1、1,礦井瓦斯抽采技術(shù),手 機(jī)固 話辦公室：210， 503 E-mail：， ,主講：王兆豐(研究員) 安豐華(博士),2,第五章 瓦斯抽采參數(shù)的測定及計(jì)算,本章要求掌握： 1. 煤層瓦斯壓力主要測定方法 2. 煤層瓦斯含量主要測定方法 3. 瓦斯涌出量預(yù)測方法 4. 煤層透氣性系數(shù)測定步驟 5. 瓦斯流量測定方法,3,內(nèi)容提要,一 、煤層瓦斯壓力測定 二 、煤層瓦斯含量測定 三 、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算 四 、煤層透氣性的測定及計(jì)算 五 、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算 六、瓦斯抽采效率的測定及計(jì)算,4,一 、煤

2、層瓦斯壓力測定,煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙內(nèi)氣體分子自由熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的作用力，由游離瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的壓力。,煤層瓦斯壓力是評(píng)價(jià)煤層突出危險(xiǎn)性與決定煤層瓦斯含量的一個(gè)重要指標(biāo)。,煤層瓦斯壓力是測定方法可分為間接測壓法和直接測壓法。,迄今為止，我國測定最大瓦斯壓力：8.25MPa，北票臺(tái)吉礦-550水平，埋深729m； 世界實(shí)測最大瓦斯壓力：13.6MPa，烏克蘭頓巴斯彼得羅夫深礦，1425m。,5,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.1 間接測壓法,內(nèi)容：五種間接測定煤層瓦斯壓力的方法。,根據(jù)煤層瓦斯涌出量間接推測瓦斯壓力 根據(jù)煤層原始瓦斯含量測定瓦斯壓力 根據(jù)殘余瓦斯含量測定煤層瓦斯壓力

3、用煤樣在實(shí)驗(yàn)室測定瓦斯壓力 按照測壓地點(diǎn)的深度估計(jì)瓦斯壓力,6,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.1 間接測壓法,根據(jù)煤層瓦斯涌出量間接推測瓦斯壓力,適用條件：采區(qū)瓦斯來源系來自開采煤層本身 具體方法：在整個(gè)采掘期間不斷記錄巷道的風(fēng)量和瓦斯?jié)舛?，?jì)算出掘進(jìn)、回采和采空區(qū)涌出瓦斯并累加 推算公式： 優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)通風(fēng)報(bào)表即可得出，不需專門進(jìn)行測壓 缺點(diǎn)：只適用于無鄰近層的單一煤層，極其粗略,7,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.1 間接測壓法,根據(jù)煤層原始瓦斯含量測定瓦斯壓力,具體方法：在煤體預(yù)定測壓地點(diǎn)采取煤樣，然后將煤樣中瓦斯抽出，由單位煤樣中瓦斯量按瓦斯容量曲線或瓦斯含量公式反推。 推算公式：瓦斯含量曲線

4、或計(jì)算公式 優(yōu)點(diǎn)：在含量測定比較準(zhǔn)確時(shí)，所求瓦斯壓力比較準(zhǔn)確 缺點(diǎn)：需要專門工具和熟練技術(shù),8,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.1 間接測壓法,根據(jù)殘余瓦斯含量測定煤層瓦斯壓力,具體方法：1 用普通巖心管取樣，開始取樣時(shí)計(jì)時(shí)，記錄取樣、裝入罐中時(shí)間t0，然后測定剩余瓦斯量； 2 充入一定瓦斯壓力氣體進(jìn)入煤樣罐中，然后放散瓦斯解吸同樣時(shí)間，測定剩余瓦斯量； 3 重復(fù)2步驟幾次，得到瓦斯壓力與剩余瓦斯量之間關(guān)系曲線； 4 由此瓦斯壓力與剩余瓦斯量之間關(guān)系曲線根據(jù)現(xiàn)場所測剩余瓦斯量得到現(xiàn)場瓦斯壓力。 優(yōu)點(diǎn)：井下工作少 缺點(diǎn)：井上工作多， t0時(shí)間準(zhǔn)確性,9,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.1 間接測壓法,用

5、煤樣在實(shí)驗(yàn)室測定瓦斯壓力,具體方法： 1 在需要測壓的地點(diǎn)采集煤樣； 2 將煤樣放入密封鐵罐中，罐中裝滿水； 3 當(dāng)煤中瓦斯解吸出來時(shí)由于水的不可壓縮性，罐中顯現(xiàn)壓力，此 壓力可認(rèn)為是測定地點(diǎn)瓦斯壓力。 優(yōu)點(diǎn)：簡單 缺點(diǎn)：正確程度未完全清楚,10,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.1 間接測壓法,按照測壓地點(diǎn)的深度估計(jì)瓦斯壓力,具體方法：根據(jù)已開采深度范圍內(nèi)瓦斯壓力與開采深度之間關(guān)系，推算未知開采深度壓力值。 推算公式： 優(yōu)點(diǎn)：簡便易行，與我國某些瓦斯礦井情況符合 缺點(diǎn)：瓦斯壓力和地質(zhì)條件密切相關(guān)，受地質(zhì)條件影響,11,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,由巖層或煤層巷道中向預(yù)定測壓地點(diǎn)打一

6、鉆孔，然后從鉆孔中引出一個(gè)測壓管（測壓裝置），再將鉆孔密閉封堵，用壓力表與測壓管（測壓裝置）連接，測出壓力。,關(guān)鍵：鉆孔封孔質(zhì)量,1、黃泥封孔 2、水泥砂漿封孔 3、聚氨酯封孔 6、膠圈-粘液封孔器 7、囊?guī)椒饪灼?4、機(jī)械式膠圈封孔器 5、充液式膠圈封孔器,充填封孔法,封孔器法,封孔法方法,壓力恢復(fù)方法,主動(dòng)測壓法,被動(dòng)測壓法,被動(dòng)式封孔,12,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,被動(dòng)式封孔測壓三步驟,三,鉆孔,鉆孔工具 1.鉆孔直徑小一些較好，一般為45-60mm，不超過75mm 2.打鉆工具要求輕便穩(wěn)定、震動(dòng)小 3.在煤層中打眼嚴(yán)禁壓力水沖洗鉆孔，防止煤壁受到破壞 鉆孔位置 1

7、.測定地點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇在石門或巖巷中，選擇巖性致密的地點(diǎn)，且無斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造處布置測點(diǎn)，其瓦斯賦存狀況要具有代表性。 2.鉆孔位置要考慮鉆機(jī)本身操作要求及鉆桿抽出 鉆孔方法 煤層中鉆孔不宜過快，防止卡鉆事故,封孔,測壓,清理鉆孔 可使用壓縮空氣吹掃或清孔小鏟 送入測壓裝置 測壓管一般為4-8mm紫銅管 鉆孔封孔 多種封孔方式,13,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,被動(dòng)式封孔測壓,三,填料封孔法（黃泥、黏土封孔）,填料法封孔的優(yōu)點(diǎn)：不需要特殊裝置，不干裂，不收縮，密封性好。缺點(diǎn)是：人工封孔長度短，費(fèi)時(shí)費(fèi)力,14,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,被動(dòng)式封孔測壓,三,注漿

8、封孔法,注漿封孔測壓法是目前應(yīng)用最廣泛的一種封孔方法，適應(yīng)于井下各種情況下的封孔。 缺點(diǎn)：水泥砂漿具有一定收縮性。,操作步驟：1 測壓孔穿透煤層并清除巖粉和積水后，將導(dǎo)氣管（一般采用銅管、高壓軟管或無縫鋼管）下至預(yù)定位置（擋盤距煤層約0.5m） 2 打開噴漿罐，將攪拌均勻的水泥砂漿倒入罐內(nèi)，數(shù)量可占其容積的2/3，將罐壓緊，然后把注漿管插入鉆孔中（注漿管前端不能接普通塑料管和鐵管，以免在噴注過程中產(chǎn)生靜電和火花引燃孔中瓦斯）打開壓氣閥門，把砂漿注入孔中，直至注滿為止。,15,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,被動(dòng)式封孔測壓,三,膠圈封孔器,優(yōu)點(diǎn)：簡單易行，封孔器可重復(fù)使用； 缺點(diǎn)是封

9、孔深度小，且要求封孔段巖石必須致密、完整。,16,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,主動(dòng)式封孔測壓,膠圈壓力黏液封孔器,膠囊壓力黏液封孔器,“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔,破裂區(qū),塑性區(qū),彈性區(qū),原始區(qū)域,煤層瓦斯壓力測定過程中常常碰到封孔段圍巖（煤層）破碎的情況，裂隙的發(fā)育容易造成漏氣泄壓，此時(shí)用常壓封孔難以封堵圍巖裂隙，需要采用帶壓封孔技術(shù)來解決。,17,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,主動(dòng)式封孔測壓,三,膠圈壓力黏液封孔器,優(yōu)點(diǎn)：一是增大了封孔段的長度； 二是壓力黏液可滲入封孔段巖（煤）體的裂隙，增大了密封效果。,18,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,主動(dòng)式

10、封孔測壓,三,膠囊壓力黏液封孔器,由于膠囊的彈性大，與孔壁可全面緊密接觸，密封黏液的性能優(yōu)于膠圈，不僅適用于封巖石鉆孔，而且也能封較硬煤層中的煤孔。,19,一 、煤層瓦斯壓力測定,1.2 直接測壓法,主動(dòng)式封孔測壓,三,“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔測壓技術(shù),煤層瓦斯壓力測定過程中常常碰到封孔段圍巖（煤層）破碎的情況，裂隙的發(fā)育容易造成漏氣泄壓，此時(shí)用常壓封孔難以封堵圍巖裂隙，需要采用帶壓封孔技術(shù)來解決。,20,一 、煤層瓦斯壓力測定,21,二 、煤層瓦斯含量測定,煤層瓦斯含量是指單位體積或質(zhì)量的煤體中所含有的瓦斯量。,煤層瓦斯含量是評(píng)價(jià)煤層突出危險(xiǎn)性及瓦斯資源的一個(gè)重要指標(biāo)。,煤層瓦斯含量測定方

11、法可分為間接測定法和直接測定法。,22,二 、煤層瓦斯含量測定,2.1 間接測定法,根據(jù)瓦斯賦存形式，間接法測試的瓦斯含量為游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量之和即：,式中：Xx吸附瓦斯含量，m3/t； Xy游離瓦斯含量，m3/t。,23,二 、煤層瓦斯含量測定,2.1 間接測定法,游離瓦斯量（Xy） 式中： V 單位重量煤的孔隙容積，m3/t； P 瓦斯壓力，MPa ； T0 標(biāo)準(zhǔn)狀況下； t 瓦斯絕對(duì)溫度，K； 瓦斯壓縮系數(shù)； Xy 煤的游離瓦斯含量，m3/t（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）,24,二 、煤層瓦斯含量測定,2.1 間接測定法,煤吸附瓦斯含量（Xx） 式中：a, b 吸附常數(shù)； P 煤層瓦斯壓力，MP

12、a； t0 實(shí)驗(yàn)室測定煤的吸附常數(shù)時(shí)的試驗(yàn)溫度,； t 煤層溫度，； n 相關(guān)系數(shù)； A 煤中灰分，%； W 煤中水分，%； Xx 煤的吸附瓦斯含量，m3/t（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。,水分影響上限,25,二 、煤層瓦斯含量測定,瓦斯含量計(jì)算公式,現(xiàn)場,測定流程,26,二 、煤層瓦斯含量測定,2.1 間接測定法,煤的工業(yè)分析、密度及吸附常數(shù)是間接法測定瓦斯含量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。,瓦斯等溫吸附裝置,5E-MAG6600全自動(dòng)工業(yè)分析儀,27,二 、煤層瓦斯含量測定,2.1 間接測定法,根據(jù)瓦斯含量與瓦斯壓力關(guān)系近似計(jì)算方法 式中： 煤層瓦斯含量系數(shù),28,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,測定流程,2

13、9,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,取樣,1）取芯鉆頭取煤芯,2）普通實(shí)心鉆頭孔口接樣,取樣裝備,30,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,裝樣解吸,31,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,損失瓦斯量的計(jì)算： 法,式中: a、b為待定常數(shù)，當(dāng) 時(shí)， ，a值即為所求的損失瓦斯量。,與 成線性關(guān)系,32,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,損失瓦斯量的計(jì)算：冪函數(shù)法 式中：qt時(shí)間t對(duì)應(yīng)的瓦斯解吸速度，cm3/min； q0初始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瓦斯解吸速度，cm3/min； t 包括取樣時(shí)間t0在內(nèi)的瓦斯解吸時(shí)間，min； n 瓦斯解吸速度衰減系數(shù)，0n1。,33,

14、二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,損失瓦斯量的計(jì)算：冪函數(shù)法 式中：Vs煤樣損失瓦斯量，cm3； t0 煤樣暴露時(shí)間，min。,34,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,損失瓦斯量：取樣時(shí)間盡可能短,t1,t1,V1,V1,35,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,殘存瓦斯量測定,恒溫水浴,U型水銀 真空計(jì),冷卻器,氣體量管,平衡瓶,真空泵,煤樣罐,抽真空管,真空脫氣裝置,36,二 、煤層瓦斯含量測定,步驟1、啟動(dòng)真空泵，將系統(tǒng)抽真空。,真空脫氣法,37,二 、煤層瓦斯含量測定,步驟2、松開螺旋夾，煤樣罐內(nèi)氣體進(jìn)入真空系統(tǒng)。,真空脫氣法,38,二 、煤層瓦斯含量測定,

15、步驟3、調(diào)整量筒液面高度。,真空脫氣法,39,二 、煤層瓦斯含量測定,步驟4、向真空管抽真 空，將負(fù)壓轉(zhuǎn)為正壓，氣體導(dǎo)入量筒。,真空脫氣法,40,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,粉碎前脫氣，分別在常溫和加熱至95-100恒溫進(jìn)行真空脫氣，直至30min內(nèi)瀉出瓦斯量小于10cm3為止；粉碎后脫氣，將煤樣放入球磨罐中密封破碎，之后進(jìn)行真空集氣。,41,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直接測定法,直接法測試瓦斯含量的計(jì)算 含有空氣解吸、損失氣體或脫出氣體的體積,式中：Vtn0 換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積，cm3； CO2 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧的濃度，%。,42,二 、煤層瓦斯含量測定,2.2 直

16、接測定法,直接法測試瓦斯含量的計(jì)算 各階段煤樣瓦斯含量計(jì)算,式中：Xi 各階段煤樣瓦斯含量， cm3/g； m 煤樣質(zhì)量(分為空氣干燥基和干燥無灰基)，g； Vi 各階段某種氣體體積，cm3。,43,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,瓦斯涌出量是在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中從煤與巖石內(nèi)涌出的瓦斯量。它是確定礦井瓦斯等級(jí)、進(jìn)行礦井通風(fēng)計(jì)算等方面的依據(jù)。,絕對(duì)瓦斯涌出量：在單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯量，單位 m3/min或 m3/d； 相對(duì)瓦斯涌出量：平均日產(chǎn)一噸煤同期所涌出的瓦斯量，單位 m3/t。,礦井瓦斯涌出量,一翼瓦斯涌出量,采區(qū)瓦斯涌出量,44,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,內(nèi)容：三類瓦斯涌出量預(yù)測方法,統(tǒng)

17、計(jì)預(yù)測法：數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律 分源預(yù)測法：計(jì)算井下各瓦斯源的涌出量 地質(zhì)量化指數(shù)預(yù)測法：地質(zhì)情況與瓦斯涌出關(guān)系,45,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,簡易統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,礦山統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)煤礦已往生產(chǎn)中獲得的大量的相對(duì)瓦斯涌出量與開采深度的數(shù)據(jù)，按統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)測深部水平瓦斯涌出量的方法。其外推范圍沿垂深不超過200m，沿煤層傾斜方向不超過600m。,線性回歸法,46,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,簡易統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,qc開采深度（H）時(shí)，月平均相對(duì)瓦斯涌出量，m/t; Qi該月內(nèi)測得的回風(fēng)量， m/min； i風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?； n該月內(nèi)測試次數(shù)； A該月的產(chǎn)量，t。,若是

18、該月多水平開采，qc為加權(quán)開采深度（Hw）處的相對(duì)瓦斯涌出量。,月平均相對(duì)瓦斯涌出量,47,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,Hi、Ai第i個(gè)采區(qū)的開采深度和產(chǎn)量； n該月開采的采區(qū)數(shù)。,計(jì)算加權(quán)開采深度Hw,簡易統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,48,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,簡易統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,相對(duì)瓦斯涌出量梯度的確定,q2在H2深度開采時(shí)的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t； q1在H1深度開采時(shí)的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。 H2瓦斯帶內(nèi)2水平的開采深度，m； H1瓦斯帶內(nèi)1水平的開采深度，m； n指數(shù)系數(shù)，垂深在1000m內(nèi)時(shí)取1。,49,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法

19、,簡易統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,q礦井相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t； H開采深度，m； H0瓦斯風(fēng)化帶深度，m； 相對(duì)瓦斯涌出量隨開采深度的變化梯度，(m3/t)/m 。 q0 瓦斯風(fēng)化帶邊緣的瓦斯含量，m3/t。,推算深部開采水平的瓦斯涌出量,為了便于應(yīng)用，可以做瓦斯涌出量等量線圖，把礦井空間位置上的相對(duì)瓦斯涌出量及其變化規(guī)律在礦井開采層面圖上表達(dá)。,50,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,簡易統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,相似性。 已回采2個(gè)以上水平，有一年以上的瓦斯涌出量。 外推深度200m，沿煤層傾斜方向600m。 用來設(shè)計(jì)礦井所需風(fēng)量時(shí)，須考慮瓦斯涌出不均系數(shù)。,使用礦山統(tǒng)計(jì)法應(yīng)注意的問題,51,三、瓦斯

20、涌出量的測定和計(jì)算,3.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)測法,線性回歸法,線性回歸法的步驟和物理模型與簡易統(tǒng)計(jì)法相同，只是確定瓦斯涌出量梯度的方法有所區(qū)別。,瓦斯涌出量與深度關(guān)系為,瓦斯涌出量梯度導(dǎo)數(shù),52,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,分源計(jì)算法是以煤層瓦斯含量為預(yù)測的主要依據(jù)，通過計(jì)算井下各涌出源的瓦斯涌出量，對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。,德國溫特爾法,根據(jù)瓦斯涌出率的不同，預(yù)測方法有近10種,重慶煤科院-陽泉礦務(wù)局科研所法,英國采礦研究所法,蘇聯(lián)科學(xué)院礦業(yè)研究所法(.李金法),誤差最小,礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法 AQ 1018-2006,53,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,回采

21、工作面瓦斯涌出,掘進(jìn)工作面瓦斯涌出,q采=q1+q2,q掘=q3+q4,54,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,回采工作面瓦斯涌出量,（1）薄及中厚煤層不分層開采時(shí),K1圍巖瓦斯涌出系數(shù)，為1.11.3； K2工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)來計(jì)算； K3 采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開采層瓦斯涌出影響系數(shù)； m開采層厚度，m； M工作面采高，m； X0煤層原始瓦斯含量，m3/t； X1煤的殘存瓦斯含量，m3/t。,55,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,采面巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù) K3：,采用長壁后退式回采時(shí),采用長壁前進(jìn)式回采時(shí)，,h掘進(jìn)巷道預(yù)排等值寬度，m。,

22、低變質(zhì)煤,高變質(zhì)煤,56,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,回采工作面瓦斯涌出量,57,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,煤的殘存瓦斯含量X1：,低變質(zhì)煤、高變質(zhì)煤X010m3/t,高變質(zhì)煤X010m3/t,回采工作面瓦斯涌出量,58,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,（2）厚煤層分層開采時(shí),Kf取決于煤層分層數(shù)量和順序的分層瓦斯涌出系數(shù)；,1）開采層瓦斯涌出量,回采工作面瓦斯涌出量,59,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m； 工作面采高，m； 第i個(gè)鄰近層瓦斯涌出率，% ； 當(dāng)鄰近層位于冒落帶中時(shí)， 當(dāng)采高 4.

23、5m時(shí)，,1）鄰近層瓦斯涌出量,回采工作面瓦斯涌出量,第i鄰近層與開采層垂直距離,開采層頂、底板的破壞影響范圍,60,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,回采工作面瓦斯涌出量,61,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量,D巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長度，m； v巷道平均掘進(jìn)速度，m/min； L巷道長度，m； q0煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，m3 /(m2min)， Vz煤中揮發(fā)分含量，%； X0煤層原始瓦斯含量，m3/t 。,1）掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出量,q4,q3,對(duì)于薄及中厚煤層，D=2開采層厚度； 對(duì)于厚煤層，D=2巷道高度+寬度,62,三、瓦斯涌出量的

24、測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,S掘進(jìn)巷道斷面積，m2 ； v巷道平均掘進(jìn)速度，m/min； 煤的密度，t/m3； X0 煤層原始瓦斯含量，m3/t ； X1 煤的殘存瓦斯含量，m3/t 。,2）掘進(jìn)落煤的瓦斯涌出量,q4,q3,掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量,63,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,K生產(chǎn)采區(qū)內(nèi)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，1.251.45； q采i第i個(gè)回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t； Ai第i個(gè)回采工作面的日產(chǎn)量，t； q掘i第i個(gè)掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min； A0生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，t。,采區(qū)瓦斯涌出量,64,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,礦

25、井瓦斯涌出量,K已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，1.151.25； q區(qū)i第i個(gè)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t； A0i第i個(gè)采區(qū)的日產(chǎn)量，t。,65,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù),66,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.2 分源計(jì)算法,瓦斯最大涌出量與平均涌出量的比值稱為瓦斯涌出不均系數(shù)。 礦井瓦斯涌出不均系數(shù),式中kg給定時(shí)間內(nèi)瓦斯涌出不均系數(shù)； Qmax該時(shí)間內(nèi)的最大瓦斯涌出量，m3/min； Qa該時(shí)間內(nèi)的平均瓦斯涌出量，m3/min。,瓦斯涌出不均系數(shù),K區(qū)=1.21.5；K井=1.11.3.,67,三、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算,3.3 地質(zhì)量化指數(shù)預(yù)測法,同

26、一煤體在不同區(qū)域的瓦斯賦存情況和采動(dòng)時(shí)的瓦斯涌出量主要受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況影響。因此，如能找到井田內(nèi)地質(zhì)情況與采掘時(shí)瓦斯涌出量之間的關(guān)系，可根據(jù)已知地質(zhì)情況預(yù)測未開采區(qū)域在采動(dòng)時(shí)瓦斯涌出量。,地質(zhì)指標(biāo)的量化是瓦斯預(yù)測的基礎(chǔ)和前提 也是預(yù)測瓦斯涌出量的瓶頸,指數(shù)預(yù)測法 灰色系統(tǒng)理論等,68,課后思考題,1. 煤層瓦斯壓力主要測定方法，在怎樣改進(jìn)？ 直接法測瓦斯含量的主要問題在哪個(gè)環(huán)節(jié)？ 分源預(yù)測法需要考慮哪些源？ 參考閱讀： 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論 M. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1999 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. AQ1047-2007煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法 國家安全生產(chǎn)監(jiān)

27、督管理總局. AQ10662008煤層瓦斯含量井下直接測定方法 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. AQ 10182006礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法,69,內(nèi)容提要,一 、煤層瓦斯壓力測定 二 、煤層瓦斯含量測定 三 、瓦斯涌出量的測定和計(jì)算 四 、煤層透氣性的測定及計(jì)算 五 、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算 六、瓦斯抽采效率的測定及計(jì)算,70,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,內(nèi)容：兩類透氣性測定方法,實(shí)驗(yàn)室測定及計(jì)算 現(xiàn)場測定方法,煤層透氣系數(shù)是反映煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)難易程度的重要參數(shù)，也是評(píng)判瓦斯抽放的可行性指標(biāo)之一，同時(shí)也是判斷煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)之一。 因此，煤層瓦斯?jié)B透率或煤層透氣系數(shù)的測算方法研究

28、是瓦斯?jié)B流力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，它始終是滲流力學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。,研究,應(yīng)用,物理意義:在1m3煤體的兩側(cè)，當(dāng)瓦斯壓力平方差為1MPa2時(shí)，通過1m2煤層斷面每日流過的瓦斯量,71,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.1 實(shí)驗(yàn)室測定及計(jì)算,不加圍壓時(shí)實(shí)驗(yàn)室測定,從需要測定的煤層中采取煤樣 在實(shí)驗(yàn)室中用砂輪或?qū)ｉT的鉆簡將煤樣制成一定尺寸的圓柱狀(或方柱狀)，兩端磨平，形成長 5080 mm、直徑 3040 mm 的圓 柱(或 30 mm30mm(5080)mm 的方柱)，放入與之直徑相仿的夾具中。 放在特制的儀器中，測定在一定的壓差中通過煤樣的瓦斯流量，根據(jù)煤樣的幾何尺寸、兩端壓差的大小和流量，根據(jù)

29、 達(dá)西定律計(jì)算其透氣性系數(shù)。,加圍壓時(shí)測定方法,為了使煤樣和夾 具壁之間密切接觸不漏氣。一般外加一個(gè)膠皮套或硅橡膠套。,不加圍壓時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置,Q,達(dá)西滲流定律,72,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.1 實(shí)驗(yàn)室測定及計(jì)算,加圍壓時(shí)實(shí)驗(yàn)室測定,加圍壓時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置,加壓系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)煤樣周圍充有一定壓力的黏液(或其他液體),煤樣周圍需套上數(shù)層 防水橡膠套,Q,73,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.1 實(shí)驗(yàn)室測定及計(jì)算,加圍壓時(shí)實(shí)驗(yàn)室測定,取樣的偶然性不能反映煤層的情況。,不足之處,在制作煤樣時(shí)， 煤樣受到機(jī)械作用可能產(chǎn)生新的裂隙或使原有裂隙加大。 而煤層本身 的某些裂隙又因煤樣過小而被排斥掉。此外，取

30、樣暴露面上的煤都是經(jīng)過礦山壓力破壞后的煤體,實(shí)驗(yàn)室無法完全模擬地應(yīng)力。,在實(shí)驗(yàn)室測定中， 固體煤樣與防水橡膠襯套之間往往存在著漏氣現(xiàn)象。,74,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,雅羅伏依法 克里切夫斯基流量和壓力法 馬可尼壓力法 鉆孔流量法（周世寧）,巷道單向流量法 徑向流量法 球向流量法,75,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,雅羅伏依法,石門透煤條件下,測壓鉆孔多 而且要求準(zhǔn)確； 只有在高透氣性煤層才適用，低透氣性短時(shí)間內(nèi)r2內(nèi)仍供氣而長時(shí)間時(shí)無流量,徑向穩(wěn)定流動(dòng),76,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,雅羅伏依法,煤層掘進(jìn)巷道中,單向

31、穩(wěn)定流動(dòng),要求瓦斯來源于L2之外，但是L2實(shí)際也是瓦斯源；煤壁瓦斯涌出量及瓦斯壓力測定難度大。,不穩(wěn)定流動(dòng),77,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,克里切夫斯基流量和壓力法,流量法：石門透煤前,求解誤差大；計(jì)算參數(shù)測定有實(shí)際有誤差引起計(jì)算誤差； 煤層厚度為垂直厚度，傾斜煤層誤差大；計(jì)算繁雜,先測原始瓦斯壓力，打開閥門將瓦斯壓力控制在一定值測流量變化。,78,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,馬可尼壓力法（二次壓力法）,在巖石巷道打一垂直煤層的貫穿鉆孔， 插入測壓管后密封測得 煤層原始瓦斯壓力值； 然后卸下壓力表 使孔內(nèi)壓力降至大氣壓力。 然后，重新擰上壓力表

32、，記下鉆孔中瓦斯壓力與時(shí)間的關(guān)系， 確定出當(dāng)鉆孔內(nèi)瓦斯壓力0.1p0、 0.2p0- 0.9p0時(shí)的對(duì)應(yīng)，最后根據(jù)已知的參數(shù)計(jì)算煤層的透氣性值。,優(yōu)點(diǎn)：工作簡單、時(shí)間短,計(jì)算公式,缺點(diǎn)：認(rèn)為二次升壓過程只有游離瓦斯參與流動(dòng)；認(rèn)為瓦斯流動(dòng)是瓦斯源不斷擴(kuò)大的徑向穩(wěn)定流動(dòng)。,具體做法：,這種方法也稱為二次壓力法,79,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,克里切夫斯壓力法（一次壓力法）,具體做法：在巖石巷道打一垂直煤層的貫穿鉆孔， 插入測壓管后密封測得煤層原始瓦斯壓力值，直接記下鉆孔中瓦斯壓力與時(shí)間的關(guān)系， 確定出當(dāng)鉆孔內(nèi)瓦斯壓力0.1p0、 0.2p0- 0.9p0時(shí)的對(duì)應(yīng)，最后根據(jù)

33、已知的參數(shù)計(jì)算煤層的透氣性值。 這種方法也稱為一次壓力法,是將馬可尼法中微分式簡化為穩(wěn)定流動(dòng)方程；除具有馬可尼法不合理之處，還有化簡誤差,80,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,單向流量法（周世寧）,煤層掘進(jìn)巷道中,單向流量法測定煤層透氣性系數(shù)是以瓦斯在煤層中的單向流動(dòng)理論 為基礎(chǔ)而得出的方法，其基本假設(shè)為： (a)煤層均質(zhì)且各向同性； (b)瓦斯在煤層中的流動(dòng)服從達(dá)西定律； (c)煤層頂?shù)装宀缓咚挂膊粷B透瓦斯； (d)瓦斯在煤層中的 流動(dòng)為等溫過程。,81,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,單向流量法,煤層掘進(jìn)時(shí)記錄多個(gè)點(diǎn)爆破時(shí)間，作為其暴露時(shí)間 用封孔

34、測壓儀打鉆測壓 當(dāng)掘進(jìn)頭距測點(diǎn)一定距離時(shí)在測點(diǎn)斷面上測出風(fēng)量和瓦斯量，求出瓦斯量之差即為兩點(diǎn)間煤壁瓦斯涌出量 將所測量帶入上式,測壓孔,82,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,單向流量法,當(dāng)巷道向前掘進(jìn)時(shí)，會(huì)在 兩幫煤層中形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和常壓帶。由于這三帶的存在，使煤層的透氣性發(fā)生很大變化。 巷道單向流量法的優(yōu)點(diǎn)在于它能使流動(dòng)場擴(kuò)展很大。雖然在推導(dǎo)計(jì)算公式中，均質(zhì)性的假設(shè)與事實(shí)有差別，但是當(dāng)流動(dòng)場擴(kuò)散到足夠大時(shí)，以致擾動(dòng)帶的影響可以忽略不計(jì)，由均質(zhì)性假設(shè)所帶來的誤差就基本上可以忽略不計(jì)。,單向流量法需滿足單向流動(dòng)條件，所測巷道需其掘進(jìn)頭推進(jìn)一定距離后進(jìn)行。,83,四、

35、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,徑向流量法,徑向流量法測定煤層透氣性系數(shù)是以瓦斯在煤層中徑向流動(dòng)理論為基礎(chǔ)而得出的方法。其基本假設(shè)為: (a)在鉆孔瓦斯流動(dòng)范圍內(nèi)，煤層均質(zhì)且各向同性; (b)鉆孔垂直煤層(至少偏斜角不超過30)貫穿煤層，在瓦斯流動(dòng)場內(nèi)煤厚不變; (c)煤層頂?shù)装宀宦馇也缓型咚? (d)打開鉆孔之前，鉆孔內(nèi)瓦斯壓力為原始瓦斯壓力，打開后則始終保持大氣壓力; (e)瓦斯在煤層中的流動(dòng)為等溫過程且溫度等于煤層溫度; (f)瓦斯在煤層中的流動(dòng)服從達(dá)西定律,84,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,徑向流量法,85,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2

36、 現(xiàn)場測定及計(jì)算,徑向流量法,86,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,徑向流量法,87,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,10-21 110 10102 102103 103105 105107,88,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,徑向流量法,1 要注意有無噴孔的現(xiàn)象，以便折合計(jì)算孔徑 ，延長排瓦斯時(shí)間,2 流量測定時(shí)間及鉆孔長度取值,3 瓦斯壓力和流量的測定必須盡量準(zhǔn)確,注意事項(xiàng),4 在測定卸壓煤層時(shí)，流量較大，測壓管細(xì)而有壓力損失，可校正,5 在測定卸壓煤層時(shí)注意避開抽采鉆孔,6在封孔測壓上壓力表之前，測定的瓦斯流量t0、Q0 可用

37、于在測定煤層透氣 系數(shù)之后，反求煤層原始瓦斯壓力 p0。,89,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,球向流量法,球向流量法測定煤層透氣性系數(shù)是以瓦斯在煤層中球向流動(dòng)理論為基礎(chǔ)而得出的方法。 基本假設(shè)為: (a)在鉆孔瓦斯流動(dòng)范圍內(nèi)，煤層均質(zhì)且各向同性; (b)煤層頂?shù)装宀宦馇也缓型咚? (c)打開鉆孔之前，鉆孔內(nèi)瓦斯壓力為原始瓦斯壓力，打開后則始終保持大氣壓力; (d)瓦斯在煤層中的流動(dòng)為等溫過程且溫度等于煤層溫度; (e)瓦斯在煤層中的流動(dòng)服從達(dá)西定律,90,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2 現(xiàn)場測定及計(jì)算,球向流量法,簡化計(jì)算,91,四、煤層透氣性的測定和計(jì)算,4.2

38、 現(xiàn)場測定及計(jì)算,球向流量法,92,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,內(nèi)容：瓦斯流量測定裝置及原理,測定方法分類 節(jié)流裝置測定原理 孔板流量計(jì)測定法 文特利管流量計(jì)測定法 皮托管測定法 風(fēng)速表測定法 熱球式風(fēng)速計(jì)測定法 氣體測定方法,93,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.1 測定方法分類,變壓降法 恒壓降法 皮托管 測定氣體流速 容積式流量計(jì),根據(jù)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生壓降（壓差）原理，通過測定壓差計(jì)算流量?？装濉娮?、文特利管等,一般指轉(zhuǎn)子流量計(jì)，小流量，氣體最小流量一般16L/h。利用流體流經(jīng)椎管壁與浮子間隙時(shí)環(huán)隙節(jié)流壓差與浮子質(zhì)量平衡，測定流量。,利用皮托管測定管道內(nèi)動(dòng)靜壓來確

39、定氣體流速，之后計(jì)算流量。,利用風(fēng)速表或熱球式風(fēng)速儀測定管內(nèi)流速，再計(jì)算流量。,直接測出氣體流量，如煤氣表。,94,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.2 節(jié)流裝置的基本原理和應(yīng)用,基本原理,充滿管道的流體當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮使流速增加，從而使靜壓力降低這樣在節(jié)流裝置前后就形成一個(gè)靜壓力差或稱差壓，流體的流速愈大，則產(chǎn)生的差壓愈大，所以可以通過測量差壓來衡量流體通過節(jié)流裝置時(shí)流量的大小。,95,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.2 節(jié)流裝置的基本原理和應(yīng)用,基本原理,根據(jù)伯努利方程（能量守恒定律）和流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律），流體流動(dòng)時(shí)流量方程

40、式為：,孔板開孔面積,標(biāo)準(zhǔn)孔板瓦斯混合流量公式,96,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.2 節(jié)流裝置的基本原理和應(yīng)用,基本原理,標(biāo)準(zhǔn)孔板瓦斯混合流量公式,97,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.2 節(jié)流裝置的基本原理和應(yīng)用,節(jié)流裝置的選擇原則,節(jié)流裝置的選擇對(duì)準(zhǔn)確測定管道中的流體具有重要作用，一般情況下應(yīng)根據(jù)以下原則選擇：,1 要求節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓力損失小時(shí)，選用噴嘴或文特利管和文特利噴嘴；,2 測量易污染和侵蝕性物質(zhì)時(shí)，采用噴嘴比采用孔板好；,3 測量相同流量和壓差值，噴嘴的截面比比孔板小，測量精度較高，而且需要的直線段長度也較短。,4 孔板加工最為簡單，噴嘴次之，文特利管和文特

41、利噴嘴最復(fù)雜,98,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.2 節(jié)流裝置的基本原理和應(yīng)用,節(jié)流裝置的取壓方法及取壓嘴,根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將取壓方式分為理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓等五種。,1-1 理論取壓 D Smin,2-2 角接取壓,3-3 法蘭取壓 25mm,4-4 徑距取壓 D 0.5D,5-5 損失取壓2.5D 8D,取壓嘴高度：一般20-30mm，不超過50mm；內(nèi)徑一般3-6mm,99,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,孔板流量計(jì)的構(gòu)造,100,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.3 孔板流量計(jì)測定法,孔板流量計(jì)的構(gòu)造,外徑小于或等于法蘭盤兩對(duì)角螺

42、釘眼內(nèi)邊的距離,孔板厚度小于或等于0.05D，最薄不小于2mm,開孔圓筒形部分厚度在0.005-0.02D之間,開孔圓錐部分圓錐角30-45,101,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.3 孔板流量計(jì)測定法,孔板流量計(jì)的構(gòu)造,加工精度：光潔度、粗糙度、無毛刺,加工孔板的要求,符合標(biāo)準(zhǔn)的孔板產(chǎn)生的阻力損失應(yīng)0.1p,孔板材料采用硬質(zhì)耐磨材料，為防止銹蝕可采用不銹鋼或鋼材鍍鉻,102,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.3 孔板流量計(jì)測定法,孔板流量計(jì)的安裝與使用,1 安裝時(shí)孔板孔口須與管道同心，斷面與管道軸線垂直,2 在孔板前后2D的范圍內(nèi)管道不應(yīng)有凹凸不平、焊縫、墊片等,3 流量計(jì)上游

43、端管道直線段長度大于等于20D，下游端10D,4 經(jīng)常清理孔板前后積水、污物，銹蝕要更換,5 抽放量有較大變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)流量大小更換相應(yīng)孔板,103,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.3 孔板流量計(jì)測定法,孔板流量計(jì)的校正,簡易校正法 風(fēng)硐校正法 鐘罩式氣體計(jì)量器校正法,風(fēng)源：局部通風(fēng)機(jī)或其它風(fēng)泵 管道：直徑與實(shí)際抽放管相同 流量：風(fēng)表或皮托管測定 測定流量計(jì)參數(shù)：壓差、管內(nèi)壓力等,風(fēng)源：通風(fēng)機(jī) 管道：風(fēng)硐穩(wěn)流測試段 流量：風(fēng)表管測定 測定流量計(jì)參數(shù)：壓差、管內(nèi)壓力等,風(fēng)源：鐘罩式氣體計(jì)量器 流量：鐘罩式氣體計(jì)量器測定 測定流量計(jì)參數(shù)：壓差、管內(nèi)壓力等,104,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測

44、定及計(jì)算,5.4 文特利管流量計(jì)測定法,文特利管流量計(jì)的構(gòu)造,文特利管具有圓錐形的入口收縮段和喇叭形的出口擴(kuò)散段。壓力損失少，精度高；加工難，成本高，用于低壓損、高精度測量的場合。,在0.2m0.5條件下內(nèi)徑為100-800mm,入口圓錐角735出口圓錐角233,中間喉管直徑偏差0.001d,前后連接管直徑與流量計(jì)直徑相同,入口收縮段,喉管段,出口擴(kuò)散段,105,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.4 文特利管流量計(jì)測定法,文特利管流量計(jì)的測算,測定量：壓差、大氣壓、負(fù)壓、溫度、瓦斯?jié)舛?流量綜合系數(shù),混合瓦斯量,純瓦斯量,106,五、管路及鉆孔瓦斯流量的測定及計(jì)算,5.5 皮托管測定法,測定方法,1 測點(diǎn)前后有5m以上直線段管道,2 管內(nèi)不得有積水,3 皮托管插入管道時(shí)迎著氣流方向，力求