煤层基本瓦斯参数测定方法综述

煤层基本瓦斯参数测定方法综述

1 煤层瓦斯含量测定

煤的瓦斯含量测定方法有两种方法：间接方法和直接方法。

1.1 间接方法

1）煤的游离瓦斯含量

按气体状态方程（马略特定律）求得

xy = VPTo/(TPoξ)

式中 V—单位质量煤的空隙容积,m3/t；

P—瓦斯压力，MPa；

To、Po—标准状况下的绝对温度（273K）与压力（0.101325MPa）；

T—瓦斯绝对温度，T=273+t，t瓦斯的摄氏温度（oC）；

ξ—瓦斯压缩系数；

Xy—煤的游离瓦斯含量，m3/t。

2）煤的吸附瓦斯含量

按郎缪尔方程计算并考虑煤中水分、可燃物百分比、温度的影响系数；

100)100()31.01(11)(WAWebpabpxttonx

式中e—自然对数的底，e=2.718；

To—实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，oC；

T—煤层温度，oC；

n—系数，按下式确定；n=p07.0993.002.0；

p—煤层瓦斯压力，MPa；

a、b—煤的吸附常数；

A,W—煤中灰分与水分，%；

xx—煤的吸附瓦斯含量，m3/t

3）间接法测定瓦斯含量的校正

目前国内有关的规范和计算方法中，虽然都有针对煤层水分和温度的校正因数，但对瓦斯组分的影响却没有提到。通过大量瓦斯组分资料的分析得出，煤层瓦斯组分中CH4浓度是在较大范围内变化时，煤对不同气体的吸附能力相差很大。如不给予足够重视，则可能造成测量结果出现较大偏差。

煤层瓦斯组分主要有CH4，2N和2CO和少量重烃（10462HCHC）等。煤层瓦斯组分中2N和2CO占有相当大的比例，而重烃的浓度在大多情况下则是可以忽略不计的。

当煤吸附含多种成分的瓦斯时，在用郎缪尔方程公式中仍用以吸附纯CH4气体测定的吸附常数来确定煤的瓦斯含量，将会导致较大的误差。因为此时任何2N或2CO的存在均会减少CH4含量。

实测表明，在常压下煤对2N的吸附量是CH4的0.153—0.2倍，平均为0.177倍；2CO的吸附量是CH43.12—3.92倍，平均为3.52倍。而在3.5MPa压力下，煤对2N吸附量是CH40.37倍；对2CO的吸附量是CH4的1.78倍。可以看出，在高压下煤对各种气体的吸附能力差别逐渐减小，这是因为在高压下所有气体都将趋向于一个相同的最大吸附量。在常见的煤层瓦斯压力条件下，建议按表1选取各种气体组分的体积校正系数。

表1 各种气体组分体积校正系数取值

吸附压力/MPa 1 2 3 4

CH4 1 1 1 1

N2 0.2 0.25 0.3 0.4

CO2 3.0 2.5 2.0 1.5

吸附总量的校正公式为：

校W=100/)]()()([2222444COANACHAWCONCHCH

式中 校W—按瓦斯组分校正后的吸附总量（干燥无灰基煤样），m3／t；

4CHW—按纯CH4组分测定吸附常数计算的吸附量（干燥无灰基煤样），m3／t；

4CHA，2NA，2COA—4CH，2N，2CO，的体积校正系数（参照表4）；

)(4CH，)(2N，)(2CO—4CH，2N，2CO在瓦斯组分中的浓度，%。

煤的瓦斯含量，它等于游离瓦斯含量、吸附瓦斯含量和校正瓦斯含量之和；

X=xy+xx+校W=VPTo/(TPoξ)+100)100()31.01(11)(WAWebpabptton+100/)]()()([2222444COANACHAWCONCHCH

式中 X—煤的天然瓦斯含量m3/t

其它符号意义同前。

1.2 直接方法

在一定的压力下，瓦斯以吸附和游离两种状态存在于媒体中。在现有的井田地质条件下，一般吸附瓦斯量占总瓦斯含量的80%—90%，游离瓦斯仅占20%—10%。煤层中的瓦斯含量主要取决了吸附瓦斯含量。

在钻探过程中，采取煤芯并提之至地面，煤芯中的瓦斯压力和温度发生变化，由原始瓦斯压力降至孔口大气压，由地温值变化至地面温度，破坏了原始的吸附平衡状态，瓦斯从煤体内解析出来。经过实验测定，煤体中所含瓦斯量（标准状态的体积）是煤样装入瓦斯罐前的暴露时间内的解析量（称损失量）与装罐后实验测得瓦斯量之和。即为：

4321QQQQQ

式中：Q—煤样瓦斯总量，ml

1Q—瓦斯损失量，ml

2Q—现场测定解析量，ml

3Q—煤样破碎前脱气量，ml

4Q—煤样破碎后脱气量，ml

现今国内外测定瓦斯含量的方法比较多，也比较杂，现在介绍几种常见的直接法测定煤层中瓦斯含量方法：

1）勘探钻孔煤芯解析法

该法适用于在勘探钻孔中采取煤芯测定煤层瓦斯含量及瓦斯成分。它包括下述测定与计算。

（1） 所需仪器

瓦斯解吸速度测定仪，见附图1，量筒体积800cm3，温度计0—50 oC；空盒气压计（根据钻孔地面标高选择高原型或平圆型）；密封罐，其内径大于煤芯直径10mm，容积可装煤样400g以上，在1.5MPa气压下保持气密性。使用前密封罐应保持清净干燥，脚垫与密封圈完好不漏气。

附图1 瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图

1—量筒；2—吸气球；3—温度计；4—水槽；5—螺旋夹；6—弹簧夹；7—排水管；8—排气胶囊；9—胸骨穿刺针头；10—密封罐；11—压紧螺帽

（2） 采取煤样

使用普通煤芯管钻取煤芯，一次取芯长度不小于0.4m。提取钻具时应保持冲洗液充满钻孔，提钻应连续进行，因故在孔深200m以内停顿时，其时间不得超过5min，孔深大于200m,停顿时间不得超过10min.

采样要记录孔口见煤时间（精确到分钟），提钻开始时间T1，钻具提到孔口时间T2，煤样装入密封罐拧紧上盖时间T3，开始解析时间T4(按附图1联好次测定系统后，以打开弹簧夹时间计算)。从T3到T4不得超过2min。

（3）瓦斯解吸速度的测定

用排水集气法将解吸瓦斯收集在量管内，解吸瓦斯通过针头9，排气胶管8

进入量管1内，测定时水槽排水管7是打开的。瓦斯解吸速度测定共进行2小时，在第一小时内，第一次测定间隔是2min，以后每隔3—5分钟读一次数；在第2小时内，每隔10—20分钟读一次数。如果量筒体积不足以容纳煤样的解吸瓦斯，可以中途用弹簧夹6将排气胶管夹紧，握吸气球2，重新将液面提升至量管零点，同时向水槽补足清水，然后再打开弹簧夹，继续测定。上述测定应在气温比较稳定地点进行，并记录气温，水温与气压。上述测定完成后，拔出针头，稍加拧紧压紧螺帽。

（4）将解吸瓦斯换算成标准条件下体积

VPhPtVswaw)81.9()2.273(1001325.12.27350

式中 0V—换算为标准状况下的气体体积，mL；

V—量筒内瓦斯体积，mL；

aP—大气压力，Pa；

wt—量筒内水温，oC

wh—量管内水柱高度，mm；

sP—wt下饱和水蒸气压力，Pa(可查表)

（5）瓦斯损失量的计算

关于瓦斯损失量的计算现在国内外还没有一个统一的公认的方法，在我国大多人沿用美国匹兹堡煤矿安全研究中心提出来的t法，t法实质是煤中瓦斯解吸的开始阶段（大约30min 左右）其累积解吸瓦斯量与总的解吸时间的平方根成正比关系。下面简单介绍下该法：

a) 解吸瓦斯时间的计算

煤样装罐前解吸瓦斯时间t0煤样在钻孔内解吸瓦斯时间t1与其在地面空气中解吸瓦斯时间t2之和，即t0= t1+ t2

式中 )(21121TTt 342TTt

煤样总的解吸瓦斯时间T0是装罐前的解吸瓦斯时间t0与装罐后解析瓦斯时

间t之和，即 ttT00

b) 计算损失量

瓦斯损失量可用图解法或经验法求得。图解法见图2，即以V0为纵坐标标，以tt0为横坐标，将全部测点[V0，tt0]绘在坐标纸上，将测点的直线关系线延长与总坐标轴相交，直线在纵坐标上的截距即为所求的瓦斯损失量见附图2。

（）（）损失瓦斯量；解吸瓦斯量；附图2 瓦斯损失量计算曲线图

经验方法是根据煤样在解吸瓦斯初期解吸瓦斯量V0与tt0呈直线关系而求出瓦斯损失量的，

即：ttbaV00

式中 a，b为待定常数，它们可以根据装罐煤样在解吸初期的解吸瓦斯量与时间平方根大致成直线关系的各测点坐标，用最小二乘法求得。

t法测出的损失瓦斯量大多都偏低或是根本在现场解吸不出来瓦斯，造成这种问题的根本原因是因为在空气介质和泥浆介质中解吸规律截然不同。在空气介质中瓦斯的解吸是速度衰减的等压解吸过程，符合线性关系，但地勘钻孔瓦斯解吸却是在泥浆介质中进行的。泥浆介质中提钻取芯过程中，煤芯瓦斯解吸是典型的非等压解吸过程，从开始瓦斯解吸到被提升至地面的一段相当长时间内，煤芯中瓦斯处于增速解吸过程，煤芯在泥浆介质中解吸是非线性的。

这个问题的提出受到国内外广大学者的深入关注和研究，下面介绍两种其它国家是怎样求瓦斯损失量的方法：

i 幂函数法

德国人认为煤中瓦斯解吸开始阶段其解吸瓦斯量与解吸时间呈幂函数关系。德国用 E L—KD—O2型电容栅瓦斯解吸仪测定煤样瓦斯解吸速度与解吸时间的关系式为：

kttaatVV)(

式中 V、aV—解吸时间为t、ta时，瓦斯解吸速度，mL/min；

kt—瓦斯解吸过程随时间变化的指数。

当t=0 ta=1min时，则最初1min解吸的瓦斯量：

)/(111gmLkVqt

在任一时间T 内累积瓦斯解吸量为

)1(111ktTatktTkVdTTVQ

煤样暴露时间t0时其瓦斯解吸量为：

)1(1011ttktkVQ

式中 1Q—暴露时间0t内逸散瓦斯量，mL；

1V—时间为1min时，煤样解吸瓦斯速度。

i i指数函数法

近几年来，美国犹他州大学将瓦斯从煤中解吸按指数函数衰减这一理论用于实验过程和计算中。

附图3 解吸速度衰减曲线

t0 —钻头切割煤样的时间；

t1—煤样放入解吸计时间；

t2—煤样从解吸计中取出，并放入密封罐时间；

t3—密封罐中测定的浓度和随后磨碎煤样时间。

图3是根据指数函数关系得出的解吸速度相对于时间的曲线图。该曲线可用通用公式：

)(0kterr

0t和1t之间解吸的瓦斯量可由下式积分求得：

rdtqtt10

根据方程（12）和（13），当t=0时，瓦斯解吸量为：

]1)[/()(01ktekrq

式中 0r为初始瓦斯解吸速度。

方程（14）中的k和初始瓦斯解吸速度0r可根据t1和t2之间测得的数点求出