專利名稱：一種煤礦井下直接快速測(cè)定煤層瓦斯含量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)定煤層瓦斯含量方法，尤其是一種適用于煤層瓦斯含量的井下直接 快速測(cè)定方法。
背景技術(shù)：
《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中指出我國(guó)采用瓦斯含量 IT、瓦斯壓力P作為突出煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)和區(qū)域效果檢驗(yàn)工作的主要預(yù)測(cè)指標(biāo)。 井下直接測(cè)定煤層瓦斯壓力除需施工測(cè)壓鉆孔外，往往還需特殊的封孔裝備及材料等，工 程量較大，成本較高，測(cè)定周期較長(zhǎng)(一般為15天以上)，且受地質(zhì)條件和封孔工藝等因素的 影響，有時(shí)很難測(cè)準(zhǔn)或測(cè)出煤層的實(shí)際瓦斯壓力，特別是對(duì)于大面積預(yù)抽的工作面，測(cè)壓條 件難掌握，即使測(cè)出了壓力值，可靠性也很差。因此，瓦斯含量在今后突出煤層的區(qū)域預(yù)測(cè)、 區(qū)域效果檢驗(yàn)和瓦斯抽采效果考察中將作為最重要的指標(biāo)。煤層瓦斯含量測(cè)定方法主要有 直接法和間接法兩類。間接法需要在井下實(shí)測(cè)煤層真實(shí)瓦斯壓力，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定吸附常數(shù) (a、b值)、孔隙率、灰份、水份等數(shù)據(jù)，通過計(jì)算確定煤層瓦斯含量，至少需要20天以上。現(xiàn) 有井下煤層瓦斯直接測(cè)定方法，除需要進(jìn)行井下煤層瓦斯含量的現(xiàn)場(chǎng)解吸外，還要對(duì)現(xiàn)場(chǎng) 解吸后的煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室殘存量測(cè)定，最終確定每個(gè)取樣點(diǎn)煤樣的解吸量和殘存量，這種 方法需要多次反復(fù)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的煤層瓦斯殘存量測(cè)定，無法在井下直接快速的測(cè)定出煤 層瓦斯含量，對(duì)于煤礦井下需要大量實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量的現(xiàn)狀顯得工作量較大，周期較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是要克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種方法簡(jiǎn)單、可 靠性強(qiáng)、快速準(zhǔn)確、減輕測(cè)量工作量的煤礦井下直接快速測(cè)定煤層瓦斯含量方法。技術(shù)方案本發(fā)明煤礦井下直接快速測(cè)定煤層瓦斯含量方法包括以下步驟 步驟1.實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型建立
a.采集現(xiàn)場(chǎng)煤層的煤樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定4 6個(gè)不同瓦斯壓力滬下煤樣在約120min 內(nèi)瓦斯解吸曲線；
b.根據(jù)不同的煤種的瓦斯解吸曲線趨勢(shì)，確定不同瓦斯壓力下的擬合關(guān)系 PS=^wrct),式中巧指單位質(zhì)量的煤樣從原始位置開始脫離煤體后2小時(shí)內(nèi)所解吸出
的瓦斯量，j值為擬合系數(shù)，W為煤層瓦斯含量，包括損失瓦斯量βτ和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯
量& ；同時(shí)，確定瓦斯壓力！》與擬合系數(shù)對(duì)應(yīng)擬合關(guān)系P = ·；
c.各煤樣在解吸120min后，測(cè)定殘存瓦斯量ITe，擬合殘存瓦斯量Src與瓦斯壓力ρ
，確定殘存瓦斯量與瓦斯壓力的擬合關(guān)系式，》rC =Ifr(P) ；IFt是指在一個(gè)大氣壓力下，單
位質(zhì)量的煤樣在井下解吸2小時(shí)后和粉碎后一段時(shí)間內(nèi)所解吸出的瓦斯量； 步驟2.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定鉆取瓦斯含量測(cè)定地點(diǎn)的煤樣，在鉆孔鉆至煤層時(shí)開始計(jì)時(shí)，將采集到的新鮮煤樣裝 入煤樣罐中密封，煤樣裝罐時(shí)間^0控制在30min內(nèi)，測(cè)定并記錄煤樣在計(jì)時(shí)后120min內(nèi)的
瓦斯解吸曲線及解吸量然后通過擬合公式》S對(duì)井下測(cè)定數(shù)據(jù)處理，得到現(xiàn)
場(chǎng)解吸擬合系數(shù)2，計(jì)算出損失瓦斯量；
步驟3.將步驟2中得到的現(xiàn)場(chǎng)擬合系數(shù)J代入擬合公式P = M ,得到煤層的瓦斯
壓力舄
步驟4.將得到的煤層瓦斯壓力郅通過公式Wrc=IT(乃，得到煤層殘存瓦斯量IFc ； 步驟5.確定煤層原始瓦斯含量IT
將步驟2中所得損失瓦斯量&和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量込與步驟四中所得殘存瓦斯量％ 代入公式,= fiL + ,得到煤層原始瓦斯含量JT。有益效果本發(fā)明依據(jù)礦井同一煤層的吸附解吸性能，建立該煤層合理的損失量 和殘存量計(jì)算模型，通過井下直接快速測(cè)定便能獲得煤層瓦斯含量，根據(jù)擬和出的煤層壓 力-瓦斯解吸量經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合井下解吸瓦斯含量可準(zhǔn)確推算出測(cè)定地點(diǎn)的煤層瓦斯壓 力。在井下120min內(nèi)準(zhǔn)確快速的測(cè)定煤層的瓦斯含量，工作量小，所需時(shí)間短，尤其適用于 同一煤層井下多點(diǎn)快速測(cè)量。采用間接法推算瓦斯含量時(shí)，考慮到實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力結(jié)果 影響因素較多，壓力測(cè)定結(jié)果只能無限接近真實(shí)值，因此，從現(xiàn)場(chǎng)工程運(yùn)用角度來看，本發(fā) 明方法不僅能夠快速測(cè)定煤層瓦斯含量，并且能夠真實(shí)的反映煤層瓦斯含量和瓦斯壓力， 可靠性與安全性更高，能滿足了井下大面積多點(diǎn)測(cè)定煤層瓦斯含量的要求，對(duì)我國(guó)煤礦煤 與瓦斯突出區(qū)域性預(yù)測(cè)和區(qū)域性效果檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。


圖1是本發(fā)明的測(cè)定原理流程示意圖。圖2 圖5是本發(fā)明的測(cè)定流程原理示意圖。其中
圖2為不同瓦斯壓力下的實(shí)驗(yàn)室解吸曲線(120min)示意圖； 圖3為瓦斯壓力P與擬合系數(shù)A的擬合關(guān)系曲線示意圖； 圖4為殘存瓦斯量與瓦斯壓力的擬合關(guān)系曲線示意圖； 圖5為現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量擬合曲線示意圖。圖6 圖9是祁南礦7煤層瓦斯含量測(cè)定流程原理示意圖。其中 圖6為祁南礦7煤不同瓦斯壓力下的解吸曲線圖7為祁南礦7煤瓦斯壓力P與擬合系數(shù)A對(duì)照?qǐng)D； 圖8為祁南礦7煤瓦斯殘存量與瓦斯壓力關(guān)系圖； 圖9為祁南礦7煤現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)解吸結(jié)果擬合曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述
本發(fā)明將煤層瓦斯含量IT分為解吸瓦斯量》S和殘存瓦斯量》；兩部分指單位質(zhì)量的煤樣從原始位置開始脫離煤體后2小時(shí)內(nèi)所解吸出的瓦斯量；》；是指在一個(gè)大氣壓
力下，單位質(zhì)量的煤樣在井下解吸2小時(shí)后和粉碎后一段時(shí)間內(nèi)所解吸出的瓦斯量)，其中
解吸瓦斯量》S包括損失瓦斯量fis和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量&。依據(jù)同一煤層的吸附解吸性能，
建立該煤層合理的損失量和殘存量計(jì)算模型，確定井下直接快速測(cè)定煤層瓦斯含量的測(cè)定 方法。具體步驟如下
步驟1.實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型建立
a.采集現(xiàn)場(chǎng)煤層的煤樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定5組不同瓦斯壓力滬下煤樣在120min內(nèi)瓦斯解 吸曲線(^5>/ 4>巧>灼>乃)，如圖2所示；
b.根據(jù)不同的煤種的瓦斯解吸曲線趨勢(shì)，確定不同瓦斯壓力下的擬合關(guān)系 Jrj = ^rco ,式中指單位質(zhì)量的煤樣從原始位置開始脫離煤體后2小時(shí)內(nèi)所解吸出
的瓦斯量，i值為擬合系數(shù)，JF為煤層瓦斯含量，Wf包括損失瓦斯量fir和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量
Qj ；同時(shí)，確定瓦斯壓力滬與擬合系數(shù)j的對(duì)應(yīng)擬合關(guān)系？ = ·，如圖3所示；
c.各煤樣在解吸120min后，測(cè)定殘存瓦斯量ITc,擬合殘存瓦斯量ITc與瓦斯壓力j ，
如圖4所示，確定殘存瓦斯量與瓦斯壓力的擬合關(guān)系式，Ifre =JT(P),式中的巧是指在一
個(gè)大氣壓力下單位質(zhì)量的煤樣在井下解吸2小時(shí)后和粉碎后一段時(shí)間內(nèi)所解吸出的瓦斯 量；
步驟2.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定
利用鉆孔鉆取所測(cè)煤層煤樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)先用壓水鉆進(jìn)，在距煤層約Im位置改用 壓風(fēng)，在吹干鉆孔后繼續(xù)鉆進(jìn)鉆入煤層時(shí)開始計(jì)時(shí)，隨后接下壓風(fēng)排下的煤屑，篩選粒徑 廣3mm的煤樣，煤樣裝至離罐口約IOmm位置為佳；然后將解吸量筒與煤樣罐連接，將采集到 的新鮮煤樣裝入煤樣罐中密封，記下此時(shí)的開始解吸時(shí)間，要求煤樣自鉆孔暴露時(shí)間到裝 罐解吸控制時(shí)間4應(yīng)根據(jù)不同煤種選擇不同的控制時(shí)間，變質(zhì)程度高的煤的裝罐時(shí)間I0要 短，并控制在30min以內(nèi)；隨后記錄量筒中解吸的瓦斯量與時(shí)間的變化關(guān)系，測(cè)定并記錄煤 樣在計(jì)時(shí)后120min內(nèi)的瓦斯解吸曲線及解吸量然后通過擬合公式》S = 2,(*)對(duì)井下
測(cè)定數(shù)據(jù)處理，得到現(xiàn)場(chǎng)解吸擬合系數(shù)j ,計(jì)算損失瓦斯量& ,如圖5所示；
步驟3.將步驟2中得到的現(xiàn)場(chǎng)擬合系數(shù)J代入擬合公式Ρ = —,得到煤層的瓦斯 壓力巧
步驟4.將得到的煤層瓦斯壓力邳通過公式(乃，得到煤層殘存瓦斯量ITc ； 步驟5.將步驟2中所得損失瓦斯量Os和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量込與步驟四中所得殘存瓦
斯量代入公式:T = +Jgf ,得到煤層原始瓦斯含量:r。 附圖6 9所示為祁南礦7煤層的實(shí)施例，具體步驟如下 步驟1、實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型建立
a、采集祁南礦7煤層的煤樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定5組不同瓦斯壓力下煤樣在120min內(nèi)瓦斯解吸曲線，如圖6所示；
b、利用Excel擬合瓦斯解吸曲線，該解吸曲線符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，利用巧=1(0 + 5 擬合解吸曲線，擬合各組壓力下的J和5值，得到瓦斯壓力i*與J值的對(duì)應(yīng)關(guān)系式 P =,如圖 7 所示。C、測(cè)定各組煤樣在解吸120min后的殘存瓦斯量，如圖8所示，確立殘存瓦斯量與 瓦斯壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系為％ = 4 44I5F°I7e5。步驟2、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定
測(cè)定時(shí)先用壓水鉆進(jìn)，在距煤層約Im位置改用壓風(fēng)，在吹干鉆孔后繼續(xù)鉆進(jìn)鉆入煤層 時(shí)開始計(jì)時(shí)；隨后接下壓風(fēng)排下的煤屑，篩選粒徑廣3mm的煤樣，煤樣裝至離罐口約IOmm位
置，然后將解吸量筒與煤樣罐連接，記下此時(shí)的開始解吸時(shí)間為5min。隨后記錄量筒中解
吸的瓦斯量與時(shí)間的變化關(guān)系，記錄時(shí)間至計(jì)時(shí)120min，得到煤樣解吸瓦斯量仏=1. 466m3/
t，利用對(duì)數(shù)公式+ #對(duì)井下測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖9所示，得到J=O. 5102，
B=-O. 9582，計(jì)算損失量込=1. 312m3/t。步驟3、確定煤層瓦斯壓力荇
將步驟2中得到的現(xiàn)場(chǎng)擬合系數(shù)J=O. 5102帶入公式Ρ =,得到煤層瓦斯
壓力 ij =1. 42MPa ；
步驟4、確定煤層殘存瓦斯量JTc
將步驟3確定的煤層瓦斯壓力i| =1.42MI^代入公式1^ = 4-4415/^"^5 ,計(jì)算煤層殘 存瓦斯量725m3/t ；
步驟5、確定煤層瓦斯含量IT
將步驟2中所得損失瓦斯量fe和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量込與步驟4中所得殘存瓦斯量ITc
代入公式『=^ +Qj + ^c，得到煤層原始瓦斯含量503m3/t?，F(xiàn)場(chǎng)與間接法測(cè)定結(jié)果比對(duì)
在取樣地點(diǎn)附近實(shí)測(cè)7煤層絕對(duì)瓦斯壓力為1. 3MPa (標(biāo)高-521m)，并取樣測(cè)定了煤層 的吸附常數(shù)(a、b值)、孔隙率、水份、灰份等參數(shù)，其結(jié)果如表1所示。
權(quán)利要求
1. 一種煤礦井下直接快速測(cè)定煤層瓦斯含量方法，其特征在于 步驟1.實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型建立a.采集現(xiàn)場(chǎng)煤層的煤樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定4 6組不同瓦斯壓力 1 下，煤樣在約120min內(nèi)瓦斯解吸曲線；b.根據(jù)不同的煤種的瓦斯解吸曲線趨勢(shì)，確定不同瓦斯壓力下的擬合關(guān)系 PS=^rco,式中巧指單位質(zhì)量的煤樣從原始位置開始脫離煤體后2小時(shí)內(nèi)所解吸出的瓦斯量，A值為擬合系數(shù)，JT為煤層瓦斯含量，Wr包括損失瓦斯量&和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量Qj ；同時(shí)，確定瓦斯壓力尸與擬合系數(shù)瀘的對(duì)應(yīng)擬合關(guān)系戶=·；c.各煤樣在解吸120min后，測(cè)定殘存瓦斯量,擬合殘存瓦斯量ITc與瓦斯壓力J ，確定殘存瓦斯量與瓦斯壓力的擬合關(guān)系式，》^ = Γ(Ρ) ； JTt是指在一個(gè)大氣壓力下單位質(zhì)量的煤樣在井下解吸2小時(shí)后和粉碎后一段時(shí)間內(nèi)所解吸出的瓦斯量； 步驟2.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定鉆取瓦斯含量測(cè)定地點(diǎn)的煤樣，在鉆孔鉆至煤層時(shí)開始計(jì)時(shí)，將采集到的新鮮煤樣裝 入煤樣罐中密封，煤樣裝罐時(shí)間4控制在30min內(nèi)，測(cè)定并記錄煤樣在計(jì)時(shí)后120min內(nèi)的瓦斯解吸曲線及解吸量Oi,然后通過擬合公式》s=^wm對(duì)井下測(cè)定數(shù)據(jù)處理，得到現(xiàn)場(chǎng)解吸擬合系數(shù)^4，計(jì)算出損失瓦斯量6^ ；步驟3.將步驟2中得到的現(xiàn)場(chǎng)解吸擬合系數(shù)J通過擬合公式P=巧，得到煤層的瓦斯壓力巧；步驟4.將得到的煤層瓦斯壓力乓通過公式》^ =ITCP),得到煤層殘存瓦斯量IPc ； 步驟5.將步驟2中所得損失瓦斯量fe和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量fi/與步驟4中所得殘存瓦 斯量Ire通過公式:r = ^+01 + ,得到煤層原始瓦斯含量IT。
全文摘要
一種煤礦井下直接快速測(cè)定煤層瓦斯含量的方法，將煤層瓦斯含量分為解吸瓦斯量和殘存瓦斯量?jī)刹糠?，其中解吸瓦斯量包含損失瓦斯量和現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量，通過建立實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型測(cè)定不同瓦斯壓力下解吸曲線組及殘存量，得到解吸量的擬合關(guān)系式，瓦斯壓力與擬合系數(shù)A的關(guān)系式,及瓦斯壓力與殘存量的擬合關(guān)系式；然后在現(xiàn)場(chǎng)鉆取煤樣測(cè)定其解吸曲線和解吸量，利用計(jì)算損失瓦斯量，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)解吸結(jié)果擬合系數(shù)A計(jì)算出煤層瓦斯壓力；最后利用式計(jì)算獲得煤樣殘存瓦斯量。該方法在實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型建立后，可通過井下現(xiàn)場(chǎng)120min的解吸測(cè)定，能夠快速準(zhǔn)確的測(cè)定采樣地點(diǎn)的煤層瓦斯含量。
文檔編號(hào)G01N7/14GK102128765SQ201010580089
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者吳冬梅, 姜海納, 安豐華, 王亮, 程遠(yuǎn)平 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)