煤层瓦斯压力及含量测定技术.ppt
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1、煤层瓦斯压力及含量煤层瓦斯压力及含量测定技术测定技术测定目的及意义测定目的及意义煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范 1.11.2一、一、一、一、瓦斯压力、含量测定的目的及意义瓦斯压力、含量测定的目的及意义瓦斯压力、含量测定的目的及意义瓦斯压力、含量测定的目的及意义煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是指煤层中瓦是指煤层中瓦斯所具有的气斯所具有的气体压力,由游体压力,由游离瓦斯形成。离瓦斯形成。煤层瓦斯煤层瓦斯含量大小含量大小煤层瓦煤层瓦斯流动斯流动动力源动力源煤与瓦斯煤与瓦斯突出重要突出重要因素因素 评价瓦斯储量、评价瓦斯储量、瓦斯涌出量、瓦斯流瓦斯涌出量、瓦斯流量量的重要依据。的重要依
2、据。瓦斯流动动力瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的现象的潜能大小的基本参数。基本参数。瓦斯抽采与瓦斯突出问题瓦斯抽采与瓦斯突出问题中,掌握准确可靠的瓦斯压力中,掌握准确可靠的瓦斯压力(含量)数据最为重要。(含量)数据最为重要。1.1测定目的及意义1.1测定目的及意义 在煤层突出危险性鉴定、区域突出危险在煤层突出危险性鉴定、区域突出危险性预测、区域防突措施效果检验和突出矿井性预测、区域防突措施效果检验和突出矿井开采的非突出煤层和高瓦斯矿井的开采煤层,开采的非突出煤层和高瓦斯矿井的开采煤层,在延深达到或超过在延深达到或超过50m或开拓新采区时需要或开拓新采区时需要测定煤层
3、瓦斯压力。测定煤层瓦斯压力。1.21.2煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范1、预抽回采区域措施检验点布置、预抽回采区域措施检验点布置 对穿层钻孔或顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措对穿层钻孔或顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验时若回采工作面长度未超过施进行检验时若回采工作面长度未超过120m,则沿回采工作,则沿回采工作面推进方向每间隔面推进方向每间隔3050m至少布置一个检验测试点;若回采至少布置一个检验测试点;若回采工作面长度大于工作面长度大于120m时,则在回采工作面推进方向每间隔时,则在回采工作面推进方向每间隔3050m,至少沿工作面方向布置两个检验测
4、试点,且检验测试,至少沿工作面方向布置两个检验测试点,且检验测试点要在工作面巷道轮廓线外点要在工作面巷道轮廓线外15m(回采区域侧回采区域侧)至工作面中部区至工作面中部区域内均匀布置。域内均匀布置。1.21.2煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范1、预抽回采区域措施检验点布置、预抽回采区域措施检验点布置 1.21.2煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范1、预抽回采区域措施检验点布置、预抽回采区域措施检验点布置1.21.2煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范2、穿层钻孔预抽煤巷条带措施检验点布置、穿层钻孔预抽煤巷条带措施检验点布置 对穿层钻孔预抽煤
5、巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检验对穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检验时,在煤巷条带每间隔时,在煤巷条带每间隔3050m至少布置一个检验测试点,且至少布置一个检验测试点,且检验测试点要在煤巷轮廓线至煤巷轮廓线外检验测试点要在煤巷轮廓线至煤巷轮廓线外15m范围均匀布置;范围均匀布置;1.21.2煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范3、穿层钻孔预抽石门揭煤区域措施检验点布置、穿层钻孔预抽石门揭煤区域措施检验点布置 对穿层钻孔预抽石门(含立、斜井等)揭煤区域煤层瓦斯对穿层钻孔预抽石门(含立、斜井等)揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验时,至少布置区域防突措施进行检验时,
6、至少布置4个检验测试点,分别位个检验测试点,分别位于要求预抽区域内的上部、中部和两侧,并且至少有一个检验于要求预抽区域内的上部、中部和两侧,并且至少有一个检验测试点位于要求预抽区域内距边缘不大于测试点位于要求预抽区域内距边缘不大于2m的范围,至少有的范围,至少有一个检验测试点位于预揭石门巷道轮廓线上。一个检验测试点位于预揭石门巷道轮廓线上。1.21.2煤层瓦斯压力、含量测定规范煤层瓦斯压力、含量测定规范4、沿空掘巷突出危险性效果检验点布置、沿空掘巷突出危险性效果检验点布置 对沿空送巷掘进工作面突出危险性效果检验时,在煤巷条对沿空送巷掘进工作面突出危险性效果检验时,在煤巷条带每间隔带每间隔203
7、0m至少布置一个检验测试点,每个检验区域不至少布置一个检验测试点,每个检验区域不得少于得少于3个点,且检验测试点要在预掘煤巷中心线至煤巷轮廓个点,且检验测试点要在预掘煤巷中心线至煤巷轮廓线外线外15m范围均匀布置。范围均匀布置。二、煤层瓦斯压力二、煤层瓦斯压力测定测定瓦斯在煤层中赋存及流动规律瓦斯在煤层中赋存及流动规律概述概述 2.12.2瓦斯压力测定技术发展概况瓦斯压力测定技术发展概况 瓦斯压力测定国家标准瓦斯压力测定国家标准 新安煤田瓦斯测压难点新安煤田瓦斯测压难点 新安煤田瓦斯压力测定方法新安煤田瓦斯压力测定方法 2.32.42.52.62.1概述概述指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力,是
8、决定瓦斯含量的主要因素,造成突出的重要压力之一。多年来,面对新安煤田煤层透气性低、顶底板破碎等复杂地质条件,经过不断探索,总结了一套测压钻孔施工和封孔方法。煤层瓦斯赋存和流动规律,总结了前人煤层瓦斯压力测定工艺,介绍了瓦斯压力测定的国家标准,详细介绍新安煤田测压工序。2.1概述概述煤层瓦斯煤层瓦斯压力压力新安煤田新安煤田瓦斯压力瓦斯压力测定概况测定概况 本节主要本节主要内容内容2.2 瓦斯在煤层中赋存及流动规律瓦斯在煤层中赋存及流动规律瓦斯的概念及来源;瓦斯的性质;瓦斯的生成。瓦斯在煤层内的存在状态;煤层瓦斯赋存的垂向分带;煤对瓦斯的吸附特性;影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素。瓦斯在煤层中运移
9、的基本规律;煤层中瓦斯流动状态分类。2.2.1 2.2.1 瓦斯的性质瓦斯的性质及生成及生成2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋煤层瓦斯赋存存2.2.3 2.2.3 煤层瓦斯运煤层瓦斯运移的基本规律移的基本规律 2.2.1 2.2.1 瓦斯性质及其生成瓦斯性质及其生成1、瓦斯及性质、瓦斯及性质 广义上讲,矿井瓦斯是井下有害气体的总称。包括:甲广义上讲,矿井瓦斯是井下有害气体的总称。包括:甲烷(烷(CH4)、重烃()、重烃(CnHm)、氢气()、氢气(H2)、二氧化碳()、二氧化碳(CO2)、一氧化碳()、一氧化碳(CO)、二氧化氮()、二氧化氮(NO2)、二氧化硫()、二氧化硫(SO2)、硫化氢
10、()、硫化氢(H2S)、氡()、氡(Rn)等。)等。煤矿大部分瓦斯来自于煤层,而煤层中的瓦斯一般以甲煤矿大部分瓦斯来自于煤层,而煤层中的瓦斯一般以甲烷为主(可达烷为主(可达80%90%),它是威胁矿井安全的主要危险源,),它是威胁矿井安全的主要危险源,所以在煤矿狭义的瓦斯专指甲烷(所以在煤矿狭义的瓦斯专指甲烷(CH4)。)。甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧和爆炸的气体。其爆甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧和爆炸的气体。其爆炸极限为炸极限为5%16%,它对人体的影响同氮相似,可使人窒息。,它对人体的影响同氮相似,可使人窒息。当甲烷浓度为当甲烷浓度为43时,空气中相应的氧浓度即降到时,空气中相应的
11、氧浓度即降到12,人,人感到呼吸非常急促;当甲烷浓度在空气中达感到呼吸非常急促;当甲烷浓度在空气中达57时,相应的时,相应的氧浓度被冲淡到氧浓度被冲淡到9,人即可处于昏迷状态,有死亡危险。,人即可处于昏迷状态,有死亡危险。2.2.1 2.2.1 瓦斯性质及其生成瓦斯性质及其生成2、瓦斯生成、瓦斯生成 在生物化学作用成气时期是从腐植型有机物堆积在沼泽在生物化学作用成气时期是从腐植型有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的,在温度不超过相和三角洲相环境中开始的,在温度不超过65条件下,腐条件下,腐植体经厌氧微生物分解成甲烷和二氧化碳,其模式可用下式植体经厌氧微生物分解成甲烷和二氧化碳,其模式可用下
12、式来概括:来概括:在瓦斯生成的同时,芳香核进一步缩合,碳元素进一步在瓦斯生成的同时,芳香核进一步缩合,碳元素进一步集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深,基本结构单元中集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深,基本结构单元中缩聚芳香核的数目不断增加,到无烟煤时,主要由缩聚芳香缩聚芳香核的数目不断增加,到无烟煤时,主要由缩聚芳香核组成。从褐煤到无烟煤,煤的变质程度越高,生成的瓦斯核组成。从褐煤到无烟煤,煤的变质程度越高,生成的瓦斯量也越多。量也越多。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存1、煤层瓦斯赋存状态、煤层瓦斯赋存状态 游离瓦斯:由于甲烷分子的自由热运动,显示出相应的游离瓦斯:由于甲烷分子的自由热
13、运动,显示出相应的瓦斯压力,这种状态的瓦斯服从气体状态方程;瓦斯压力,这种状态的瓦斯服从气体状态方程;吸附瓦斯:存在在微孔表面上和在煤的粒子内部占据着吸附瓦斯:存在在微孔表面上和在煤的粒子内部占据着煤分子结构的孔穴或煤分子之间的空间。煤分子结构的孔穴或煤分子之间的空间。煤层中瓦斯除吸附和游离煤层中瓦斯除吸附和游离状态以外,还有可能以瓦斯水状态以外,还有可能以瓦斯水化物晶体形式存在,其结构形化物晶体形式存在,其结构形式为式为xMyH2O,其中,其中M代表烃;代表烃;固溶态等。但现有开采水平下,固溶态等。但现有开采水平下,游离瓦斯仅占游离瓦斯仅占512,其余为,其余为吸附瓦斯吸附瓦斯2.2.2 2
14、.2.2 煤层瓦斯赋存2、煤层瓦斯垂向分带、煤层瓦斯垂向分带 煤层瓦斯沿垂向一煤层瓦斯沿垂向一般可分为两个带:瓦斯般可分为两个带:瓦斯风化带与甲烷带。瓦斯风化带与甲烷带。瓦斯风化带是风化带是CO2N2、N2与与N2CH4三个带三个带的统称,各带不仅瓦斯的统称,各带不仅瓦斯组分不同而且瓦斯含量组分不同而且瓦斯含量也不相同。也不相同。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存2、煤层瓦斯垂向分带、煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带的下部边界可按下列条件确定:瓦斯风化带的下部边界可按下列条件确定:甲烷及重烃浓度之和甲烷及重烃浓度之和80(按体积);(按体积);瓦斯压力瓦斯压力P0.10.15MPa;相对瓦斯涌出量
15、相对瓦斯涌出量qCH423m3/t煤;煤;煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量x1.01.5m3/t可燃物(长焰煤)可燃物(长焰煤)x1.52.0m3/t可燃物(气煤)可燃物(气煤)x2.02.5m3/t可燃物(肥、焦煤)可燃物(肥、焦煤)x2.53.0m3/t可燃物(瘦煤)可燃物(瘦煤)x3.04.0m3/t可燃物(贫煤)可燃物(贫煤)x5.07.0m3/t可燃物(无焰煤)可燃物(无焰煤)2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存2、煤层瓦斯垂向分带、煤层瓦斯垂向分带甲烷带:甲烷带:位于瓦斯风化带下边界以下的位于瓦斯风化带下边界以下的属于甲烷带,煤层的瓦斯压力、瓦属于甲烷带,煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度
16、的增加呈有规律斯含量随埋藏深度的增加呈有规律的增长。的增长。增长的梯度,在不同煤质(煤增长的梯度,在不同煤质(煤化程度)、不同地质构造与赋存条化程度)、不同地质构造与赋存条件有所不同。件有所不同。瓦斯压力梯度的变化范围为瓦斯压力梯度的变化范围为0.0070.012MPa/m,近似于静水,近似于静水压力值。压力值。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存3、煤对瓦斯的吸附特性、煤对瓦斯的吸附特性 煤是一种天然的吸附剂,具有良好的吸附性能。煤对瓦煤是一种天然的吸附剂,具有良好的吸附性能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附,即瓦斯分子煤分子之间的作用力是斯的吸附属于物理吸附,即瓦斯分子煤分子之间的作用力是剩余的
17、表面自由力(范德华引力)。在一定条件下,瓦斯还剩余的表面自由力(范德华引力)。在一定条件下,瓦斯还可以从煤中解吸出来,吸附与解吸是可逆的。可以从煤中解吸出来,吸附与解吸是可逆的。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 压力与温度:压力与温度:煤层瓦斯压力越大,其含量越高;温度温度每升高煤层瓦斯压力越大,其含量越高;温度温度每升高1,吸,吸附瓦斯的能力降低约附瓦斯的能力降低约8。水分:水分:2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 煤变质程度的影响煤变质程度的影响:煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组
18、成,一般讲,煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成,一般讲,从挥发分为从挥发分为2026之间的煤到无烟煤,相应的吸附量呈快速之间的煤到无烟煤,相应的吸附量呈快速的增长。的增长。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 煤层和围岩的透气性:煤层和围岩的透气性:一般情况下,煤层及围一般情况下,煤层及围岩透气性越大,瓦斯越易流岩透气性越大,瓦斯越易流失,瓦斯含量越小;反之,失,瓦斯含量越小;反之,瓦斯易于保存,煤层的瓦斯瓦斯易于保存,煤层的瓦斯含量大,比如孔隙与裂隙发含量大,比如孔隙与裂隙发育的砂岩、砾岩和灰岩的透育的砂岩、砾岩和灰岩的透气性非常大,它
19、比致密而裂气性非常大,它比致密而裂隙不发育的岩石的透气系数隙不发育的岩石的透气系数高百万倍,在漫长的地质年高百万倍,在漫长的地质年代中,会排放大量的瓦斯。代中,会排放大量的瓦斯。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 埋深及煤层倾角:埋深及煤层倾角:一般情况下,随着煤层埋深增加,煤层瓦斯含量也与随一般情况下,随着煤层埋深增加,煤层瓦斯含量也与随之增大。在同一埋深下,煤层倾角越小,煤层瓦斯含量越高。之增大。在同一埋深下,煤层倾角越小,煤层瓦斯含量越高。例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡(例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡(4080),相对瓦斯),相对瓦斯涌出量约涌
20、出量约20m3/t,无瓦斯突出现象;而南翼煤层倾角缓(,无瓦斯突出现象;而南翼煤层倾角缓(612)相对瓦斯涌出量达)相对瓦斯涌出量达150m3/t,而且发生了煤与瓦斯突,而且发生了煤与瓦斯突出。出。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 煤层露头:煤层露头:煤层露头是瓦斯向地面排放的出口,露头存在时间越长,煤层露头是瓦斯向地面排放的出口,露头存在时间越长,瓦斯排放越多;反之,地表无露头的煤层,瓦斯含量越高。瓦斯排放越多;反之,地表无露头的煤层,瓦斯含量越高。例如中梁山煤田,煤层无露头,而且为背斜构造,所以例如中梁山煤田,煤层无露头,而且为背斜构造
21、,所以煤层瓦斯含量大。煤层瓦斯含量大。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 地质构造:地质构造:煤系地层为沉积地层,煤系地层为沉积地层,各种岩石的透气性有很大差各种岩石的透气性有很大差别,在地层与地质构造的共别,在地层与地质构造的共同作用下,可能形成封闭型同作用下,可能形成封闭型地质构造或开放型地质构造。地质构造或开放型地质构造。封闭型地质构造有利于瓦斯封闭型地质构造有利于瓦斯储存,开放型地质构造有利储存,开放型地质构造有利于瓦斯排放。于瓦斯排放。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 地质构造(
22、地质构造(褶曲构造):):闭合而完整的背斜或穹窿又覆盖有不透气的地层是良好的储存瓦斯闭合而完整的背斜或穹窿又覆盖有不透气的地层是良好的储存瓦斯构造,其轴部煤层内往往积存高压瓦斯,形成构造,其轴部煤层内往往积存高压瓦斯,形成“气顶气顶”。在倾伏背斜的。在倾伏背斜的轴部,瓦斯浓度通常也高于翼部。但是当背斜轴顶部因张力形成连通地轴部,瓦斯浓度通常也高于翼部。但是当背斜轴顶部因张力形成连通地表的裂隙时,瓦斯易于流失,轴部瓦斯含量反而低于翼部。表的裂隙时,瓦斯易于流失,轴部瓦斯含量反而低于翼部。向斜构造存在两种情况向斜构造存在两种情况:一种情况下,因轴部受到强力挤压,透气性一种情况下,因轴部受到强力挤压
23、,透气性差,使轴部的瓦斯含量高于翼部差,使轴部的瓦斯含量高于翼部:另一种情况下,由于向斜轴部瓦斯补给另一种情况下,由于向斜轴部瓦斯补给区域缩小,当轴部裂隙发育,透气性好时,有利于瓦斯流失,开采至向区域缩小,当轴部裂隙发育,透气性好时,有利于瓦斯流失,开采至向斜轴部时,相对瓦斯涌出量反而减少。斜轴部时,相对瓦斯涌出量反而减少。受构造影响形成局部变厚的大煤包时,也会出现瓦斯含量增高的现受构造影响形成局部变厚的大煤包时,也会出现瓦斯含量增高的现象。这是因为煤包在构造应力作用下,周围煤层被压薄,上下透气性差象。这是因为煤包在构造应力作用下,周围煤层被压薄,上下透气性差的岩层形成对大煤包的封闭条件。的岩
24、层形成对大煤包的封闭条件。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 火成岩的侵入:火成岩的侵入:岩浆侵入含煤岩系、煤层,使煤、岩层产生膨胀及压缩。火成岩浆侵入含煤岩系、煤层,使煤、岩层产生膨胀及压缩。火成岩侵入煤层对瓦斯赋存既有形成、保存瓦斯的作用,也有某些条岩侵入煤层对瓦斯赋存既有形成、保存瓦斯的作用,也有某些条件下使瓦斯逸散的可能。件下使瓦斯逸散的可能。通常情况下,火成岩侵入带与未侵入带的过渡地带瓦斯含量往通常情况下,火成岩侵入带与未侵入带的过渡地带瓦斯含量往往较大,如淮北局的杨柳矿,皖北局的卧龙湖矿。往较大,如淮北局的杨柳矿,皖北局的卧龙湖矿
25、。岩浆岩侵入带易发生煤与瓦斯突出,如北票矿区,岩浆岩侵入岩浆岩侵入带易发生煤与瓦斯突出,如北票矿区,岩浆岩侵入带发生的突出(带发生的突出(265)次占突出总数的)次占突出总数的25%。这是由于尤其是岩浆。这是由于尤其是岩浆岩侵入引起的煤层局部变质带,当煤的变质程度不一而形成混杂岩侵入引起的煤层局部变质带,当煤的变质程度不一而形成混杂状态时,煤的力学性质的变化,以及由此引起的应力不均匀分布状态时,煤的力学性质的变化,以及由此引起的应力不均匀分布更为明显。更为明显。2.2.2 2.2.2 煤层瓦斯赋存4、瓦斯含量的主要影响因素、瓦斯含量的主要影响因素 煤化程度:煤化程度:煤是天然吸附体,煤层的煤化
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