瓦斯灾害预测与防治——第讲瓦斯基础参数测定技术

瓦斯灾害预测与防治河南理工大学安全学院瓦斯防治技术及装备研究所国家 安全生产 安全生产管理档案一煤矿调度员先进事迹安全生产副经理安全生产责任最近电力安全生产事故安全生产费用投入台账 专家硕士研究生课程：瓦斯灾害预测与防治2012年3月杨宏民博士教授级高工主要内容：第一讲：瓦斯基础参数测定技术第二讲：矿井瓦斯涌出量预测技术第三讲：煤层瓦斯突出预测预报技术第四讲：瓦斯与煤尘爆炸防治技术第一讲：瓦斯基础参数测定技术河南理工大学安全学院瓦斯防治技术及装备研究所国家安全生产专家硕士研究生课程：瓦斯灾害预测与防治2012年3月杨宏民博士教授级高级工程师内容提要第一章：煤层瓦斯含量测定第二章：煤层瓦斯压力测定第三章：煤层透气性系数测定第四章：煤的坚固性系数测定第五章：煤的瓦斯放散指数测定第六章：煤对瓦斯吸附常数测定第七章：煤与瓦斯突出预测指标测定第一章：煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量：煤层赋存状态下，单位质量（或体积）煤的微表面或基质中吸附的瓦斯量与孔隙中的游离瓦斯量之和，单位为m3/m3，m3/t。第一章：煤层瓦斯含量测定一、方法分类方法分类技术要点与技术关键直接测定法简接测定法技术要点：根据瓦斯压力、吸附常数（a,b值）、煤质参数等，按照公式计算煤层瓦斯压力的方法。技术关键：各种基础参数的准确测定。技术要点：采用打钻、取钻屑、测定瓦斯解吸规律、推算损失瓦斯量、真空抽气测定残存瓦斯量。技术关键：取样技术。GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法二、术语及定义1、残存瓦斯量residualgascontentincoalseam在常压状态下，煤样解吸后残留在煤样中的瓦斯量2、损失瓦斯量Iosinggascontentincoalseam煤样从暴露到开始测定解吸量期间所遗失的瓦斯量3、粉碎前脱气量negativepressuredesorptiongascontentbeforecomminution在负压状态下，煤样在粉碎前所解吸的瓦斯量4、粉碎后脱气量negativepressuredesorptiongascontentduringcomminution在负压状态下，煤样在球磨机中粉碎到80%以上的煤样粒度小于025mm时所解吸的瓦斯量二、术语及定义5、粉碎前自然解吸瓦斯量naturaldesorptiongascontentbeforecomminution在常压状态下，煤样井下解吸后运送到实验室粉碎前所解吸的瓦斯量。6、粉碎后自然解吸瓦斯量naturaldesorptiongascontentduringcomminution在常压状态下，煤样在粉碎机中粉碎到95%以上煤样粒度小于025mm时所解吸的瓦斯量。三、直接测定方法1、相关仪器装备三、直接测定方法1、相关仪器装备三、直接测定方法温度计1、相关仪器装备空盒气压计秒表煤样罐穿刺针头三、直接测定方法1）取芯钻头取煤芯2）普通实心钻头孔口接样2、煤样采取三、直接测定方法1）装样时间在2min内完成；2）自然接样，不得压实；3）装样高度距罐口10mm；4）确保罐口、“O”型圈清洁，无煤粒粘附；5）先穿刺，后拧盖；6）拧盖时保持罐竖直状态；7）解吸完毕后，上紧穿刺压垫和煤样罐盖；8）记录采样信息、时间等，贴标签。3、煤样装罐三、直接测定方法1）初始水面提到0刻度；2）定时记录量管水面下降高度，连续观测2h；3）前5min内，每0.5~1min记录一次；5min~1h，视情况每2~5min记录一次；1h后，每20~30min记录一次。4）为避免送往实验室期间罐内压力上升漏气，升井后在地面再解吸24h，只记总解吸量；5）详细记录解吸时温度、气压等参数。4、煤样现场解吸三、直接测定方法5、现场解吸记录1）样品编号：唯一性2）采样地点：矿、采区、工作面、巷道（XXXXm处）3）钻取深度：4）开始取样时间：5）开始解吸时间：6）解吸时间↔累计解吸量7）解吸结束时间8）采样过程描述9）采样地点地质描述10）采样地点煤质描述11）地面解吸时间↔总解吸量三、直接测定方法1）、法：在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯量与解吸时间的½次方呈线性关系，通过该线性特征推算煤样从煤体剥落到开始解吸时间段内的损失瓦斯量。6、采样过程瓦斯损失量推算三、直接测定方法6、采样过程瓦斯损失量推算t1t1′V1V1′取样时间t1对瓦斯含量测定的有什么影响呢?为何要在2min内？三、直接测定方法解吸前暴露时间确定：暴露时间(t0)为从煤样暴露到装罐结束（开始解吸测定）所用的时问，按下式计算：t0=t2-t1式中：t0——暴露时间，单位为分(min)；t1——取煤芯（屑）开始时刻，时：分：秒；t2——装罐结束（开始解吸测定）时刻，时：分：秒。6、采样过程瓦斯损失量推算三、直接测定方法损失量的确定：图解法：以解吸时间为横坐标，累计解吸量V1为纵坐标作图，则前一段直线部分反延长与纵轴的交点值即为总损失量。解析法：将进行线性回归，得到线性拟合方程：，则拟方程中V’损即为总损失量。无论是图解法还是解析法，可以利用Excel很方便地实现。6、采样过程瓦斯损失量推算三、直接测定方法2）幂函数法在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯速度与解吸时间t的呈-n次方（常数）的幂函数关系，如下式所示。式中：qt—t时间的瓦斯解吸速度，cm3/min；q0—t=0时的瓦斯解吸速度，cm3/min；q1—t=1时的瓦斯解吸速度，cm3/min；t—瓦斯解吸时间，min；n—瓦斯解吸速度衰减系数，0<n<1。6、采样过程瓦斯损失量推算三、直接测定方法损失量计算：式中：V’损——煤样损失瓦斯量，cm3；t0——煤样暴露时间，min。6、采样过程瓦斯损失量推算三、直接测定方法7、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定方法取样时损失量现场解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量真空脱气法常压自然解吸法取样时损失量现场解吸量粉碎前解吸量粉碎后解吸量1atm残存解吸量三、直接测定方法1）真空脱气装置：恒温水浴U型水银真空计冷却器抽真空管气体量管平衡瓶真空泵煤样罐8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法2）粉碎前真空脱气：1）煤样罐密封性检查：置于清水中，5min内不冒泡；2）脱气装置气密性检查：向真空系统抽真空，水银面不再下降时关闭阀门，隔离真空系统，4h内水银面下降≤5mm；3）系统抽真空，达到最大真空度时，10min内水银面保持不变；4）常温下煤样罐真空脱气；5）95-100℃下煤样罐真空脱气；6）分析脱气气体组分及浓度；7）将平衡瓶液面调整到与量管液面平齐，记录脱气气体体积；8）记录大气压力、温度等参数。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法1、启动真空泵，向系统抽真空。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法2、松开螺旋夹，煤样罐内气体进入真空系统。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法3、调整量筒液面高度。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法4、向真空管抽真空，将负压转为正压，气体导入量筒。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法4、向真空管抽真空，将负压转为正压，气体导入量筒。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法3）煤样粉碎及粉碎后脱气：1）煤样从密封罐内倒出，装入球磨罐中，确保密封性良好；2）球磨罐安装到球磨机上进行煤样粉碎；3）粉碎后煤样进行真空脱气；4）称重，进行工业分析。8、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——真空脱气法三、直接测定方法1）煤样粉碎前常压自然解吸：①缓慢打开煤样罐阀门，隔一定时间记取一次瓦斯解吸量；②当实测解吸瓦斯体积达到单根测量管最大量程85％时，打开转换手柄用第二栏测量管测量；③当解吸一段时间后，在5min内玻璃管内不再有气泡冒出时解吸完毕，读取并记录解吸量管液面终止读数。④倒出煤样，捡杂，称重。记录周围环境的温度、大气压力。9、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——常压解吸法1-抽气管；2-排气管；3-微型真空泵；4-粉碎机料钵；5-煤样罐三、直接测定方法2）粉碎煤样称重：①取两份等量的二次煤样100-300g，选择整芯或较大块的煤样，确保二次煤样和全煤样有相同的特性；②如果两份二次煤样测试结果有较大的差别，应该再取第三份二次煤样；③若待粉碎煤样块度较大，应事先将煤样捣碎至粒度25mm左右；9、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——常压解吸法三、直接测定方法3）粉碎自然解吸瓦斯量：①将称量好的二次煤样逐份放入粉碎机料钵内，盖好带有密封目的盖子，并压紧密封严；②用胶管连接解吸量管与粉碎机气嘴，然后进行煤样粉碎；③粉碎时观测解吸瓦斯量体积，当解吸瓦斯体积达到单根量管最大量程的85%时，打开转换开关用第二根测量管测量，粉碎结束时记录量管终止读数；④解吸量=解吸结束后读数-解吸开始时读数9、煤样罐中剩余瓦斯含量的实验室测定——常压解吸法1-抽气管；2-排气管；3-微型真空泵；4-粉碎机料钵；5-煤样罐三、直接测定方法1）井下自然解吸量（标准解吸量）：式中：V’t——换算为标准状态下的气体体积，单位为立方厘米(cm3)；Vt——t时刻时量管内气体体积读数，单位为立方厘米(cm3)；p1——大气压力，单位为千帕(kPa)；TW——量管内水温，单位为摄氏度(℃)；hW——量管内水柱高度，单位为毫米(mm)；p2——TW时水的饱和蒸汽压，单位为千帕(kPa)。10、煤中瓦斯含量的相关计算三、直接测定方法2）实验脱气脱气量（标准解吸量）：式中：V’T0——换算为标准状态下的气体体积，cm3；VT0——实验室温度为T0，大气压为p1条件下管内气体体积，cm3；P1——大气压力，kPa；C0——气压计温度，℃；T0——实验室温度，℃；p2——TW时水的饱和蒸汽压，kPa。10、煤中瓦斯含量的相关计算三、直接测定方法3）无空气基煤层气体积换算：式中：A(N2)——扣除空气后的氮气浓度，%；A(CH4)——扣除空气后的甲烷浓度，%；A(CO2)——扣除空气后的二氧化碳浓度，%；c(XX)——含有空气的XX气体浓度，%；V′i——扣除空气前标准状态下各阶段瓦斯气体体积（i=1,2,3,…），cm3；V″i——扣除空气后标准状态下各阶段瓦斯气体体积（i=1,2,3,…），cm3；10、煤中瓦斯含量的相关计算三、直接测定方法4）常压自然解吸后的不可解吸量：式中：Xb——煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，cm3/g；a——煤的瓦斯吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，cm3/g；b——煤的瓦斯吸附常数，MPa-1；Ad——煤的灰分，%；Mad——煤的水分，%；π——煤的孔隙率，cm3/cm3；γ——煤的容重(假比重)，g/cm3。10、煤中瓦斯含量的相关计算三、直接测定方法5）煤层瓦斯含量计算：X=X1+X2+X3+X4X=X1+X2+X3’+X4’+Xb负压脱气法常压自然解吸法式中：X——煤的瓦斯含量，cm3/g；X1——取样过程中的瓦斯损失量，cm3/g；X2——煤样现场解吸量，m3/g；X3——粉碎前的脱气量，cm3/g；X4——粉碎后的脱气量，cm3/g；X3’——粉碎前的自然解吸量，cm3/g；X4’——粉碎后的自然解析量，cm3/g；Xb——煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，cm3/g；10、煤中瓦斯含量的相关计算四、间接测定方法1.根据原始瓦斯压力推算瓦斯含量——Langmuir法X——煤层瓦斯含量，m3/t；a——煤的瓦斯吸附常数，m3/t；b——煤的瓦斯吸附常数，MPa1；p——煤层原始瓦斯压力，MPa；Aad——煤的通风干燥基灰分，%；Mad——煤的通风干燥基水分，%；π——煤的孔隙率，%；γ——煤的容重，t/m3。四、间接测定方法式中：V1——t=1min时的瓦斯解吸速度，m3/min。研究表明：煤的瓦斯含量与V1值呈线性关系，可表示：式中：W——煤的瓦斯含量，cm3/g；A,B——回归系数。2、根据瓦斯解吸特征值V1推算瓦斯含量瓦斯解吸速度：四、间接测定方法式中：W0——煤的原始瓦斯含量，m3/t；α——煤的瓦斯含量系数，m3/（m3•MPa½）；p——煤层原始瓦斯压力，MPa；γ——煤的密度，t/m3。此方法用于瓦斯含量精度要求不高的估算。3、根据瓦斯含量系数α推算瓦斯含量四、间接测定方法瓦斯含量系数测定法：1）新鲜煤壁上用煤电钻取样装罐；2）向罐内充CH4至2.0MPa以上；3）在恒温水槽内吸附平衡8h，记录瓦斯压力为p1；4）放出一部分罐内瓦斯，记录放出气体体积为Q1-2；5）在恒温水槽内放置8h后，记录压力为p2；6）按下式计算瓦斯含量系数α。3、根据瓦斯含量系数α推算瓦斯含量四、间接测定方法瓦斯含量系数测定法：式中：α—瓦斯含量系数，m3/（m3•MPa½）p0—大气压力，MPa；V—罐容积，cm3；G—煤样质量，g；γ—煤的密度，g/cm3。3、根据瓦斯含量系数α推算瓦斯含量四、间接测定方法方法要点：1）煤壁暴露30min后，从煤层顶板-底板取小煤样，装入罐内到实验室作残存瓦斯含量；2）当煤壁暴露时间≥30min时，应剥离煤壁表面0.2-0.3m，再取样装罐；3）根据残存含量分级按下式计算：当Wc＜3m3/t时：当Wc≥3m3/t时：4、根据残存瓦斯含量推算瓦斯含量第二章：煤层瓦斯压力测定煤层孔隙中所含的游离瓦斯呈现出来的压力。迄今为止，我国测定最大瓦斯压力：8.25MPa，北票台吉矿-550水平，埋深729m；世界实测最大瓦斯压力：13.6MPa，乌克兰顿巴斯彼得罗夫深矿，1425m。一、方法分类与技术关键方法分类技术要点与技术关键直接测定法简接测定法技术要点：根据瓦斯含量、吸附常数（a,b值）、煤质参数等，按照公式计算煤层瓦斯压力的方法。技术关键：各种基础参数的准确测定。技术要点：采用打钻、封孔、测压的方法实测煤层瓦斯压力的方法。技术关键：封孔技术。二、直接测定方法1、黄泥封孔2、水泥砂浆封孔3、聚氨酯封孔6、胶圈-粘液封孔器7、囊带式封孔器4、机械式胶圈封孔器5、充液式胶圈封孔器充填封孔法封孔器法封孔法方法压力恢复方法主动测压法被动测压法煤层瓦斯压力直接测定法分类二、直接测定方法1、黄泥封孔适用性：可用于任何角度的测压孔优点：不干裂，不收缩，密封性好；缺点：费时费力，封孔质量不好易漏气。二、直接测定方法2、水泥砂浆封孔适用性：只可用于>45°的上向或下向测压孔优点：操作简单缺点：水泥砂浆具有一定收缩性收缩线二、直接测定方法3、聚氨酯封孔适用性：可用于任何角度的测压孔优点：具有发泡膨胀性，充填效果好缺点：造价高，操作难度较大软胶囊聚氨酯式麻布聚氨酯式二、直接测定方法3、聚氨酯封孔不同配比聚氨酯膨胀倍数和膨胀时间不同配比聚氨酯透气性能二、直接测定方法4、机械式胶圈封孔器适用性：可用于任何角度的测压孔优点：采用机械螺旋压紧胶圈的方式，操作方便，设备简单缺点：孔壁不光滑时，胶圈与孔壁接触不严，易漏气二、直接测定方法5、充液式胶圈封孔器适用性：可用于任何角度的测压孔优点：采用液压的方式充涨胶囊，可采用手动加压，操作方便，设备简单。缺点：孔壁不光滑时，胶圈与孔壁接触不严；孔壁变形后封孔器难以取出。二、直接测定方法6、胶圈-粘液封孔适用性：可用于任何角度的测压孔，裂隙发育优点：可有效封堵围岩裂隙，处于承压状态缺点：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气二、直接测定方法7、胶囊-粘液封孔适用性：可用于任何角度的测压孔，裂隙发育优点：可有效封堵围岩裂隙，处于承压状态缺点：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气二、直接测定方法7、囊带式封孔器适用性：可用于任何角度的测压孔优点：囊袋及钻孔内浆液凝固，不用定时补压，有效时间长缺点：造价高，操作难度较大二、直接测定方法8、用工具与材料1）钻孔设备：钻机，Φ50-90mm；2）封孔设备：a）泥浆泵：常用柱塞泥浆泵，流量：20-50L/min，压力：3-4MPa；b）压气注浆泵：以井下压风为动力，一般不大于0.5MPa；c）手动注液泵：补偿胶囊压力，3-8MPa；d）压力补偿装置：高压储气罐。3）封孔材料：a）黄泥：将质地致密可塑性好的黏土制成外部半干内湿软的黄泥；b）水泥：牌号不低于425号；c）粘液：由化学糨糊粉（淀粉+防腐剂）：水=1:16，用于裂隙≯4mm；裂隙较大时应加入填料和骨料。二、直接测定方法8、用工具与材料4）测压材料、议标a）压力表：量程为预计煤层压力的1.5倍，准确度优于1.5级；b）测压管：镀锌管：φ13mm；紫铜管：φ6mm×δ1mm。5）其他工具：管钳、扳手、剪刀、皮尺、水桶、螺丝刀、等三、直接测定法的关键技术1）测定地点应优先选择在石门或岩巷中，选择岩性致密的地点，且无断层、裂隙等地质构造处布置测点，其瓦斯赋存状况要具有代表性；2）测压钻孔应避开含水层、溶洞，并保证测压钻孔与其距离不小于50m；3）对于测定煤层原始瓦斯压力的测压钻孔应避开采动、瓦斯抽采及其他人为卸压影响范围，并保证测压钻孔与其距离不小于50m；4）对于需要测定煤层残存瓦斯压力的测压钻孔则根据测压目的的要求进行测压地点选择；1、测压地点的选择三、直接测定法的关键技术5）选择测压地点应保证测压钻孔有足够的封孔深度(穿层测压钻孔的见煤点或顺层测压钻孔的测压气室应位于巷道的卸压圈之外)，采用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5°；6）同一地点应设置两个测压钻孔，其终孔见煤点或测压气室应在相互影响范之外，其距离应不小于20m（石门测压外除）。石门揭煤瓦斯压力测定钻孔的布置按《防止煤与瓦斯突出规定》的有关规定进行；7）瓦斯压力测定地点应选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方。1、测压地点的选择三、直接测定法的关键技术1）钻孔直径宜为φ65~φ95mm。钴孔长度应保证测压所需的封孔深度;2）钻孔的开孔位置应选在岩石（煤壁）完整的地点；3）钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完整，穿层测压钻孔除特厚煤层外应穿越全厚，对于特厚煤层测压，钻孔应进入煤层1.5m~3.0m;4）钻孔施工好后，应立即用压风或清水清洗钻孔，清除钻屑，保障钻孔畅通；5）在钻孔施工中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开始见煤长度及钻孔在煤层中的长度，钻孔开钻时间、见煤时间及钻毕时间；6）钻孔施工前应制定详细的技术及安全措施（包括测压观测期间所应采取的技术及安全措施）。2、测压钻孔施工三、直接测定法的关键技术1）胶圈粘液封孔，封孔长度不小于10m;2）注浆封孔按下式计算：L——钻孔深度；D——钻孔直径；θ——钻孔倾角；L1——最小封孔深度。3、封孔深度三、直接测定法的关键技术穿层钻孔测压顺层钻孔测压L1>Rx;L1<L2;L1>12m.3、封孔深度L1>Rx;L1<1.5m;L1>12m.三、直接测定法的关键技术1）主动测压法1）测压前，先向钻孔内注入补偿气体（N2orCO2），补偿压力应为估计煤层压力的0.5倍；2）至少每班观测一次压力表；3）P<4MPa时，观测时间一般为5~10d；P>4MPa时，观测时间一般为10~20d；4）观测的P变化较大时，应适当缩短观测间隔时间。PtPt压力恢复曲线压力恢复曲线4、压力测定三、直接测定法的关键技术2）被动测压1）无需压力补偿；2）至少天班观测一次压力表；3）观测时间一般为20~30d；4）观测的P变化较大时，应适当缩短观测间隔时间。Pt压力恢复曲线4、压力测定三、直接测定法的关键技术1）3d内测得的压力变化<0.015MPa时，可认为压力平衡，停止测定；2）绘制压力恢复曲线（t-P）；3）卸表时，先通过泄压阀卸压，以防高压冲击伤人；4）放水。与含水层连通时，废孔，按规定封孔；未与含水层连通时，水平和下向孔不修正，上向孔可用下式修正水的影响：a）V管<V水<V管+V室时：b）V水≥V管+V室时：c）0<V水<V管时：5）煤层绝对瓦斯压力：5、注意事项四、间接测定方法根据煤层瓦斯流动的规律、煤层透气性系数、瓦斯解吸规律、煤层瓦斯含量系数曲线、在测压地点附近测定的煤层瓦斯涌出量或统计采掘中的涌出量等参数，计算推测出需要测定地点的瓦斯压力。适用条件：难以用直接法测定瓦斯压力的地点。四、间接测定方法1.根据原始瓦斯含量推算瓦斯压力X——煤层瓦斯含量，m3/t；a——煤的瓦斯吸附常数，m3/t；b——煤的瓦斯吸附常数，MPa1；p——煤层原始瓦斯压力，MPa；Aad——煤的通风干燥基灰分，%；Mad——煤的通风干燥基水分，%；π——煤的孔隙率，%；γ——煤的容重，t/m3。四、间接测定方法2.根据瓦斯涌出量间接测定瓦斯压力ΣQ——采区总瓦斯涌出量，m3；Q掘——掘进工作面的总瓦斯涌出量，m3；Q回采——回采面的总瓦斯涌出量，m3；；Q采空——采空区的总瓦斯涌出量，m3；Q残——残存在运出采区煤炭中的瓦斯量，m3；X——采区内煤的平均瓦斯含量，m3/m3；——采区内煤的总体积，m3。四、间接测定方法3.根据残存瓦斯含量推算瓦斯压力p——煤层原始瓦斯压力，MPa；Xc——不同压力饱和吸附下，释放时间为t0时的残存瓦斯含量，m3。①井下：打钻、取样、装罐：t0实验室测定罐中瓦斯含量Xc②实验室：煤样罐充瓦斯：Pi释放瓦斯：t0测定Xci四、间接测定方法4.根据地层埋深估算瓦斯压力p——距地表H深度的煤层瓦斯压力，MPa；H——距地表垂深，m；B——系数，由经验数据回归得出。根据已开采深度范围内瓦斯压力与开采深度的关系，估算未开采深度的瓦斯压力值。第三章：煤层透气性系数测定煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志，测定煤层瓦斯透气性系数与测定瓦斯压力、流量一样，都是很重要的。在井下直接测定煤层透气性系数的方法中以中国矿院大学法较为简便。一、概述1、测定方法分类煤层透气性系数测定实验室测定现场测定加围压法不加围压法雅罗伏依法克里切夫斯基流量法和压力法马可尼压力法单向流量法钻孔径向流量法球向流量法实验室测定结果不能反映现场实际情况，与现场差异很大，相差数倍-数百倍。数学推到方法合理，现场应用方便，计算简单。一、概述2、煤层透气性系数的影响因素1）煤的孔隙结构0.1~1μm中孔——瓦斯缓慢渗透区1~100μm大孔——瓦斯快速层流渗透区>1000μm可见孔、裂隙——瓦斯层流、紊流混合渗透区2）煤层裂隙和断裂构成了煤层宏观孔隙，大大增加了煤层的透气性。3）水分煤层注水后，中的孔隙被水分占据，阻碍煤层瓦斯流动，渗透率减小。据现场测定经验，注水后煤层透气性可降低到原来的1/10。一、概述2、煤层透气性系数的影响因素4）地应力煤层地应力越大，渗透性越小；煤层渗透率与承受压力的关系：式中：K—承压煤层的渗透率，cm3；K0—未承压煤层渗透率，cm3；b—经验常数，MPa-1；p—煤层承受的压力，MPa。二、钻孔径向流量法基本假设1）在钻孔瓦斯流动范围内，煤层均质且各向同性；2）钻孔直垂贯穿煤层（偏角≯30°），在瓦斯流场内煤厚不变；3）煤层顶、底板不漏气且不含瓦斯；4）钻孔前煤层瓦斯压力为原始瓦斯压力，钻开后为大气压；5）瓦斯在煤层中流动符合达西定律。三、钻孔径向流量法测定步骤1、打钻、封孔、确定排放初始时间t01）钻孔尽量与煤层垂直；2）孔径：φ65~95mm；3）记录钻孔方位角、倾角及钻孔在煤中的长度；4）记录开钻、见煤、过煤、成孔时间；5）排放瓦斯初始时间计算：三、钻孔径向流量法测定步骤2、上表、测定煤层瓦斯压力1）封孔材料凝固（水泥砂浆初凝24h）后方可上压力表；2）上压力表前先测瓦斯流量，记录时间（年、月、日、时、分）；3）待表压上升到稳定的最高值后，方可进行透气性系数的测定；三、钻孔径向流量法测定步骤3、卸表、测定钻孔瓦斯流量1）为确保卸压力表安全，应使用带有排气孔的压力表接头；2）间隔一定时间测定一次钻孔瓦斯流量，记录号测定时间（年、月、日、时、分）；3）流量测定：根据流量大小可选用煤气表、孔板流量计、浮子流量计、解吸仪等。四、钻孔径向流量法计算步骤1、计算公式 流量准数A 时间准数 系数a 指数b 煤层透气性系数λ 常数A 常数B 10-2～11～1010～102102～103103～105105～107 110.930.5880.5120.344 -0.38-0.28-0.20-0.12-0.10-0.065四、钻孔径向流量法计算步骤2、计算步骤——试算法1）计算q：2）求A、B值：3）求λ：选任意公式计算λ4）校验：F0在所选λ公式对应的F0范围内F0=Bλ根据F0重新选择λ公式计算结果正确YesNoq:钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/m2.d四、钻孔径向流量法计算步骤3、例子[例]某煤层实测瓦斯压力p0=4MPa，瓦斯含量系数α=13.27m3/m3·MPa0.5，煤层厚度（钻孔见煤长度）L=3.5m，钻孔半径r1=0.05m，卸压至测定瓦斯流量的时间t=44d，钻孔瓦斯流量Q=1.77m3/d，卸压后钻孔瓦斯压力p1=0.1MPa，试求煤层透气性系数λ。1）求钻孔煤壁单位面积瓦斯流量q：四、钻孔径向流量法计算步骤3、例子2）求A、B常数：3）试求λ：由于排放时间较长，选用较大的F0对应的公式计算。经验证，λ2计算的F0在其公式对应的范围内，为正确值。第四章：煤的坚固性系数测定落锤法一、落锤法测定原理建立在脆性材料破碎遵循面积力能说的基础上。这个学说是雷延智在1867年提出来的，他认为“破碎所消耗的功(A)与破碎物料所增加的表面积(ΔS)的ｎ次方成正比”即　　以单位重量物料所增加的表面积而论，则表面积与粒子的直径D成反比一、落锤法测定原理设Dq与Dh分别表示物料破碎前后的平均尺寸，则面积就可以用下式表示：式中：K——比例常数，与物料的强度(坚固性)有关。i——破碎比，i＞1。从上式可知，当破碎功A与破碎前的物料平均直径为一定值时，与物料坚固性有关的常数K与破碎比有关，即破碎比i越大，K值越小，反之亦然。一、落锤法测定原理综合上述：与煤破碎程度有关的参数：1）破碎功A2）煤的坚固性，用系数K反映煤破碎程度：用破碎比i描述。对于煤来说，我们将破碎功固定（重锤质量、抬升高度、冲击次数），则破碎比i就反映了煤的坚固性。i可以用破碎后某粒度所占比例描述。二、测定方法和步骤捣碎筒，计量筒，分样筛(孔径20mm、30mm和0.5mm个)，天平(最大称量1000g，感量0.5g)，小锤、漏斗、容器。1、仪器设备及用具二、测定方法和步骤1)沿新暴露的煤层厚度的上、中、下部各采取块度为10cm左右的煤样两块，在地面打钻取样时应沿煤层厚度的上、中、下部各采取块度为10cm的煤芯两块。煤样采出后应及时用纸包上并浸蜡封固(或用塑料袋包严)，以免风化；2)煤样要附有标签，注明采样地点、层位、时间等；3)在煤样携带、运送过程中应注意不得摔碰；4)把煤样用小锤碎制成20～30mm的小块，用孔径为20或30mm的筛子筛选；5)称取制备好的试样50g为一份，每5份为一组，共称为取三组。2、采样与制样二、测定方法和步骤1)将捣碎筒放置在水泥地板或2cm厚的铁板上，放入试样一份，将2.4kg重锤提高到600mm高度，使其自由落下冲击试样，每份冲击3次，把5份捣碎后的试样装在同一容器中：2)把每组(5份)捣碎后的试样一起倒入孔径0.5mm分样筛中筛分，筛至不再漏下煤粉为止；3)把筛下的粉末用漏斗装入计量筒内，轻轻敲打使之密实，然后轻轻插入具有刻度的活塞尺与筒内粉末面接触。在计量筒口相平处读取数l(即粉末在计量筒内实际测量高度，读至毫米)。当l≥30mm时，冲击次数n，即可定为3次，按以上步骤继续进行其他各组的测定。当l＜30mm时，第一组试样作废，每份试样冲击次数n改为5次，按以上步骤进行冲击、筛分和测量，仍以每5份作一组，测定高度l。3、测定步骤二、测定方法和步骤坚固性系数按下式计算f=20n/l式中f——坚固性系数;n——每份试样冲击次数，次;l——每组试样筛下煤粉的计量高度，mm。测定平行样3组(每组5份)，取算数平均值，计算结果取一位小数。4、坚固性系数的计算二、测定方法和步骤如果取得的煤样粒度达不到测定f值所要求粒度(20～30mm)，可采取粒度为1~3mm的煤样按上述要求进行测定，并按下式换算：当f1-3>0.25时，f=1.57f1-3-0.14当f1-3≤0.25时，f=f1-3式中f1-3-粒度为1-3mm时煤样的坚固性系数。5、软煤坚固性系数的确定第五章：煤的瓦斯放散指数测定执行标准：AQ1080-2009煤的瓦斯放散初速度指标（△p）测定方法定义：3.5g规定粒度的煤样在0.1MPa下吸附瓦斯后，向固定真空空间释放时，用△p（mmHg）表示的10s-50s时间内释放的瓦斯量指标。一、仪器设备及用具△p测定仪，真空泵，甲烷瓶(浓度大于95％)，分样筛(孔径0.2、0.25mm各一个)，天平(最大称量250g，感量0.5g)，小锤，漏斗。一、仪器设备及用具变容变压式变容变压式固定空间试样瓶三通阀U型汞柱计压力传感器试样瓶固定空间△p测定仪器原理图二、采样与制样在煤层新暴露面上采取煤样250g，地面打钻取样时取新鲜煤芯250g。煤样要附有标签，注明采样地点、层位、采样时间等。1、采样将所采煤样进行粉碎，筛分出粒度为0.2~0.25mm的煤样。每一煤样取2个试样，每个试样重3.5g。2、制样三、测定步骤1)把2个试样用漏斗分别装入△p测定仪的2个试样瓶中;2)启动真空泵对试样脱气1.5h；3)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；4)关闭试样瓶和甲烷瓶阀门，使试样瓶与甲烷瓶隔离；5)开动真空泵对仪器管道死空间进行脱气，使U型管汞真空计两端汞面相平；6)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，使煤样瓶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差p2(mm)；三、测定步骤四、瓦斯放散初速度指标的计算瓦斯放散初速度指标按下式计算△p=p2-p1 2)同一煤样的两个试样测出△p值之差不应大于1，否则需要重新进行测定。第六章：煤对瓦斯吸附常数测定GB／T19560—2008煤的高压等温吸附试验方法（代替GB／T195602004）a，b值一、煤对瓦斯的等温吸附规律Langumir吸附方程：当1>>bp时，V=abp，线性当1<<bp时，V=a，a=Vmax二、测试原理1、方法要点将一定粒度的煤样样品置于密封容器中，测定其在相同温度、不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附的甲烷等试验气体的体积；然后，根据Langmuir单分子层吸附理论，通过理论计算求出表征煤对甲烷等试验气体吸附特性的吸附常数a（Langmuir体积，VL）、b（Langmuir压力的倒数，1/pL）以及等温吸附曲线。二、测试原理1、方法要点吸附压力Pi吸附量Vi压力表怎么测？吸附态游离态P二、测试原理2、仪器装置二、测试原理3、GB／T19560—2008与GB／T19560—2004区别平衡水煤样煤样处理干燥煤样He死体积测定抽真空、HeLangmuir体积VL吸附常数吸附常数aLangmuir压力PL吸附常数吸附常数bb=1/PL储层温度、原煤基分析基标态、可燃基三、样品制备1、煤样制备及相关测试a）煤矿现场采集煤层全厚煤样，除去矸石杂质，四分法缩分成1kg，按标准要求装袋。b）按照GB／T474制取粒度为0.25mm～0.18mm(60目～80目)的煤样200g。c）按照相关标准测定Mad，Aad，Vdaf，TRD等参数。三、样品制备2、平衡水煤样制备a）称取空气干燥基煤样，样量不少于35g。b）将称量后的煤样置于器皿中，均匀加入适量蒸馏水。c）将装有样品的器皿放人湿度平衡的干燥器中，干燥器底部装有足最的硫酸钾过饱和溶液，每隔24h称量一次，直到相邻两次称量变化不超过试样质量的2％。三、样品制备2、平衡水煤样制备d）平衡水分计算公式：式中：Mc——样品的平衡水分含量，％，G1——平衡前空气干燥基样品质量，单位为克(g)G2——平衡后样品质量，单位为克(g)；Mad——样品的空气干燥基水分含量，％。四、测试前准备工作1、吸附罐、充气罐体积测定2、吸附罐剩余体积（死体积）测定实测法：计算法：打开氦气瓶，向系统充入一定量的氦气，使其压力值达到2MPa～3MPa，平衡后测定实际压力。利用气态方程计算空间体积。五、吸附等温线的测定1、抽真空2、充气罐（定量罐）充瓦斯3、吸附罐充瓦斯（定量）打开阀门，向吸附罐及其管路系统抽真空，真空值到达4Pa时停止。打开调节阀门，向参考缸充人甲烷气体或其他试验用气体，记录每次充气前后的气体压力。打开参考缸阀门，向吸附罐系统充人甲烷气体或其他试验用气体，压力调节到目标压力附近，吸附平衡时间>12h，记录参数。老标准要求7h。六、相关计算1、煤样体积计算式中：Vs——煤样的体积，(cm3)；p1——平衡后压力，(MPa)；p2——参考缸初始压力，(MPa)；p3——样品缸初始压力，(MPa)；n——平衡后温度，(K)；T2——参考缸初始温度，(K)；T3——样品缸初始温度，(K)；V1——系统总体积，(cm3)；V2——参考缸体积，(cm3)；V3——样品缸体积，(cm3)；Zl——平衡条件下气体的压缩因子；Z2——参考缸初始气体压缩因子；Z3——样品缸初始气体的压缩因子。六、相关计算2、自由空间体积计算式中：Vf——自由空间体积，(cm3)；V0——样品缸总体积，(cm3)；Vs——煤样的体积，(cm3)。六、相关计算3、各点吸附量式中：ni——气体的摩尔数，(mol)；nl——平衡前样品缸内气体的摩尔数，(mol)；n2——平衡后样品缸内气体的摩尔数，(mol)；Vi——吸附气体的总体积，(cm3)；Gc——煤样质量，(g)。吸附摩尔数：吸附体积：吸附量：六、相关计算4、吸附常数计算式中：p——气体压力，(MPa)；V——在压力p条件下吸附量，(cm3/g)；VL——最大吸附容量，又称Langmuir体积，(cm3/g)；pL——Langmuir压力，(MPa)。a——吸附常数，表示最大吸附量，(cm3/g)；b——吸附常数，1/PL，(MPa-1)。六、相关计算5、等温吸附性绘制对Langmuir方程的线性化处理：Langmuir方程经典Langmuir方程怎么求得a，b值呢？六、相关计算5、等温吸附性绘制A1B1第七章：煤与瓦斯突出预测指标测定Δh2、K1、q、S一、钻屑瓦斯解吸指标Δh21、钻屑瓦斯解吸指标Δh2Δh2：表示一定质量的钻屑在特定时间内瓦斯解吸量大小的指标。 钻屑瓦斯解吸指标Δh2Pa 钻屑瓦斯解吸指标K1（mL/g•min0.5） 钻屑量S （kg/m） （L/m） 200 0.5 6 5.4一、钻屑瓦斯解吸指标Δh2煤破坏类型越高，Δh2越大2、Δh2与突出危险性的关系一、钻屑瓦斯解吸指标Δh2突出煤的Δh2比非突出煤大2、Δh2与突出危险性的关系一、钻屑瓦斯解吸指标Δh23、测试步骤煤样罐（10g）解吸室水柱计三通阀两通阀仪器准备调平、打开三通打钻、接样Φ42mm，2,4,6,8,10m筛分、装样1~3mm，2min内装样测定3min计时，5min结束二、钻屑瓦斯解吸指标K1Q：解吸量；W：损失量；K1意义：瓦斯解吸曲线的斜率。1、原理初始解吸阶段，总解吸量与时间的1/2次方呈线性关系，遵循下列方程：二、钻屑瓦斯解吸指标K12、仪器与操作步骤仪器准备调平、开机待机打钻、接样Φ42mm，2,4,6,8,10m筛分、装样1~3mm，2min内装样输入T0=1~2min，L0测试、显示测试5min，显示F0二、钻屑瓦斯解吸指标K13、预测、效检指标临界值三、钻孔瓦斯涌出初速度q当打眼结束后2min时，瓦斯涌出流量可达到最大值，即q＝qH。因此，我们测定钻孔瓦斯涌出初速度时，封孔测定工作必须在2min内完成，读数时间在打眼后2min进行较为理想。1、原理钻孔瓦斯涌出初速度变化曲线图三、钻孔瓦斯涌出初速度q①采用φ42mm煤电钻在预测地点打孔，钻孔打到预定深度后，将孔中钻屑排净，立即将钻杆拉出钻孔；②用封孔器的排气管将封孔器送到钻孔预定位置，前方留出1m的测量气室长度（过去q：0.5m，R：1m）。③用打气筒向封孔器充气，使表压力达到0.2Mpa左右。2、操作过程三、钻孔瓦斯涌出初速度q④用WTY突出危险性预报仪与排气管连接。前述四项工作要求在2min内完成。⑤观察流量计读数约3min，待流量计稳定时读取最高流量值；⑥在测定流量之前，要预先估计所测流量的大小，以便选取合适的量程。2、操作过程三、钻孔瓦斯涌出初速度q3、预测、效检指标临界值四、钻屑量指标S打钻过程中，由于应力作用，钻孔收缩，导致钻屑量增大。1、原理2、步骤(1)用φ42mm麻花钻杆打钻，钻进速度要均匀，约1m/min，钻杆不得或高或低；(2)当钻进到取样位置时，在孔口收集每米钻进的全部钻粉量。(3)用弹簧称或量杯称量每米钻孔钻粉量的重量或体积。3、临界值