科技学院研制的MWYZ—HⅣ型主动式煤层瓦斯压力测定仪.主动式测压封孔方法是周世宁院士最先提出的一种用于测定煤层瓦斯压力的封孔方法.该方法的封孔原理是在封孔段两端用膨胀胶囊封孔，中间流入压力略高于煤层瓦斯压力的密封粘液,该粘液在压力作用下，不仅可以渗入钻孔壁与胶囊间的裂隙，而且还可以渗入钻孔卸压圈的裂缝和钻孔周围的天然裂隙中，杜绝瓦斯的泄漏。这样就形成了胶囊封粘液、粘液封瓦斯的主动式封孔方法，从而使测出的瓦斯压力值等于煤层真实的瓦斯压力.3。2。2测定步骤1、瓦斯测压孔施工步骤（1)根据设计要求，由工程测量人员给出开孔位置及钻孔方向线.（2）根据工程测量人员给的线进行稳钻机，使钻杆的方位与钻孔方向线重合，使钻杆的倾角与钻孔设计倾角相等,然后固定好钻机,由工程测量人员验收钻机安装是否合格,确保钻机安装合格。（3)钻机安装合格后，采用压风排碴工艺，用Ф70mm钻头钻进12～15m深停，退出钻杆，扫净孔内钻粉，即完成测压孔施工任务。2、瓦斯压力测定步骤（1）向钻孔内送入MWYZ-HⅣ型主动式煤层瓦斯压力测定仪；（2）向两个胶囊内注入水,保持水压比预计的瓦斯压力大1.5MPa左右；（3）向两个胶囊之间注入粘液，保持粘液压力比预计的瓦斯压力大0.3~0。5MPa左右；（4）为了弥补打钻施工过程的瓦斯损失，向瓦斯室充入气体，压力在1MPa左右；（5)2～3天后，孔内瓦斯室的压力平衡，压力表上的数值不再改变,即可得到煤层的瓦斯压力。3。2。3实施该技术应注意的事项10

61、MWYZ-HⅡ型主动式煤层瓦斯压力测定仪的封孔深度必须达到要求在封孔时，胶囊粘液封孔器的胶囊要下到高压封堵段的里端，使胶囊粘液封孔器测量室的长度尽可能地缩短。2、在井下正式测试之前,需在地面模拟钻孔中做耐压试验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查明原因，并予以排除，以确保整个测试系统在井下安全可靠。重点应确保胶囊充水后能即时膨胀，并且不漏水。3、钻孔直径小于80mm,否则，测压时会造成胶囊过度膨胀，易使胶囊破裂。在操作时工作人员不得面对测压仪，以防突然冲出伤人.4、测压仪回收时，要严格按照操作程序,按顺序进行,先释放瓦斯，后放粘液，最后放水，否则会出现危险。具体操作步骤如下:首先打开瓦斯压力表的阀门，将钻孔中的瓦斯放出;然后将手动乳化液泵2的卸压阀逆时针缓慢拧松，等粘液流出，直至粘液压力为0；再将手动乳化液泵保险阀打开,将卸压阀逆时针缓慢拧松，直至水压力为0.3.3煤层瓦斯含量测定实施方案3.3。1钻屑解吸法测定方案该方法是在地勘钻孔瓦斯解吸法原理的基础上改进、发展而形成的井下煤层原始瓦斯含量直接测定方法。它主要应用于我国生产矿井的本煤层、石门即将揭穿的煤层及邻近层原始瓦斯含量测定。其测定原理及步骤如下:（1)打煤层钻孔采集煤屑(本煤层）或穿层钻孔采集煤芯(石门揭煤或邻近层），用解吸仪在井下直接测定煤样的不同解吸时间t下的解吸瓦斯量Q及总解吸瓦斯量；（2)按下式推算煤样解吸瓦斯规律:q=式中q—在解吸时间为t时煤样的解吸瓦斯速度，ml/g﹒min;—t=1min时煤样的解吸瓦斯速度,m/g·min；k—解吸速度随时间的衰减系数.则在解吸时间为t时的累计解吸瓦斯量为：（3）计算损失瓦斯量10

7在测定时,从钻孔见煤时开始计时，直至开始进行煤样瓦斯解吸测定这段时间即为煤样解吸测定前的暴露时间.显然，损失瓦斯式中-煤样损失瓦斯量，ml/g；—解吸测定前煤样暴露时间，min。上式仅适用于k〈1的场合,为此在采煤样时应尽量选取较大的粒度。(4）在实验室测定煤样中残存瓦斯量；(5）测定和计算的解吸瓦斯量，损失瓦斯量和残存瓦斯量这三部分之和即为煤层原始瓦斯含量。与地勘钻孔瓦斯解吸法相比，该法具有明显优点：一是暴露时间短，一般为3-5min，易准确进行测定；二是煤样在钻孔中的解吸条件与空气中大致相同,无泥浆和泥浆压力的影响。3.3.2快速瓦斯含量测定该方法采用WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪，其使用测定步骤如下：(1）在工作面前方打钻，取新鲜、干燥的煤样,要求煤样大小为1~3mm。(2）在采取钻屑的同时，打开仪器的电源开关,选择测定后，输入a、b值及测定编号。(3）将取好的煤样装入罐内，拧紧罐盖并与仪器的进气口连接好.（4）仪器将在2分钟后自动测定数据，整个测定过程为5分钟,测定完后，屏幕上将显示结果。3。3。3间接瓦斯含量测定根据所测的煤层瓦斯压力，在实验室测定煤的吸附常数A、B值及工业分析,以此来计算瓦斯含量.其计算公式如下：式中X—纯煤的瓦斯含量,m3/t;a—吸附常数,m3/t；b—吸附常数，MPa-1;p—煤层瓦斯压力，MPa；ts—实验室进行吸附试验的温度，oC；t—煤层温度，oC；W—煤的水份,%；n—系数；10

8K—煤的孔隙容积，m3/t;k—甲烷的压缩系数.3.4煤层透气性系数测定实施方案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本参数。目前，国内通常采用径向流量法来确定煤层透气性系数。径向流量法测定煤层透气性系数时的主要步骤如下：（1)瓦斯含量系数测定根据现场实测的煤层原始瓦斯含量和间接法反算出的煤层原始瓦斯压力，用下式确定瓦斯含量系数：α=X·γ/P0.5式中α—瓦斯含量系数，m3/（m3·MPa0。5）;X—煤层原始瓦斯含量，m3/t；γ—煤容重，t/m3；P—煤层原始瓦斯压力，MPa。(3）煤层透气性系数计算径向流量法计算煤层透气性系数的公式如下表：表径向流量法计算煤层透气性系数公式表时间准数F0=Bλ煤层透气性系数λ常数A常数B10—2～11~1010～102102～103103～105105～107λ=A1。61B0.61λ=A1.39B0。391λ=1.1A1.25B0.25λ=1.83A1.14B0.137λ=2.1A1。11B0.111λ=3。14A1。07B0.07qr1A=-———P02—P124tP01.5B=--——αr12表中：F0—时间准数，无因次；P0—煤层原始的绝对瓦斯压力（表压力加0.1)MPa；P1—钻孔中的瓦斯压力，一般为0。1MPa；10

9r1—钻孔半径,0。0375m；λ—煤层透气性系数，m2/（MPa2·d）；q—在排放瓦斯时间为t时,钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/（m2·d），可由下式确定:q=Q/2πr1L;Q—在时间t时的钻孔总流量，m3/d；L-钻孔见煤长度，一般等于煤层厚度，m；α—煤层瓦斯含量系数，m3/（m3·MPa0。5)。3.5煤的物理力学性质测定实施方案3.5.1煤的坚固性系数测定1）仪器设备及用具捣碎筒、计量筒、分样筛（孔径0。5mm，lmm，3mm，20mm，30mm各一个）、天平(最大称量1000g，感量0.5g)、小锤、漏斗、容器.2）采样与制样(1）沿新暴露的煤层厚度的上、中、下部各采取块度为10cm左右的煤样两块，在地面打钻取样时应沿煤层厚度的上、中、下部各采取块度为10cm的煤芯两块。煤样采出后应及时用纸包上并浸蜡封固,以免风化；(2）煤样要附有标签，注明采样地点、层位、时间等;（3)在煤样携带、运送过程中应注意不得摔碰；（4）对于做好的模拟试样同样要注意密封和保存好。（5）把试样样用小锤碎制成20—30mm的小块，用孔径为20或30m的筛子筛选;(6）称取制备好的试样50g为一份，每5份为一组，共称取三组。3)测定步骤（1)将捣碎筒放置在水泥地板或2cm厚的铁板上,放入试样一份，将2。4kg重锤提高到600mm高度,使其自由落下冲击试样，每份冲击3次，把5份捣碎后的试样装在同一容器中;（2）把每组（5份)捣碎后的试样一起倒入孔径0.5mm分样筛中筛分，筛至不再漏下样粉为止;(3）把筛下的粉末用漏斗装入计量筒中；轻轻敲打使之密实,然后轻轻入具有刻度的活塞尺与筒内粉末面接触.在计量筒中相平处读取数据；当≥30mm10

10时，冲击次数，即可定为3次，按以上步骤继续进行其他各组的测定。当﹤30mm时，第一组试样作废.每份试样冲击次数改为5次，按以上步骤进行冲击、筛分和测量,仍以每5份作一组，测定样粉高度。4)坚固性系数的计算坚固性系数按下式计算:式中：—-坚固性系数；-—每份试样冲击次数，次;——每组试样筛下煤粉的计量高度，mm。测定平行样3组(每组5份)，取算术平均值，计算结果取两位小数.5）软岩坚固性系数的确定如果取得的煤样粒度达不到测定值所要求粒度(20～30mm)，可采取粒度为1～3mm的煤样按上述要求进行测定，并按下式换算:当＞0。25时，当﹤0.25时，式中——粒度为1～3mm时煤样的坚固性系数。3.5.2煤孔隙率测定煤中瓦斯90%以上是以吸附状态赋存在煤层中的孔隙内表面上，孔隙体积的大小决定着煤吸附瓦斯能力的大小。作为孔隙发育程度的衡量指标，孔隙率测定是在实验室进行的，它通过对现场采集的煤样测定煤的真假密度来计算，计算公式如下：Φ=(d真-d假)/d真×100%式中：Φ—煤孔隙率，％；d真—煤真密度，t/m3;d假—煤假密度(又称视密度)，t/m3.（备注：以上内容为初步确定的项目实施方案，具体实施内容需要根据井下生产条件进行具体的调整.）10