测定瓦斯压力测定技术方案.doc

巩义铁生沟煤业有限责任公司15采区二1煤层瓦斯基本参数测定技术方案编制单位：河南理工大学编 制 人：杨韶昆2013年09月28日技 术 方 案 会 审 表文件名称巩义铁生沟煤业有限责任公司15采区二1煤层瓦斯基本参数测定技术方案呈报单位巩义铁生沟煤业有限责任公司编制人负责人会审时间会审地点主持人会审意见部门会签通防科河南理工大学技术科通风副总工程师地测科钻机队机运科总工程师批示煤层瓦斯基本参数是煤层瓦斯储量计算、瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯抽放评价和煤矿瓦斯灾害综合治理的基础性参数。巩义铁生沟煤业有限公司是一年产量120万吨的生产矿井。根据河南省煤炭工业局“豫煤安2006251号”文件（2006年4月）批复，铁生沟煤矿瓦斯等级鉴定结果为高瓦斯矿井。矿井15采区为新开接替采区，目前，15采区三条岩石下山巷道已掘进完成，为了采区安全生产，早期掌握该区瓦斯赋存情况，在揭煤前必须进行煤层瓦斯含量、压力及煤层透气性系数等基本参数的测定工作。以期指导矿井安全生产工作，对采区揭煤和瓦斯抽放设计提供依据。为提高瓦斯基本参数准确和精度，确保各项测定工作的顺利进行，特编制本方案。一、取样钻孔兼测压孔布置按照煤炭行业标准MT/T638-1996中有关测压钻孔的要求，在具体选择测压孔位置时，应避开地质构造裂隙带、采动等影响范围，测压孔见煤点与地质构造裂隙带、采动影响范围至少要大于40m；同一地点设2个测压孔时，两个测压孔的见煤点的距离应大于20m。根据以上要求并结合现有的巷道条件，本次测定取样工作安排在15采区上、下车场内，同一测点分别设置2个钻孔，下山联络巷内设置2个钻孔。本次测定工作计划共布置6个取样钻孔，其中上下车场和中部联络巷内各设置1个测压孔。开孔位置布置在距巷道底板高度1.6m处，开孔仰角在3545，与巷道走向夹角为90。每个测点两测点相距20米以远。由于采区内煤层厚度变化较大，为保证取样成功，决定在每个钻孔中根据不同深度分别取2个煤样。取样位置在见煤1.5m和进入煤层3m处。钻孔开孔平面位置图如图1、钻孔剖面图见图2所示。钻孔布置参数见表1。表1 钻孔布置参数表煤层厚度（m）水平仰角()与巷道走向夹角()钻孔见煤长度（m）钻孔长度(m)538908.7515.75图1 钻孔开孔平面位置图图2 钻孔布置剖面图以上6个钻孔见煤后，利用取芯钻，根据要求采取煤样，然后将煤样立即装入特制的煤样罐中进行密封，并利用瓦斯解吸仪在现场解吸测定瓦斯解吸量；然后密闭后送至实验室进行残余瓦斯含量的测定等瓦斯基本参数和工业分析。具体参数测定有：煤体的破坏类型、瓦斯压力、瓦斯含量、吸附常数、瓦斯放散初速度、煤体坚固性系数等瓦斯基本参数。二、瓦斯基本参数测定方法 为了安全生产，需要在采区石门揭煤以前进行现场瓦斯压力测压和实验室进行煤的瓦斯基本参数测定，并结合煤层的赋存的实际情况，综合分析煤的瓦斯突出危险性，为下一步采区揭煤措施提供科学依据。1、煤的坚固性系数（f）测定煤的坚固性系数（f）是一个相对指标，反映煤的力学性质，建立在脆性材料破碎遵循面积力能说的基础上。一般地，当f0.5时有突出危险；f1.2时，无突出危险防治煤与瓦斯突出规定。测定煤的坚固性系数（f）采用落锤法测定，测定器具为捣碎筒和计量筒，测定步骤如下：（1）仪器设备捣臼，计量筒，分样筛(孔径0.5mm、lmm、3mm、20mm、30mm各一个)，天平(量程1000g，感量0.5g)，漏斗，容器和小锤(2.4kg)。（2）测定步骤：在煤层厚度的上、下部各采集直径为100mm煤两块，重量约1.52.0kg，用塑料袋密封,作好标记送实验室。将井下煤样用手工破碎成2030mm粒度的煤样，分成50g一份，每5份为一组（250g），共需3组（750g）。将每份煤样放入捣碎筒内后，把2.4kg的重锤提高到600mm高度并使之自由落体，每份煤样落锤冲击3次。每组煤样捣碎后，经过筛分，把粒度为0.5mm以下的粉煤倒入计量筒内，轻轻敲打使之密实，插入具有刻度的活塞尺，量出粉煤高度L。按下式计算每组煤的坚固性系数f值：f=20n/L式中，f为煤的坚固性系数，n为每次试样的冲击次数，L为试样的筛下粉煤计量高度，mm。（6）3组煤所测f值的算术平均值即为测定地点煤样的坚固性系数。2、煤的瓦斯放散初速度（P）测定它是表示瓦斯从煤体内放散出来快慢的相对指标，能反映煤的孔隙结构和微观破坏程度。一般情况下，P10时有突出危险，P10时无突出危险。瓦斯放散初速度测定需要用专用的P测定仪在实验室测定，主要测定步骤为：(1)在新暴露煤壁面采取煤样250g，并注明采样地点、层位、采样时间等。(2)将所采煤样进行粉碎，筛分出粒度为0.20.5mm的煤样，每一个煤样取2个试样，每个试样重3.5g。(3)把2个试样用漏斗分别装入P测定仪的2个试样瓶中；(4)启动真空泵对试样脱气1.5h；(5)脱气1.5h后关闭真空泵，将甲烷瓶与试样瓶连接，充气（充气压力0.1MPa）使煤样吸附瓦斯1.5h；(6)关闭试样瓶和甲烷瓶阀门，使试样瓶和甲烷瓶隔离；(7)开动真空泵对仪器管道死空间进行脱气，使U型管泵真空计两端泵面相平；(8)停止真空泵，关闭仪器死空间通往真空泵的阀门，打开试样瓶的阀门，使煤样与仪器被抽空的死空间相连并同时启动秒表计时，10s时关闭阀门，读出汞柱计两端汞柱差P1(mm)，45s时再打开阀门，60s时关闭阀门，再一次读出汞柱计两端汞柱差P2(mm)。(9)瓦斯放散初速度P=P2-P1，同一煤样的两个试样测出的P值之差不应大于1，否则需要重新测定。3、煤层工业分析煤的工业分析主要是在化验室进行，测定内容主要包括水分、灰分、挥发分和一些物理性质指标（真相对密度、视密度）等。煤的工业分析是为了了解和研究煤性质最基本，也是最主要的指标。4、吸附常数a和b值的测定a、b值测定采用高压容量法来测定煤层瓦斯吸附常数a和b值。将预先加工好的(0.20.55mm)的煤样放在吸附容器中，在真空加热的情况下脱气，测定其中的死空间，然后在一定温度(30)下往容器中注入一定体积的甲烷(99.9%)，在容器中形成相应压力，部分甲烷被吸附，最终建立一个吸附平衡状态，再测定该气体的压力和体积。根据气体的起始体积和最终体积的差值即可算出在给定气体压力下被吸附的瓦斯体积。再向容器内注入较高压力(57MPa)的甲烷(99.9%)，在30的条件下等待达到吸附平衡后，测定其平衡压力。然后，放出一部分甲烷，测定出甲烷的体积，并建立新的平衡压力。根据放气前后的平衡压力及放气体积，即可算出给定压差下试样中解吸的甲烷体积。最后根据不同的压力瓦斯吸附量用回归分析法计算出煤的瓦斯吸附常数a和b的值。5、煤层瓦斯含量测定本次测定煤层瓦斯含量测定将根据煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GBT 23250-2009）要求，采用井下解吸法直接测定瓦斯含量来进行测定。（1）测定原理该方法是首先在现场利用钻孔取样装罐，记录煤样脱离煤体到装罐时间，然后现场测定煤样的解吸瓦斯量；其次，根据其解吸规律及煤样脱离煤体至装罐解吸测定前暴露于空气之中的时间推算在此时间内损失的瓦斯量；最后将经过解吸测定的装罐煤样密闭后送到实验室进行粉碎、真空脱气，气体组分分析等煤样的残存瓦斯含量（即粉碎前脱气量，粉碎后脱气量）。将解吸瓦斯量、损失的瓦斯量和残存瓦斯量这三部分相加后即为煤层原始瓦斯含量。该方法测定的煤层瓦斯含量是煤样在各阶段泄出的瓦斯总体积重量与损失瓦斯量之和同煤样重量的比值。此方法不仅可以测定原始瓦斯含量，还可测定残余瓦斯含量。 （2）操作说明钻孔钻进在预计见煤前，应立即通知采样人员到达采样现场，做好采样前的准备工作；并详细记录见煤时钻孔实际深度。用直径89mm钻头钻进见煤后，立即换用取芯管采取煤芯，取芯管外径为73mm、内径65mm，长度为1000mm，钻头为75mmPDC台阶助箍取芯钻头，取出煤芯直径不小于50mm。采用干式钻进取芯或采用高转速（240r/min）、小流量（38L/min）水力排渣取芯方式取芯。当钻煤完了，煤芯提到孔口时，尽快地从煤芯管中取出煤芯，采取中间完整部分，装入罐中密封。这段时间应控制在2分钟之内。煤芯中如混合有夹矸及杂物时应与剔除。煤样不得用水清洗，保存原状装罐，不可压实。煤样距罐口留10mm的间隙为宜，煤样约400g左右。将煤样罐与HFJ2型解吸仪连接（见图4）进行现场解吸，一般在现场解吸进行2小时。开始观测前30min内，间隔1分钟读数一次，以后每隔3分钟读数一次；第2个小时后，每隔10分钟读数一次。如果解吸过程中，量管体积不足以容纳煤样的解吸瓦斯，可以中途用弹簧夹6将排气管夹紧，通过吸气球2，重新加水将液面提升至量管零点，然后再打开弹簧夹，继续测定。现场解吸完成后，拔出针头，将取样罐拧紧，泡在水中检查是否有漏气现象，若有渗漏应及时处理。然后送到实验室进行再次解吸和脱气。在上述采样和解吸过程中除要记录采样时间、采样地点、采样深度外，还要务必记清钻孔见煤时间，钻进时间，起钻时间，钻具提到孔口时间，煤样装罐时间，开始解吸测定时间，以及解吸测定时的气温，水温和大气压力。图3 瓦斯解吸速度测定仪与煤样罐连接示意图6、煤层瓦斯压力测定技术煤层瓦斯压力是煤层瓦斯流动和涌出的最基本参数，也是煤层发动突出的动力之一。准确测定煤层瓦斯压力对于煤与瓦斯突出危险性预测，合理制定防突措施等均具有十分重要的作用。本次测定煤层瓦斯压力，依据煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法(AQ/T1047-2007）要求，采取主动测压方法来测定二1煤层的瓦斯压力。（1）煤层瓦斯压力测定的原理在瓦斯含量测定采集煤样完成后，通过钻孔在煤孔内布置一根瓦斯管与外界沟通，连上瓦斯压力表，封闭钻孔与外界的联系。由于煤孔内的瓦斯已经向外放散，压力较低，煤孔周围的煤层中瓦斯向煤孔内运移，压力逐渐增高。由于煤孔周围的煤体体积远大于煤孔的空间体积，煤层内的吸附瓦斯量又比游离瓦斯量大得多，故经过一段时间的瓦斯渗流，煤孔内的瓦斯压力逐渐接近煤层的原始瓦斯压力，从外部的压力表上可以读出煤孔内的瓦斯压力值。从测压原理上来看，测定一个煤层的瓦斯压力，只要将钻孔打到要测定的煤层，将钻孔密封住即可，钻孔中的瓦斯就会源源不断地涌入测压孔空间，瓦斯压力表读数就会上升并达到原始压力值。（2）工艺流程瓦斯压力是预测煤层是否具有突出危险性较敏感指标，准确测定煤层瓦斯压力关键是将测压孔封严，不漏气，为了达到该目的，本次采用新的封孔方法-多步分段注浆封孔技术。据施工要求成孔后，并对钻孔进行压风吹洗，保证钻孔畅通。将尾端挡板绑扎棉纱，依次连接中间管，当测压管路安装完毕后，首先采用黑白料聚氨酯对孔口进行严密封堵；再将测压管和注浆管穿过木塞，然后将木塞外缠棉纱牢牢打入孔口固牢；将注浆泵与注浆管联接。前端封孔装置安装好后，根据孔的直径估计所需的水泥浆量。首先采用泥浆泵通过注入硫铝酸盐混合水泥浆液，分两步注浆。第一步注35m，待硫铝酸盐混合水泥浆液凝固后（2小时后），第一段有了抵抗力，再进行第二次带压注浆，注浆加压严格控制在3Mpa以下，在保证浆液充分渗入煤岩壁，提高封孔的严密性的前提下，为防止水泥流入测压室，水泥越稠越好，当然也要考虑泥浆泵的能力，必须保证水泥浆能把水泥浆注进去。当注浆压力达到3Mpa左右立即停泵，关闭注浆管闸阀。当封孔水泥凝固后（24小时后）安装孔口测压装置，通过三通向测压孔气室内补偿高压氮气（或压风补气），根据煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法（AQ/T1047-2007）要求，补偿气体的充气压力宜为预计煤层瓦斯压力的15倍，本次测压补偿气压力达到2.0MPa以上后可关闭闸阀，通过压力表读出瓦斯压力变化情况。每天观测一次测定压力表，将观测结果绘制在以时间(d)为横坐标、瓦斯压力(MPa)为纵坐标的坐标图上，当观测压力变化小于0.015MPa，测压工作即可结束,则稳定的压力就是煤层瓦斯压力，否则，应延长测压时间。本次测压地点为3个钻孔压力，以最高瓦斯压力测定值作为测定结果。测压记录见附表1。多步分段封孔示意图见图3所示。图3 测压封孔示意图（3）注浆封孔材料封孔材料采用普通硅酸盐水泥（80%）加入双快硫铝酸盐水泥（20%），并加入0.3%的三乙醇胺早强剂。水灰比为0.40.5：1，经充分搅拌均匀成粘稠状。为了防止水泥流入测压室，水泥越稠越好，当然也要考虑泥浆泵的能力，必须保证水泥浆能把水泥浆注进去。封孔深度控制在煤层底板岩石段内。注浆工艺流程: 注浆机、高压胶管、高压球阀依次连接注清水试机造浆一次注浆停机二注浆停机冲洗注浆管关闭高压球阀拆除高压注浆管。现场应用严格按照间歇式注浆施工工艺步骤进行。分段注浆的目的：第一步注浆的水泥凝固后，能够承担第二步加压注浆的压力，防止加压注浆时水泥由孔口流出。同时，为防止水泥浆进入测压室，严格控制注浆压力，注浆压力不得超过3Mpa。（4）注意事项钻孔见煤前应通知采样人员到达采样现场，做好采样前的准备工作；水泥浆水灰比必须符合要求，可使用电动搅拌机，以免影响封孔质量；如果岩石破碎钻孔垮孔，则必须先注浆后成孔；钻孔施工中不要实用水排渣，特别是钻孔见煤，必须采用压风排渣。钻孔注入氮气（或空气）为高压，所有连接点承压能力不小于4Mpa。所有封孔人员严禁正对孔口，防止喷浆或喷气体伤人。必须认真记录每一个钻孔的见煤点和终孔点的深度以及钻孔长度。成立项目领导小组，组织协调项目的实施；配备2名以上的通风、地质等方面的技术人员参与项目的实施和进行部分参数的观测、记录和收集整理工作。7、煤层透气性系数测定煤是一种多孔介质,在一定压力梯度下，气体可以在煤体内流动，煤层瓦斯流动难易程度通常用透气性系数表示。其物理意义是：在1m长煤体上，当压力平方差为1MPa2时，通过1m2煤层断面，每日流过的瓦斯立方米数。煤层透气性系数的测定在我国广泛采用中国矿业大学提出的方法。这一方法是在煤层瓦斯向钻孔流动的状态属径向不稳定流动的基础上建立的，采用该法时按下列步骤进行。图1-1 煤层透气性测定示意图1一钻孔；2一测压管；3一压力表；4一阀门；5一流量计；6封孔段；7一煤层(1)卸压测定钻孔瓦斯流量卸下压力表排放瓦斯，卸压ld以后进行测定钻孔瓦斯流量，在测定时要记录时间(年、月、日、时、分)，即卸表大量排放瓦斯时间与每次测定瓦斯流量的时间，两者的时间差即为时间准数中的值。测量流量的仪表，当流量大时可用小型孔板流量计或浮子流量计，而流量小时可用0.5m3/h的湿式气体流量计(煤气表)。封孔后上表前测得的流量也可用来计算透气性系数。（2）测定煤的瓦斯含量系数煤层的瓦斯含量系数一般是在试验室通过吸附试验确定的。（3）透气性系数的汁算方法钻孔瓦斯流动是径向不稳定流动，求出其流动方程的解析解是困难的。中国矿业大学在实验室用相似模型试验的方法进行试验，并以相似准数表达了试验的结果。径向不稳定流动的计算公式为：式中： Y流量准数，无因次；时间准数，无因此；a,b无因次系数。t式中：P0煤层原始绝对瓦斯压力(表压力加0.1)，MPa；P1钻孔中的瓦斯压力，一般为0.1Mpa；煤层透气性系数，m2/(MPa2d)；钻孔半径，m；q在排放时间为t时、钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量，m3/(m2d)；Q在时间为t时测出的钻孔流量，m3/d；L一钻孔见煤长度，一般为煤层厚度，m；t从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量的时间，d；a煤层瓦斯含量系数，；X煤的瓦斯含量，m3/t；P确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力，MPa。为了简化计算，导出如下计算透气性的公式：其中： ， t由于流量准数与时间准数的关系难以用简单的公式表达，故按时间准数分段表示，得出以下专门计算透气件系数的公式：由于计算透气性系数公式式子较多，须采用试算法来确定选取的计算式。即先选用其中任一个式子计算出值，然后将算出的值代人公式，校验是否在选用公式的适用范围内。如在试用范围，则选式正确，算出的值即为煤层透气性系数；如不在适用范围，则需重新选公式计算值，更新校验值是否在选用公式的适用范围内。测定透气性系数时应注意如下事项：（1）打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出煤量，然后折合计算孔径；（2）测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变化规律；（3）卸压后到测定流量时间长时，钻孔见煤长度可不取实测值(如钻孔与煤层面斜交)，而取等于煤厚；如时间短，则L值可取为钻孔见煤长度。附录1 准备材料加工图附录2 准备设备、材料一览表1、设备及仪器（1）钻机：150型或1200型液压钻机或地质钻机1台。（2）钻具：直径50mm钻杆40m；直径89mm钻头2个、75mm钻头2个；75mm取芯钻头配合1.0m长取芯管。（3）注浆泵：1台；高压注浆胶管10m。（4）压力表：量程2.5MPa，3块。（精密）（5）煤气表：1只。最大流量6m/h。2、材料配备(1) 4镀锌管，单管长度4.0m，25根。(2) 4集气管，单管长度2.0m，带有直径55mm、厚3mm铁挡板、长1.0m集气管：4根。 (4) 4注浆管，单管长度1.0m：4根。(5) 4管标准接头：30个。(6) 4管标准不锈钢内螺纹球阀6个。(7) 制做60/90300带梢木楔：3个。（8）425#普通硅酸盐水泥10袋；双快硫铝酸盐水泥5袋。郑州登封市大冶镇东施村王楼水泥工业有限公司，初凝不得早于30min，终凝不迟于3h。电话：0371-62936789 (9) 拖把头布条：4 kg。 (10) 12、14或15寸管钳：2把；钳子2把。活动扳手2把。（11）12#镀锌铁丝3kg（12）生料带：10卷。井下瓦斯含量测定采样记录表煤样编号采样日期 年 月 日采样地点： 矿井 采区 工作面 煤层采样点坐标：X= Y= 地面标高：Z= 井下标高Z=采样管型式 采样罐号钻孔见煤深度 m 采样深度 m钻孔见煤时间日 时 分提钻开始时间日 时 分进 尺 m取芯管卸煤结束时间日 时 分煤芯长度 m煤样装罐开始时间日 时 分煤样装罐结束时间日 时 分开始解吸时间日 时 分煤样暴露时间： min采样地点地址概况：煤质描述送样时间： 年 月 日 采样人员： 煤样井下自然解吸瓦斯量测定记录表煤样编号： 采样日期： 年 月 日采样地点： 矿井 采区 工作面 煤层采样罐号煤样解吸测定前的暴露时间T1， min测定结果测定时间累计观测时间T5min量管读数VmL水柱高hmm校正体积，mL备注体积Vo累计V112345678910111213141516大气压力(P1) kPa 水温(Tw) ； 气温Tn= ；审核 测试人员 煤样井下自然解吸瓦斯量测定记录表煤样编号： 采样日期： 年 月 日采样地点： 矿井 采区 工作面 煤层采样罐号煤样解吸测定前的暴露时间T1， min测定结果测定时间累计观测时间T5min量管读数VmL水柱高hmm校正体积，mL备注体积Vo累计V11718192021222324252627282930354045大气压力(P1) kPa 水温(Tw) ； 气温Tn= ；审核 测试人员 煤样井下自然解吸瓦斯量测定记录表煤样编号： 采样日期： 年 月 日采样地点： 矿井 采区 工作面 煤层采样罐号煤样解吸测定前的暴露时间T1， min测定结果测定时间累计观测时间T5min量管读数VmL水柱高hmm校正体积，mL备注体积Vo累计V150556065707580859095100105110115120125130大气压力(P1) kPa 水温(Tw) ； 气温Tn= ；审核 测试人员 井下瓦斯压力测定记录表测压地点： 煤层名称： 煤层厚度： 煤层倾角： 见煤标高： 见煤埋深： 开钻时间： 见煤时间： 钻毕时间： 封孔时间： 封孔深度： 孔号钻孔参数岩孔长（m）煤孔长（m）封孔长（m）备 注方位（度）倾角（度）长度（m）时间压力（MPa）时间压力（MPa） 测定人员： 审核：钻孔瓦斯流量测定记录表钻孔号： 初始读数时间（日.时.分）流量表初始读数（m）结束读数时间（日.时.分）流量表累计读数（m）审 核： 测试人员： 钻孔瓦斯流量测定记录表钻孔号： 初始读数时间（日.时.分）流量表初始读数（m）结束读数时间（日.时.分）流量表累计读数（m）审 核： 测试人员： 钻孔瓦斯流量测定记录表钻孔号： 初始读数时间（日.时.分）流量表初始读数（m）结束读数时间（日.时.分）流量表累计读数（m）审 核： 测试人员：