瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)方案

林南倉礦煤層瓦斯賦存規(guī)律及其災(zāi)難防治探究技術(shù)方案開灤集團(tuán)林南倉礦華北科技學(xué)院200林南倉礦煤層瓦斯賦存規(guī)律及其災(zāi)難防治探究技術(shù)方案1概述煤層瓦斯治理是一個(gè)世界性的難題，目前還沒有從根本上解決瓦斯災(zāi)難。我國(guó)煤層賦存條件困難多變，瓦斯災(zāi)難最為緊要，是瓦斯事故最多的國(guó)家之一。在長(zhǎng)期治理瓦斯的實(shí)踐中，我國(guó)已探究形成了“以煤層瓦斯含量測(cè)定為根底，以瓦斯緊急程度預(yù)料為依據(jù)，以瓦斯防治措施為手段”的瓦斯綜合治理模式。其中，煤層瓦斯根本參數(shù)測(cè)定及賦存規(guī)律探究是一切瓦斯防治工作的根底。近十年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層瓦斯參數(shù)〔瓦斯壓力、瓦斯含量、透氣性等〕及賦存規(guī)律進(jìn)展了大量的探究。在瓦斯壓力測(cè)定方面主要接受干脆測(cè)定法，依據(jù)封孔原理的不同，一般分為被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式封孔測(cè)定法接受黃泥、水泥沙漿、膠圈、膠囊等進(jìn)展封孔測(cè)定，由于該方法對(duì)鉆孔周邊微裂隙缺乏封堵實(shí)力，故而簡(jiǎn)潔發(fā)生瓦斯泄漏，造成所測(cè)瓦斯壓力值偏低。主動(dòng)式封孔測(cè)壓方法在20世紀(jì)80年頭由周世寧院士等提出，其根本原理是用固體封液體、用液體封氣體，且封孔液體的壓力始終高于瓦斯壓力，被稱為能夠精確測(cè)定煤層瓦斯壓力的有效方法。瓦斯含量測(cè)定法也分為兩類，即干脆法和間接法。間接法是國(guó)內(nèi)外最常用的煤層瓦斯含量測(cè)定方法，該法依據(jù)確定的煤層原始瓦斯壓力和試驗(yàn)室測(cè)出煤的吸附常數(shù)值，通過朗格繆爾方程和氣體狀態(tài)方程分別求出煤層的吸附瓦斯量和游離瓦斯量，將兩者相加后得出煤層的瓦斯含量。干脆法通過測(cè)定和計(jì)算采樣過程的損失瓦斯量、解吸瓦斯量和殘存瓦斯量這三局部之和獲得煤層原始瓦斯含量。幾十年來,人們?cè)谔骄扛纱鄿y(cè)定原始煤層透氣性系數(shù)上作了很多工作，提出了很多煤層透氣性系數(shù)測(cè)定方法，其中有代表性的有馬可尼壓力法、克氏壓力法、克里切夫斯基流量法及周氏鉆孔流量法。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)展了大量的探究，但對(duì)煤層瓦斯賦存規(guī)律的根底參數(shù)測(cè)定精確性多不高，測(cè)點(diǎn)選擇典型性不夠；同時(shí)對(duì)瓦斯賦存規(guī)律的影響因子、影響因素的權(quán)重是主觀人為確定的，缺少科學(xué)性。對(duì)煤層瓦斯賦存規(guī)律的分析評(píng)估存在人為劃分質(zhì)量等級(jí)等問題，沒有建立科學(xué)表現(xiàn)煤層瓦斯賦存規(guī)律的分析、評(píng)估、預(yù)料模型，因而影響了瓦斯災(zāi)難防治措施的有效性。本工程的探究的主要目的是獲得林南倉探究區(qū)內(nèi)煤層瓦斯賦存根底參數(shù)，在此根底上得出煤層瓦斯賦存分布規(guī)律。工程的開發(fā)實(shí)施將對(duì)林南倉礦煤層的瓦斯預(yù)料和災(zāi)難防治供應(yīng)堅(jiān)實(shí)的根底，對(duì)于保障林南倉礦的平安生產(chǎn)具有重大的意義。2主要探究?jī)?nèi)容與目標(biāo)2.1主要探究?jī)?nèi)容〔1〕結(jié)合林南倉礦探究區(qū)煤層的實(shí)際狀況，選擇有6~9個(gè)代表性的煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定地點(diǎn)，進(jìn)展煤層瓦斯根底參數(shù)測(cè)定。〔2〕依據(jù)測(cè)定的瓦斯根底參數(shù)，分析影響煤層瓦斯賦存狀態(tài)的因素，建立能科學(xué)表征煤層瓦斯賦存狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)體系?！?〕量化指標(biāo)體系中的定性因素，定量分析各因素對(duì)煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響程度，建立能科學(xué)分析、評(píng)估、預(yù)料林南倉礦煤層瓦斯賦存規(guī)律的模型?！?〕在上述探究根底上，得出林南倉礦探究區(qū)煤層瓦斯賦存規(guī)律，給出瓦斯含量〔壓力〕分布等值線圖，從而提出合理、有效的瓦斯治理措施建議，確保煤礦平安生產(chǎn)。2.2目標(biāo)〔1〕獲得林南倉礦探究區(qū)煤層瓦斯壓力、含量等典型瓦斯賦存根底參數(shù)?！?〕得出林南倉礦探究區(qū)煤層瓦斯壓力、含量等賦存分布規(guī)律?！?〕對(duì)林南倉礦探究區(qū)煤層提出合理、有效的瓦斯治理技術(shù)與措施。3具體實(shí)施方案3.1探究區(qū)瓦斯參數(shù)測(cè)定點(diǎn)布置方案為了最大限度反響原始狀態(tài)下的瓦斯壓力、含量等根底參數(shù)，選擇瓦斯參數(shù)測(cè)定地點(diǎn)時(shí)可參考以下原那么：1、目標(biāo)煤層四周無采空區(qū)，盡量選取在最近幾年新開拓的巖石巷道；2、瓦斯壓力測(cè)量地點(diǎn)一般選擇在巖石比擬完整，周邊地質(zhì)構(gòu)造單一的巖巷中進(jìn)展；測(cè)壓鉆孔及其見煤點(diǎn)應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、巷道的卸壓圈和采動(dòng)影響范圍，測(cè)壓煤層四周巖石致密完整、無裂開帶；3、煤層50m范圍內(nèi)無斷層和大的裂隙；巖層無淋水，巖柱〔垂高〕至少大于10m；4、同一地點(diǎn)測(cè)壓應(yīng)打兩個(gè)測(cè)壓鉆孔，鉆孔口距離應(yīng)在其相互影響范圍外，其見煤點(diǎn)的距離除石門測(cè)壓外應(yīng)不小于20m。瓦斯壓力測(cè)量結(jié)果以壓力較大的一個(gè)為準(zhǔn)；5、選擇瓦斯壓力測(cè)定地點(diǎn)應(yīng)保證有足夠的封孔深度。一般的巖巷打鉆，鉆孔深度不宜小于10m；6、應(yīng)盡可能地選擇施工仰角測(cè)壓孔，幸免俯角和水平鉆孔，同一地點(diǎn)測(cè)壓應(yīng)打兩個(gè)測(cè)壓鉆孔；7、假如選取順煤層施工測(cè)壓孔，鉆孔長(zhǎng)度不小于10m依據(jù)上述原那么，在探究區(qū)內(nèi)，皮帶上山由于有運(yùn)輸皮帶，影響打鉆，并且皮帶運(yùn)輸巷內(nèi)有斷層影響，因此，瓦斯壓力測(cè)定地點(diǎn)選擇在新掘探煤巷中，其布置示意如圖1所示。測(cè)壓鉆孔參數(shù)：〔1〕鉆孔角度：垂直煤巷兩幫，上仰1-5度；〔2〕鉆孔深度：12-15m；〔3〕鉆孔孔徑：直徑75mm；〔4〕鉆孔成孔工藝：壓風(fēng)排碴。皮帶上山皮帶上山3#鉆孔3#鉆孔1#鉆孔1#鉆孔待掘探煤巷待掘探煤巷5#鉆孔6#鉆孔5#鉆孔6#鉆孔2#鉆孔2#鉆孔待掘探煤巷待掘探煤巷4#鉆孔4#鉆孔7#鉆孔7#鉆孔探究區(qū)瓦斯參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置示意圖探究區(qū)瓦斯參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置示意圖8#鉆孔3.2煤層瓦斯壓力測(cè)定實(shí)施方案3.2.1煤層瓦斯壓力測(cè)定運(yùn)用華北科技學(xué)院研制的MWYZ-HⅣ型主動(dòng)式煤層瓦斯壓力測(cè)定儀。主動(dòng)式測(cè)壓封孔方法是周世寧院士最先提出的一種用于測(cè)定煤層瓦斯壓力的封孔方法。該方法的封孔原理是在封孔段兩端用膨脹膠囊封孔，中間流入壓力略高于煤層瓦斯壓力的密封粘液，該粘液在壓力作用下，不僅可以滲入鉆孔壁與膠囊間的裂隙，而且還可以滲入鉆孔卸壓圈的裂縫和鉆孔四周的自然裂隙中，杜絕瓦斯的泄漏。這樣就形成了膠囊封粘液、粘液封瓦斯的主動(dòng)式封孔方法，從而使測(cè)出的瓦斯壓力值等于煤層真實(shí)的瓦斯壓力。3.2.21、瓦斯測(cè)壓孔施工步驟〔1〕依據(jù)設(shè)計(jì)要求，由工程測(cè)量人員給出開孔位置及鉆孔方向線?！?〕依據(jù)工程測(cè)量人員給的線進(jìn)展穩(wěn)鉆機(jī)，使鉆桿的方位與鉆孔方向線重合，使鉆桿的傾角與鉆孔設(shè)計(jì)傾角相等，然后固定好鉆機(jī)，由工程測(cè)量人員驗(yàn)收鉆機(jī)安裝是否合格，確保鉆機(jī)安裝合格?！?〕鉆機(jī)安裝合格后，接受壓風(fēng)排碴工藝，用Ф70mm鉆頭鉆進(jìn)12~15m深停，退出鉆桿，掃凈孔內(nèi)鉆粉2、瓦斯壓力測(cè)定步驟〔1〕向鉆孔內(nèi)送入MWYZ-HⅣ型主動(dòng)式煤層瓦斯壓力測(cè)定儀；〔2〕向兩個(gè)膠囊內(nèi)注入水，保持水壓比預(yù)料的瓦斯壓力大1.5MPa左右；〔3〕向兩個(gè)膠囊之間注入粘液，保持粘液壓力比預(yù)料的瓦斯壓力大0.3~0.5MPa左右；〔4〕為了彌補(bǔ)打鉆施工過程的瓦斯損失，向瓦斯室充入氣體，壓力在1MPa左右；〔5〕2～3天后，孔內(nèi)瓦斯室的壓力平衡，壓力表上的數(shù)值不再變更，即可得到煤層的瓦斯壓力。3.2.31、MWYZ-HⅡ型主動(dòng)式煤層瓦斯壓力測(cè)定儀的封孔深度必需到達(dá)要求在封孔時(shí)，膠囊粘液封孔器的膠囊要下到高壓封堵段的里端，使膠囊粘液封孔器測(cè)量室的長(zhǎng)度盡可能地縮短。2、在井下正式測(cè)試之前，需在地面模擬鉆孔中做耐壓試驗(yàn)在地面試驗(yàn)中應(yīng)謹(jǐn)慎視察整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)是否牢靠，發(fā)覺狀況異樣或泄漏應(yīng)剛好查明緣由，并予以解除，以確保整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在井下平安牢靠。重點(diǎn)應(yīng)確保膠囊充水后能即時(shí)膨脹，并且不漏水。3、鉆孔直徑小于80mm4、測(cè)壓儀回收時(shí)，要嚴(yán)格遵照操作程序，按依次進(jìn)展，先釋放瓦斯，后放粘液，最終放水，否那么會(huì)出現(xiàn)緊急。具體操作步驟如下：首先翻開瓦斯壓力表的閥門，將鉆孔中的瓦斯放出；然后將手動(dòng)乳化液泵2的卸壓閥逆時(shí)針緩慢擰松，等粘液流出，直至粘液壓力為0；再將手動(dòng)乳化液泵保險(xiǎn)閥翻開，將卸壓閥逆時(shí)針緩慢擰松，直至水壓力為0。3.3煤層瓦斯含量測(cè)定實(shí)施方案3.3該方法是在地勘鉆孔瓦斯解吸法原理的根底上改良、開展而形成的井下煤層原始瓦斯含量干脆測(cè)定方法。它主要應(yīng)用于我國(guó)生產(chǎn)礦井的本煤層、石門即將揭穿的煤層及鄰近層原始瓦斯含量測(cè)定。其測(cè)定原理及步驟如下：〔1〕打煤層鉆孔采集煤屑〔本煤層〕或穿層鉆孔采集煤芯〔石門揭煤或鄰近層〕，用解吸儀在井下干脆測(cè)定煤樣的不同解吸時(shí)間t下的解吸瓦斯量Q及總解吸瓦斯量；〔2〕按下式推算煤樣解吸瓦斯規(guī)律:q=式中q—在解吸時(shí)間為t時(shí)煤樣的解吸瓦斯速度，ml/g﹒min；—t=1min時(shí)煤樣的解吸瓦斯速度，m/g·min；k—解吸速度隨時(shí)間的衰減系數(shù)。那么在解吸時(shí)間為t時(shí)的累計(jì)解吸瓦斯量為：〔3〕計(jì)算損失瓦斯量在測(cè)定時(shí)，從鉆孔見煤時(shí)起先計(jì)時(shí)，直至起先進(jìn)展煤樣瓦斯解吸測(cè)定這段時(shí)間即為煤樣解吸測(cè)定前的暴露時(shí)間。明顯，損失瓦斯式中—煤樣損失瓦斯量，ml/g；—解吸測(cè)定前煤樣暴露時(shí)間，min。上式僅適用于k<1的場(chǎng)合，為此在采煤樣時(shí)應(yīng)盡量選取較大的粒度?！?〕在試驗(yàn)室測(cè)定煤樣中殘存瓦斯量；〔5〕測(cè)定和計(jì)算的解吸瓦斯量，損失瓦斯量和殘存瓦斯量這三局部之和即為煤層原始瓦斯含量。與地勘鉆孔瓦斯解吸法相比，該法具有明顯優(yōu)點(diǎn)：一是暴露時(shí)間短，一般為3-5min，易精確進(jìn)展測(cè)定；二是煤樣在鉆孔中的解吸條件與空氣中大致一樣，無泥漿和泥漿壓力的影響。3.3.2該方法接受WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀，其運(yùn)用測(cè)定步驟如下：〔1〕在工作面前方打鉆，取新穎、枯燥的煤樣，要求煤樣大小為1~3mm?！?〕在接受鉆屑的同時(shí)，翻開儀器的電源開關(guān)，選擇測(cè)定后，輸入a、b值及測(cè)定編號(hào)?！?〕將取好的煤樣裝入罐內(nèi)，擰緊罐蓋并與儀器的進(jìn)氣口連接好?！?〕儀器將在2分鐘后自動(dòng)測(cè)定數(shù)據(jù)，整個(gè)測(cè)定過程為5分鐘，測(cè)定完后，屏幕上將顯示結(jié)果。3.3依據(jù)所測(cè)的煤層瓦斯壓力，在試驗(yàn)室測(cè)定煤的吸附常數(shù)A、B值及工業(yè)分析，以此來計(jì)算瓦斯含量。其計(jì)算公式如下：式中X—純煤的瓦斯含量，m3/t；a—吸附常數(shù)，m3/t；b—吸附常數(shù)，MPa-1；p—煤層瓦斯壓力，MPa；ts—試驗(yàn)室進(jìn)展吸附試驗(yàn)的溫度，oC；t—煤層溫度，oC；W—煤的水份，%；n—系數(shù)；K—煤的孔隙容積，m3/t；k—甲烷的壓縮系數(shù)。3.4煤層透氣性系數(shù)測(cè)定實(shí)施方案煤層透氣性系數(shù)是衡量煤層中瓦斯流淌難易程度的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)煤層瓦斯能否實(shí)行預(yù)抽的根本參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)通常接受徑向流量法來確定煤層透氣性系數(shù)。徑向流量法測(cè)定煤層透氣性系數(shù)時(shí)的主要步驟如下：(1)瓦斯含量系數(shù)測(cè)定依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的煤層原始瓦斯含量和間接法反算出的煤層原始瓦斯壓力，用下式確定瓦斯含量系數(shù)：α=X·γ/P0.5式中α—瓦斯含量系數(shù)，m3/(m3·MPa0.5)；—煤層原始瓦斯含量，m3/t；—煤容重，t/m3；—煤層原始瓦斯壓力，MPa。(3)煤層透氣性系數(shù)計(jì)算徑向流量法計(jì)算煤層透氣性系數(shù)的公式如下表：表徑向流量法計(jì)算煤層透氣性系數(shù)公式表時(shí)間準(zhǔn)數(shù)F0=Bλ煤層透氣性系數(shù)λ常數(shù)A常數(shù)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—時(shí)間準(zhǔn)數(shù)，無因次；P0—煤層原始的確定瓦斯壓力〔表壓力加0.1〕MPa；P1—鉆孔中的瓦斯壓力，一般為0.1MPa；r1—鉆孔半徑，0.0375mλ—煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；q—在排放瓦斯時(shí)間為t時(shí)，鉆孔煤壁單位面積瓦斯流量，m3/(m2·d)，可由下式確定：q=Q/2πr1LQ—在時(shí)間t時(shí)的鉆孔總流量，m3/d；L—鉆孔見煤長(zhǎng)度，一般等于煤層厚度，m；α—煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(m3·MPa0.5)。3.5煤的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定實(shí)施方案3.51)儀器設(shè)備及用具搗碎筒、計(jì)量筒、分樣篩(孔徑0.5mm,lmm,3mm,20mm,30mm各一個(gè))、天平(最大稱量1000g，感量0.5g)、小錘、漏斗、容器。2)采樣與制樣(1)沿新暴露的煤層厚度的上、中、下部各接受塊度為10cm左右的煤樣兩塊，在地面打鉆取樣時(shí)應(yīng)沿煤層厚度的上、中、下部各接受塊度為10cm的煤芯兩塊。煤樣采出后應(yīng)剛好用紙包上并浸蠟封固，以免風(fēng)化；(2)煤樣要附有標(biāo)簽，注明采樣地點(diǎn)、層位、時(shí)間等；(3)在煤樣攜帶、運(yùn)輸過程中應(yīng)留意不得摔碰；(4)對(duì)于做好的模擬試樣同樣要留意密封和保存好。(5)把試樣樣用小錘碎制成20-30mm的小塊，用孔徑為20或30m的篩子篩選；(6)稱取制備好的試樣50g為一份，每5份為一組，共稱取三組。3)測(cè)定步驟(1)將搗碎筒放置在水泥地板或2cm厚的鐵板上，放入試樣一份，將2.4kg重錘提高到600mm高度，使其自由落下沖擊試樣，每份沖擊3次，把5份搗碎后的試樣裝在同一容器中；(2)把每組(5份)搗碎后的試樣一起倒入孔徑0.5mm分樣篩中篩分，篩至不再漏下樣粉為止；(3)把篩下的粉末用漏斗裝入計(jì)量筒中；輕輕敲打使之密實(shí)，然后輕輕入具有刻度的活塞尺與筒內(nèi)粉末面接觸。在計(jì)量筒中相平處讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)≥30mm時(shí)，沖擊次數(shù)，即可定為3次，按以上步驟接著進(jìn)展其他各組的測(cè)定。當(dāng)﹤30mm時(shí)，第一組試樣作廢。每份試樣沖擊次數(shù)改