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1、2 煤层瓦斯含量直接测定方法 国内外概况直接测定煤层瓦斯含量方法最初是由法国贝尔塔等人在1970年提出，主要用来估算井下水平钻孔煤芯的含气量。1973年美国矿业局将贝尔塔方法进行了改进，用于地面垂直钻井取芯的瓦斯含量测定，并规范采样操作过程。因此，该方法又称为美国矿业局直接法，并得到推广应用。国内直接法测定煤层瓦斯含量技术方法沿用了美国矿业局直接法，采用了真空残余脱气方法（沈阳分院），但带来不可控的漏气误差。重庆分院研发人员在实验室内进行了1000多组不同粒径与吸附平衡压力的煤样瓦斯解吸规律实验，得到了煤样破坏类型与解吸特征，开发了DGC型瓦斯含量直接测定装置，见图1。但对含水煤样的瓦斯解吸规
2、律缺乏深入的实验研究。图1 重庆分院DGC型瓦斯含量直接测定装置20102012年中国矿业大学在做淮南矿区瓦斯项目时，通过大量现场解吸实验，得到原始煤层水分条件下的钻孔煤屑瓦斯解吸2小时以内的规律，创立了全钻孔全煤芯取样解吸瓦斯实验技术，用于直接测定煤层瓦斯含量和瓦斯压力，见图2。图2 中国矿业大学瓦斯含量直接测定装置与在线分析气体成分分析系统测定方法煤层瓦斯含量直接测定法依据国家标准GB/T 23250-2009 煤层瓦斯含量井下直接测定方法。直接、准确测定煤层瓦斯含量，用于矿井采掘部署、开拓延伸设计、煤层瓦斯赋存规律、瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采效果评价、煤层气资源评价、突出危险性区域预测及区
3、域验证等方面。 煤层瓦斯含量直接测定法中瓦斯含量由5部分组成：煤样损失瓦斯量X0、井下解吸瓦斯量X1、煤样粉碎前解吸瓦斯量X2、煤样粉碎后解吸瓦斯量X3、大气压下不可解吸瓦斯量X4。煤样损失瓦斯量为煤体暴露至装入煤样罐损失的解吸瓦斯量。不可解吸瓦斯量为大气压下煤样粉碎后仍残存在煤体中的瓦斯量，常压下不可解，对突出没有贡献，也无法抽采利用。2.2.1煤样损失瓦斯量重庆分院采用测定煤样初始解吸速度、损失时间，采用瓦斯解吸速度模型推算得到 。中国矿业大学根据原始煤层水分条件下的钻孔煤屑瓦斯解吸规律，采用3060分钟的解吸量、损失时间，应用瓦斯解吸量模型推算得到，单位煤重的解吸瓦斯量X0=/G。有效地
4、消除了速度误差。解吸时间2小时以内的解吸实验方程为：式中： t时刻的实际瓦斯解吸量，；t时刻的井下测定的瓦斯解吸量，；井下损失瓦斯量，；瓦斯解吸时间，；损失时间（煤样暴露时间），；测定时间，；G解吸煤样重量，g。瓦斯解吸速度方程为： 时刻的瓦斯解吸速度，；时的初始瓦斯解吸速度，；煤的损失瓦斯量也可以用Excel表的做图和数据处理程序得到。2.2.2井下解吸瓦斯量采用排水集气法测定瓦斯量。采取的煤样装入煤样罐后，将煤样罐与水量筒连接好，每隔每隔1分钟记录量管重量读数及测定时间，连续观测3060min或解吸量小于1g(cm3/min)，将观测结果填写到记录表中，得到井下解吸瓦斯量。单位煤重的解吸瓦
5、斯量X1=/G。2.2.3煤样粉碎前解吸瓦斯量采用排水集气法测定瓦斯量。井下送交地面实验室的煤样罐检查气密性确认不漏气后，将煤样罐的出气口用胶管连接到量筒的进气口，打开煤样罐阀门和秒表，每隔1分钟记录排水的体积 (cm3)和时刻（min）。连续观察记录3060min左右，当煤样罐的出气量小于2 cm3/min时，得到煤样粉碎前解吸瓦斯量。单位煤重的粉碎前解吸瓦斯量X2=/G。2.2.4煤样粉碎时的解吸瓦斯量采用排水集气法测定瓦斯量。当煤样罐的出气量小于1 cm3/min时，快速打开煤样罐盖，取出煤样200g称重,精确到，装入粉碎机的容器内。将容器放在粉碎机上，盖上粉碎机的盖子，并拧紧压盖。将粉
6、碎机的出气胶管与水瓶的进气口连接好。记录初始水瓶读数。打开粉碎机的开关和秒表，粉碎35分钟，每隔5分钟读数，记录排水的体积 (cm3)和时刻（min）。直至解吸停止。得到煤样粉碎后解吸瓦斯量。单位煤重的粉碎后解吸瓦斯量X3=/200。2.2.5不可解吸瓦斯量大气压下煤样不可解吸瓦斯含量，一般采用等温吸附试验常数a、b值计算得到：式中：煤在标准大气压下的不可解吸瓦斯量，； 吸附常数，； 吸附常数，； 煤中水分含量，； 煤中灰分含量，； 煤的孔隙容积，；煤的真密度，。 钻孔煤样井下解吸瓦斯量测定程序2.3.1 井下解吸瓦斯实验方法参照煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GB/T 232502009）和地
7、质勘探时期煤层瓦斯含量测定方法，采用改进的钻孔全煤芯解吸瓦斯量测定方法，见图3。井下自然解吸瓦斯量采用解吸称量仪测定。煤样罐通过排气管与解吸称量仪的水量罐连接后，随即有从煤样泄出的瓦斯进入水量罐，用排水称重法将瓦斯收集在水量罐内。l 实验准备工作1）所有用于取样的煤样罐在使用前必须进行气密性检测；气密性检测可通过向煤样罐内注空气至表压，关闭后搁置12h，压力不降方可使用。2）解吸仪在使用之前，将水量罐注满水，放置在电子称上，电子称读数1g为合格。l 煤样采集1）采样钻孔布置：同一地点至少应布置两个取样钻孔，间距不小于5m。2）采样方式：在未经过瓦斯抽采的石门、岩石巷道或新暴露的采掘工作面向煤层
8、打钻，定点取样采集煤芯，采集煤芯时一次取芯长度应不小于0.4m。3）采样深度：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，但不得小于12m；在石门或岩石巷道采样时，距煤层的垂直距离应视岩性而定，但不得小于5m。测定残余瓦斯含量时,取样不受此限制。4）采样时间：采样时间是指用于瓦斯含量测定的煤样从割芯（或钻进）到被装入煤样罐密封所用的实际时间。采样时间越短越好，一般不超过10min。5）取出煤样后，保持自然状态装入密封罐中，不可压实，罐口保留约10mm 空隙。6）煤样罐密封前，应将所有容器罐的阀门打开，并用软胶管连接煤样
9、罐和水量罐，水量罐应置于电子称上。用扳手拧紧罐盖，按下秒表，开始测定瓦斯解吸量。7）参数记录：采样时，应同时收集以下有关参数记录在附表中。主要包括：a) 地质参数：取样地点、煤层名称、埋深（地面标高、煤层底板标高）、采样深度、钻孔方位、钻孔倾角；b) 时间参数：采样日期、取芯（屑）开始时间、取芯（屑）结束时间、煤样装罐结束时间、开始解吸时间等；c) 样品参数：罐号、样品编号。l 井下自然解吸瓦斯量测定实验步骤1）煤样罐通过排气管5 与解吸称量仪连接后，随即有从煤样泄出的瓦斯进入量管，用排水称重法将瓦斯收集在水量罐内。2） 每间隔一定时间记录电子称读数t 、g（1 g = 1cm3）及测定时间T
10、 ，连续观测60120 min 或解吸量小于2cm3/min 为止。开始观测前30min 内，间隔1 min，以后每隔(25)min 读数一次；同时记录气温、水温及大气压力。3） 如果水量罐体积不足以容纳60 min 内从煤样泄出的全部瓦斯，可交替使用2个水量罐的水重，连续称重观测。4） 如果在解吸称量仪观测中没有瓦斯泄出，应当检查排气管及煤样罐是否堵塞。如果没有堵塞，则是瓦斯含量过小所至，此时，即可终止观测，送实验室测定。5） 观测结束后，关闭煤样罐的阀门。将压紧螺丝稍加拧紧。6） 煤样罐密封运到井上后，要进行试漏，将煤样罐沉入清水中，仔细观察5min，检查有无气泡冒出。如果发现有气泡渗出，
11、则要更换煤样罐或胶垫重新取样。如不漏气，可以送实验室继续进行实验，测定残存瓦斯含量。图3 称重法测量煤样解吸瓦斯量原理图2.3.2 顺层钻孔打钻取样操作程序（1）准备好所要用来采集煤样的煤样罐，记录煤样罐号，称量空罐质量并记录。（2）在设计钻孔位置开始钻孔，风力排渣，孔深达到预计深度时停止，并记录见煤时间，同时记录见煤深度、钻孔倾角。然后安放好塑料桶准备取样。（3）继续钻进接取煤样，记录取样开始时间。在设计取样深度内接取煤样后停止钻进，记录取样结束时间，同时记录取样深度。（4）若要对煤样进行筛分时，采样人员立即用分样筛把煤样进行筛分，然后分别装入准备好的煤样罐里，记录装罐开始时间和各粒径所对应
12、的煤样罐编号；罐口留1cm的空间，将罐口和垫片擦拭干净，装上罐盖拧好螺丝，记录装罐结束时间。（5）关闭煤样罐阀门，同时按下秒表，记录解吸开始时间。将煤样罐和秒表交给井下瓦斯含量自然解吸实验记录人员。2.3.3 穿层钻孔打钻取样操作程序（1）准备好采集煤样的煤样罐，记录煤样罐号，称量空罐重量并记录。（2）在设计钻孔深度达到预计深度前5m，改为风力排渣，钻孔见煤时停止，并记录见煤时间，同时记录见煤深度、钻孔倾角。然后安放好塑料桶准备取样。（3）继续钻孔接取煤样，记录取样开始时间。在设计取样深度内接取煤样后停止钻孔，记录取样结束时间，同时记录取样深度。（4）若要对煤样进行筛分时，采样人员立即用分样筛
13、把煤样进行筛分，然后分别装入准备好的煤样罐里，记录装罐开始时间和各粒径所对应的煤样罐编号；罐口留1cm的空间，将罐口和垫片擦拭干净，装上罐盖拧好螺丝，记录装罐结束时间。（5）关闭煤样罐阀门，同时按下秒表，记录解吸开始时间。将煤样罐和秒表交给井下瓦斯含量自然解吸实验记录人员。2.3.4 井下煤样解吸瓦斯测试记录程序（1）记录人员应事先将水罐充满清水，准备好记录表格和笔。（2）当接到煤样罐和秒表后，将煤样罐的出气口用胶管连接到水罐的出气口，开始记录初始水罐重量读数。（3）打开煤样罐阀门，然后按秒表指示的分钟整数时刻，每隔1分钟读数，记录排水的重量(g)和时刻（min）。（4）连续观察记录60分钟后
14、，关闭煤样罐阀门。（5）将煤样罐安全送到地面实验室。 地面解吸瓦斯操作程序（1）地面实验人员收到煤样罐后，应先测定煤样罐的解析瓦斯压力，检查煤样罐的气密性，确认不漏气后，方可进行地面解吸瓦斯实验。并事先将解吸仪的水瓶充满清水，准备好记录表格和笔。（2）将煤样罐的出气口用胶管连接到水瓶的出气口，记录初始水瓶读数。（3）打开煤样罐阀门和秒表，然后按秒表指示的分钟整数时刻，每隔1分钟读数，记录排水的体积 (cm3)和时刻（min）。（4）连续观察记录60120分钟，当煤样罐的出气量小于1 cm3/min时，关闭煤样罐阀门。 地面粉碎煤样解吸瓦斯操作程序（1）当煤样罐的出气量小于1 cm3/min时，快速打开煤样罐盖，取出200g煤样，称重记录后，装入粉碎机的容器内。（2）将容器放在粉碎机上，并拧紧压盖，盖上粉碎机的盖子。将粉碎机的出气胶管与水瓶的进气口连接好。记录初始水瓶读数。（3）打开粉碎机的开关和秒表，粉碎机开始振动粉碎煤样并脱气，粉碎35分钟，每隔5分钟读数，记录排水的体积 (cm3)和时刻（min）。直至解吸停止。
