新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究

余瓦斯含量 3 者之和除以所取煤芯质量.
x = Q1 + Q2 + Q3 ,
(1)
G
式中 : x 为煤层瓦斯含量 , m3 / t ; G 为所取煤芯质
ห้องสมุดไป่ตู้
量 ,t .
由此可见 ,新方法与现有的直接法相比 ,区别
主要体现在两个方面 :新方法取的是整块煤芯 ,而
直接法取的是 1～3 mm 的煤屑 ;新方法采用了密
针对直接法存在的不足之处 ,国内外对其做了 大量改进研究 ;煤炭科学研究总院重庆分院采用双 层取芯管通过风水联动钻取煤芯 ,澳大利亚与淮南 矿业集团合作 ,研究出了新型取屑技术 ,让钻孔前 方的钻屑从钻杆中间流出[2] . 这两项研究成果都基 本上能够确保所取煤体来自于钻孔前方 ,但是 ,对 于如何降低损失瓦斯量及其计算却需要进一步研 究.
Newly Deveolped Met hod for Exact Measurement of Gas Content
Q I Li2ming1 ,2 , C HN E Xue2xi1 , C H EN G Wu2yi2 , MA Shang2quan1
(1. School of Safety Engineering , Nort h China Instit ute of Science and Technology , Beijing 101601 , China ; 2. School of Engineering and Technology , China U niversity of Geo sciences , Beijing 100083 , China)
1) 损失瓦斯量是通过补偿推算得来的 ,关于 损失瓦斯量的补偿计算 ,有关研究人员提出了多种 补偿计算公式与方法 ;不同时间段 、不同煤质与不 同介质中瓦斯解吸规律不尽相同 ,因而推算出来的 损失瓦斯量误差较大.
2) 通过打钻取钻屑 ,难以保证所取钻屑来自 于钻孔前方 ;因为 ,打钻过程中 ,由于钻杆有可能晃 动 ,使得钻孔周围的煤体破裂 ,产生部分钻屑 ,这些 钻屑也会从钻孔内向外流出.
钻孔半径 ,m ; r 为钻孔前方煤体内某点距孔壁中心
的距离 ,m.
3. 2 钻孔前方卸压瓦斯带宽度分析
打完取芯钻孔后 ,钻孔前方煤体的瓦斯在其压
力梯度的作用下从煤体里解吸出来并流向钻孔 ,因
此 ,钻孔顶端的总瓦斯涌出量等于煤体的总瓦斯解
吸量. 即 ,残余瓦斯量与总涌出量之和为相应煤体
内的瓦斯含量.
第 1 期
齐黎明等 : 新型煤层瓦斯含量准确测定方法研究
113
3 钻孔前方煤芯瓦斯漏失分析
3. 1 钻孔前方煤体瓦斯压力分布规律 在瓦斯压力测定钻孔封孔之前 ,周围的瓦斯压
力可采用式 (2) 表示 ;同样 ,假定钻孔前方煤芯的瓦 斯压力也大致服从此规律 , 即也可采用式 ( 2) 表 示[ 9 ]
图 1 瓦斯含量测定取芯钻孔模型 Fig. 1 Core drill borehole model of gas
content mensuratio n
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
闭液对煤芯瓦斯进行封堵 ,而直接法则任由瓦斯在
自由空间内解吸. 因此 ,新方法的瓦斯损失量 (取芯
前的煤芯瓦斯漏失量) 应该比直接法要小很多 ,该
方法的成功与否也在很大程度上取决于它的大小.
2 钻孔前方煤层瓦斯渗流模型
井下瓦斯含量测定钻孔如图 1 所示 (假定钻孔 前方为半球形 ,其直径为钻孔直径) [6] . 钻孔前方煤 体瓦斯的流场属于球向流场 ,瓦斯含量测定过程 中 ,煤芯来源于钻孔前方 ,因此 ,瓦斯流动分析只需 考虑该部分煤体的瓦斯流动状况 ,而不需要考虑钻 孔周围煤体的瓦斯流动.
(1. 华北科技学院 安全工程学院 , 北京 101601 ; 2. 中国地质大学 工程技术学院 , 北京 100083)
摘要 : 为了更准确的测定煤层瓦斯含量 ,提出了新型煤层瓦斯含量测定原理 ,根据煤芯瓦斯总量 守恒 ,从理论上对取芯前的煤芯瓦斯漏失量进行分析 ,采用新型煤层瓦斯含量准确测定取芯仪器 进行取芯实验 ,并测定瓦斯含量. 结果表明 ,取芯前的煤芯瓦斯漏失量约占煤芯瓦斯含量的 10 % ;取芯仪器既能取到比较完整的煤芯 ,也能实现密闭液对煤芯的包裹 ;与传统的工作面钻屑 解吸法相比 ,新型煤层瓦斯含量准确测定法既能确保所取煤芯完全来自于钻孔前方 ,又能有效降 低损失瓦斯量. 因此 ,新方法的可靠性更高. 关键词 : 瓦斯含量 ; 取芯 ; 密闭 中图分类号 : TD 712. 5 文献标识码 : A
p = ( p1 - p0 ) 1 - e - b( r- a) / t + p0 ,
(2)
式中 : p 为钻孔前方煤体瓦斯压力 , M Pa ; p1 为原
始煤层瓦斯压力 ,M Pa ; p0 为钻孔大气压力 ,M Pa ;
b 为一常数 , min/ m ; t 为瓦斯流动时间 , min ; a 为
新型煤层瓦斯含量准确测定结果包括以下 3 个部分.
1) 取芯前的煤芯瓦斯漏失量 从打完钻孔到采用取芯器取芯大约需要 30 min ,在这段时间内 ,由于煤体里的瓦斯压力远高 于钻孔内的气体压力 (约 0. 1 M Pa) ,根据达西渗流 定律 ,煤体里的瓦斯将向钻孔涌出 ,这些瓦斯有一 部分来源于所取煤芯 ,因此 ,在采取煤芯之前 ,已经
1 新型煤层瓦斯含量准确测定基本原理
针对现有瓦斯含量测定方法均存在准确性方 面的问题 ,本研究对现有的直接法进行改进 ,新方 法的基本研究思路是 :先在煤层内打一个钻孔至预 定深度 ;然后采用含有密闭液的取芯器获取钻孔前 方的煤芯 (在取芯时 ,密闭液自动流向取芯器的端 部 ,当取芯完毕 ,密闭液实现对煤芯的密封) ;拔出 取芯器 ,让煤芯在自然状态下解吸瓦斯 ,并测定解 吸量 ;最后 ,密闭煤芯 ,带回实验室进一步测定煤芯 的残存瓦斯量.
有一部分瓦斯漏失 ,在此 ,这部分瓦斯用 Q1 表示. 2) 取芯过程中煤芯瓦斯解吸量 在取芯过程中 ,密封液主要密封煤芯的侧面及
前端 ,而后端呈自然状态 ,那么 ,煤芯里的瓦斯会在 压力梯度的作用下从后端流向瓦斯仓 ,在此过程 中 ,煤芯瓦斯压力降低 ,瓦斯仓气体压力升高 ,直到 二者趋于平衡为止.
者相加后得出煤层的瓦斯含量. 间接法测定煤层瓦 斯含量所需数据较多 ,其中 ,关键在于准确测定煤 层瓦斯压力 ,众所周知 ,准确测定煤层瓦斯压力非 常难 ,而且周期长 ;因此 ,在实际煤层瓦斯含量测定 中 ,更多的是使用直接法.
直接法通过钻孔取钻屑 ,并筛选 1～3 mm 的 煤样 ,测定和计算采样过程的损失瓦斯量 、解吸瓦
∫ ∫ R+a 1 4πr2 d αr a2
p+
t
B1 tB2 4πa2
0
1 2
dt
Abstract : In order to exactly test t he gas co ntent , we p ropo se t he p rinciple for t he new met hod of testing coal gas. Then , t he quantit y of gas leakage before core drilling is t heoretically ana2 lyzed based o n t he law of gas gro ss co nservatio n in t he coal core ; Finally , by using t he t he core drilling equip ment which is a part of t he new t ype measurement inst rument of coal gas co ntent , we measure t he gas co ntent . The result s show t hat t he quantit y of gas leakage acco unt s for a2 bo ut 10 % of coal co re gas co ntent ; t he core drilling equip ment can not o nly fetch a quite co m2 plete coal core but al so achieve t he coal core wrapping wit h sealing fluid ; Co mpared wit h t he t raditio nal working face drilling yields desorp tio n met ho d , t he new met hod of coal gas co ntent can ensure t hat t he coal cores are f ro m t he f ro ntage of bores co mpletely and reduce t he quantit y of gas leakage effectively. Therefore , t he reliabilit y of new met hod is much higher. Key words : gas co ntent ; core drill ; sealing
煤芯取好后 ,采用有关仪器将瓦斯仓里的瓦斯 导出来 ,最终导出的瓦斯量即为取芯过程中煤芯瓦 斯解吸量 ,用 Q2 表示.
3) 煤芯残余瓦斯含量 当瓦斯仓里的瓦斯基本抽完后 ,立刻将煤芯取 出放入密封罐内 ,带回实验室. 在实验室将煤芯磨 碎 ,然后让煤芯瓦斯分别在自然条件下和高温条件 下解吸出来 ,并最终测定出残余瓦斯含量 ,用用 Q3 表示. 根据以上分析 ,煤层瓦斯含量为取芯前的煤芯 瓦斯漏失量 、取芯过程中煤芯瓦斯解吸量及煤芯残