1、.2 煤層瓦斯含量直接測(cè)定方法2.1 國(guó)內(nèi)外概況直接測(cè)定煤層瓦斯含量方法最初是由法國(guó)貝爾塔等人在 1970 年提出，主要用來(lái)估算井下水平鉆孔煤芯的含氣量。 1973 年美國(guó)礦業(yè)局將貝爾塔方法進(jìn)行了改進(jìn)，用于地面垂直鉆井取芯的瓦斯含量測(cè)定，并規(guī)范采樣操作過(guò)程。因此，該方法又稱(chēng)為美國(guó)礦業(yè)局直接法，并得到推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)直接法測(cè)定煤層瓦斯含量技術(shù)方法沿用了美國(guó)礦業(yè)局直接法， 采用了真空殘余脫氣方法（沈陽(yáng)分院） ，但帶來(lái)不可控的漏氣誤差。重慶分院研發(fā)人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了 1000 多組不同粒徑與吸附平衡壓力的煤樣瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)，得到了煤樣破壞類(lèi)型與解吸特征，開(kāi)發(fā)了 DGC 型瓦斯含量直接測(cè)定裝置，見(jiàn)圖

2、1。但對(duì)含水煤樣的瓦斯解吸規(guī)律缺乏深入的實(shí)驗(yàn)研究。圖 1 重慶分院 DGC 型瓦斯含量直接測(cè)定裝置.20102012 年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在做淮南礦區(qū)瓦斯項(xiàng)目時(shí)，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)，得到原始煤層水分條件下的鉆孔煤屑瓦斯解吸2 小時(shí)以?xún)?nèi)的規(guī)律， 創(chuàng)立了全鉆孔全煤芯取樣解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)技術(shù)，用于直接測(cè)定煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，見(jiàn)圖 2。圖 2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)瓦斯含量直接測(cè)定裝置與在線(xiàn)分析氣體成分分析系統(tǒng)2.2 測(cè)定方法煤層瓦斯含量直接測(cè)定法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23250-2009 煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法。直接、準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量，用于礦井采掘部署、開(kāi)拓延伸設(shè)計(jì)、煤層瓦斯賦存規(guī)律、瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、瓦

3、斯抽采效果評(píng)價(jià)、煤層氣資源評(píng)價(jià)、突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)及區(qū)域驗(yàn)證等方面。煤層瓦斯含量直接測(cè)定法中瓦斯含量由5 部分組成：煤樣損失瓦斯量X0、井下解吸瓦斯量 X1 、煤樣粉碎前解吸瓦斯量X2、煤樣粉碎后解吸瓦斯量X3 、大氣壓下不可解吸瓦斯量X4。煤樣損失瓦斯量為煤體暴露至裝入煤樣罐損失的解吸瓦斯量。不可解吸瓦斯量為大氣壓下煤樣粉碎后仍殘存在煤體中的瓦斯量，常壓下不可解，對(duì)突出沒(méi)有貢獻(xiàn)，也無(wú)法抽采利用。.2.2.1 煤樣損失瓦斯量 Q0重慶分院采用測(cè)定煤樣初始解吸速度、損失時(shí)間，采用瓦斯解吸速度模型推算得到。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)根據(jù)原始煤層水分條件下的鉆孔煤屑瓦斯解吸規(guī)律，采用3060 分鐘的解吸量、損失時(shí)

4、間，應(yīng)用瓦斯解吸量模型推算得到，單位煤重的解吸瓦斯量 X0=Q0 /G。有效地消除了速度誤差。解吸時(shí)間2 小時(shí)以?xún)?nèi)的解吸實(shí)驗(yàn)方程為：Qq 0ln(1 t )Q tQQ 0式中： Q t 時(shí)刻的實(shí)際瓦斯解吸量， QQt Q0 ， cm3 ；Qt t 時(shí)刻的井下測(cè)定的瓦斯解吸量，cm3 ；Q0 井下?lián)p失瓦斯量， cm3 ；t 瓦斯解吸時(shí)間， t t1t0 ， min ；t0 損失時(shí)間（煤樣暴露時(shí)間） ， min ；t1 測(cè)定時(shí)間， min ；G解吸煤樣重量， g。瓦斯解吸速度方程為：dQq0qt1 tdtqt t 時(shí)刻的瓦斯解吸速度， cm3/ min ；q0 t 0時(shí)的初始瓦斯解吸速度，cm3

5、/ min ；煤的損失瓦斯量也可以用Excel 表的做圖和數(shù)據(jù)處理程序得到。2.2.2 井下解吸瓦斯量 Q1采用排水集氣法測(cè)定瓦斯量。采取的煤樣裝入煤樣罐后，將煤樣罐與水量筒連接好，每隔每隔 1 分鐘記錄量管重量讀數(shù)及測(cè)定時(shí)間，連續(xù)觀測(cè) 3060min或解吸量小于 1g(cm3/min) ，將觀測(cè)結(jié)果填寫(xiě)到記錄表中，得到井下解吸瓦斯量.Q1 。 單位煤重的解吸瓦斯量X1= Q1 /G。2.2.3 煤樣粉碎前解吸瓦斯量Q2采用排水集氣法測(cè)定瓦斯量。 井下送交地面實(shí)驗(yàn)室的煤樣罐檢查氣密性確認(rèn)不漏氣后，將煤樣罐的出氣口用膠管連接到量筒的進(jìn)氣口， 打開(kāi)煤樣罐閥門(mén)和秒表，每隔 1 分鐘記錄排水的體積 (

6、cm 3) 和時(shí)刻（ min）。連續(xù)觀察記錄 3060min3左右，當(dāng)煤樣罐的出氣量小于2 cm/min 時(shí)，得到煤樣粉碎前解吸瓦斯量Q2 。單位煤重的粉碎前解吸瓦斯量X2=Q2 /G。2.2.4 煤樣粉碎時(shí)的解吸瓦斯量Q3采用排水集氣法測(cè)定瓦斯量。當(dāng)煤樣罐的出氣量小于31 cm/min 時(shí)，快速打開(kāi)煤樣罐蓋，取出煤樣 200g 稱(chēng)重 , 精確到 0.1g ，裝入粉碎機(jī)的容器內(nèi)。將容器放在粉碎機(jī)上，蓋上粉碎機(jī)的蓋子，并擰緊壓蓋。將粉碎機(jī)的出氣膠管與水瓶的進(jìn)氣口連接好。 記錄初始水瓶讀數(shù)。 打開(kāi)粉碎機(jī)的開(kāi)關(guān)和秒表，粉碎 35 分鐘，每隔 5 分鐘讀數(shù)，記錄排水的體積 (cm 3 ) 和時(shí)刻（ m

7、in）。直至解吸停止。得到煤樣粉碎后解吸瓦斯量 Q3 。單位煤重的粉碎后解吸瓦斯量 X3 =Q3 /200 。2.2.5 不可解吸瓦斯量 X 4大氣壓下煤樣不可解吸瓦斯含量，一般采用等溫吸附試驗(yàn)常數(shù)a、 b 值計(jì)算得到：X 40.1ab1100AMK1 0.1b1 0.31M100k式中： X4 煤在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的不可解吸瓦斯量，m3 / t ；a 吸附常數(shù)， m3 / t ；b 吸附常數(shù)， Mpa 1 ；M 煤中水分含量，% ；A 煤中灰分含量， % ；.K 煤的孔隙容積， m3 / m3 ；k 煤的真密度， t / m3 。2.3鉆孔煤樣井下解吸瓦斯量測(cè)定程序2.3.1井下解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)方法

8、參照煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法（GB/T 23250 2009）和地質(zhì)勘探時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法，采用改進(jìn)的鉆孔全煤芯解吸瓦斯量測(cè)定方法，見(jiàn)圖3。井下自然解吸瓦斯量采用解吸稱(chēng)量?jī)x測(cè)定。煤樣罐通過(guò)排氣管與解吸稱(chēng)量?jī)x的水量罐連接后，隨即有從煤樣泄出的瓦斯進(jìn)入水量罐，用排水稱(chēng)重法將瓦斯收集在水量罐內(nèi)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作1）所有用于取樣的煤樣罐在使用前必須進(jìn)行氣密性檢測(cè)；氣密性檢測(cè)可通過(guò)向煤樣罐內(nèi)注空氣至表壓1.0MPa，關(guān)閉后擱置12h，壓力不降方可使用。2）解吸儀在使用之前，將水量罐注滿(mǎn)水，放置在電子稱(chēng)上，電子稱(chēng)讀數(shù)1g 為合格。煤樣采集1）采樣鉆孔布置：同一地點(diǎn)至少應(yīng)布置兩個(gè)取樣鉆孔，間距不小于5

9、m。2）采樣方式：在未經(jīng)過(guò)瓦斯抽采的石門(mén)、巖石巷道或新暴露的采掘工作面向煤層打鉆，定點(diǎn)取樣采集煤芯，采集煤芯時(shí)一次取芯長(zhǎng)度應(yīng)不小于0.4m。3）采樣深度：采樣深度應(yīng)超過(guò)鉆孔施工地點(diǎn)巷道的影響范圍，并滿(mǎn)足以下要求：在采掘工作面取樣時(shí)， 采樣深度應(yīng)根據(jù)采掘工作面的暴露時(shí)間來(lái)確定，但不得小于 12m；在石門(mén)或巖石巷道采樣時(shí)，距煤層的垂直距離應(yīng)視巖性而定，但不得小于 5m。測(cè)定殘余瓦斯含量時(shí) , 取樣不受此限制。4）采樣時(shí)間：采樣時(shí)間是指用于瓦斯含量測(cè)定的煤樣從割芯（或鉆進(jìn)）到被裝入煤樣罐密封所用的實(shí)際時(shí)間。采樣時(shí)間越短越好，一般不超過(guò)10min。5）取出煤樣后，保持自然狀態(tài)裝入密封罐中，不可壓實(shí)，罐

10、口保留約10mm空隙。6）煤樣罐密封前，應(yīng)將所有容器罐的閥門(mén)打開(kāi)，并用軟膠管連接煤樣罐和水量罐，水量罐應(yīng)置于電子稱(chēng)上。用扳手?jǐn)Q緊罐蓋，按下秒表，開(kāi)始測(cè)定瓦斯解.吸量。7）參數(shù)記錄：采樣時(shí)，應(yīng)同時(shí)收集以下有關(guān)參數(shù)記錄在附表中。主要包括：a) 地質(zhì)參數(shù)：取樣地點(diǎn)、煤層名稱(chēng)、埋深（地面標(biāo)高、煤層底板標(biāo)高） 、采樣深度、鉆孔方位、鉆孔傾角；b) 時(shí)間參數(shù)：采樣日期、取芯（屑）開(kāi)始時(shí)間、取芯（屑）結(jié)束時(shí)間、煤樣裝罐結(jié)束時(shí)間、開(kāi)始解吸時(shí)間等；c) 樣品參數(shù)：罐號(hào)、樣品編號(hào)。井下自然解吸瓦斯量測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟1）煤樣罐通過(guò)排氣管5 與解吸稱(chēng)量?jī)x連接后，隨即有從煤樣泄出的瓦斯進(jìn)入量管，用排水稱(chēng)重法將瓦斯收集在水量

11、罐內(nèi)。2） 每間隔一定時(shí)間記錄電子稱(chēng)讀數(shù)t 、g（ 1 g = 1cm 3）及測(cè)定時(shí)間 T ，3為止。開(kāi)始觀測(cè)前 30min 內(nèi)，間連續(xù)觀測(cè) 60120 min 或解吸量小于 2cm/min隔 1 min ，以后每隔 (2 5)min 讀數(shù)一次；同時(shí)記錄氣溫、水溫及大氣壓力。3） 如果水量罐體積不足以容納60 min 內(nèi)從煤樣泄出的全部瓦斯，可交替使用 2 個(gè)水量罐的水重，連續(xù)稱(chēng)重觀測(cè)。4） 如果在解吸稱(chēng)量?jī)x觀測(cè)中沒(méi)有瓦斯泄出，應(yīng)當(dāng)檢查排氣管及煤樣罐是否堵塞。如果沒(méi)有堵塞，則是瓦斯含量過(guò)小所至，此時(shí)，即可終止觀測(cè)，送實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。5） 觀測(cè)結(jié)束后，關(guān)閉煤樣罐的閥門(mén)。將壓緊螺絲稍加擰緊。6） 煤樣

12、罐密封運(yùn)到井上后，要進(jìn)行試漏，將煤樣罐沉入清水中，仔細(xì)觀察5min，檢查有無(wú)氣泡冒出。 如果發(fā)現(xiàn)有氣泡滲出， 則要更換煤樣罐或膠墊重新取樣。如不漏氣，可以送實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定殘存瓦斯含量。.圖 3稱(chēng)重法測(cè)量煤樣解吸瓦斯量原理圖2.3.2順層鉆孔打鉆取樣操作程序（1）準(zhǔn)備好所要用來(lái)采集煤樣的煤樣罐，記錄煤樣罐號(hào)，稱(chēng)量空罐質(zhì)量并記錄。（2）在設(shè)計(jì)鉆孔位置開(kāi)始鉆孔，風(fēng)力排渣，孔深達(dá)到預(yù)計(jì)深度時(shí)停止，并記錄見(jiàn)煤時(shí)間，同時(shí)記錄見(jiàn)煤深度、鉆孔傾角。然后安放好塑料桶準(zhǔn)備取樣。（3）繼續(xù)鉆進(jìn)接取煤樣，記錄取樣開(kāi)始時(shí)間。在設(shè)計(jì)取樣深度內(nèi)接取煤樣后停止鉆進(jìn)，記錄取樣結(jié)束時(shí)間，同時(shí)記錄取樣深度。（4）若要對(duì)煤

13、樣進(jìn)行篩分時(shí)，采樣人員立即用分樣篩把煤樣進(jìn)行篩分，然后分別裝入準(zhǔn)備好的煤樣罐里，記錄裝罐開(kāi)始時(shí)間和各粒徑所對(duì)應(yīng)的煤樣罐編號(hào)；罐口留 1cm的空間，將罐口和墊片擦拭干凈，裝上罐蓋擰好螺絲，記錄裝罐結(jié)束時(shí)間。（5）關(guān)閉煤樣罐閥門(mén)，同時(shí)按下秒表，記錄解吸開(kāi)始時(shí)間。將煤樣罐和秒表交給井下瓦斯含量自然解吸實(shí)驗(yàn)記錄人員。2.3.3穿層鉆孔打鉆取樣操作程序（1）準(zhǔn)備好采集煤樣的煤樣罐，記錄煤樣罐號(hào)，稱(chēng)量空罐重量并記錄。（2）在設(shè)計(jì)鉆孔深度達(dá)到預(yù)計(jì)深度前5m，改為風(fēng)力排渣， 鉆孔見(jiàn)煤時(shí)停止，并記錄見(jiàn)煤時(shí)間，同時(shí)記錄見(jiàn)煤深度、鉆孔傾角。然后安放好塑料桶準(zhǔn)備取樣。.（3）繼續(xù)鉆孔接取煤樣，記錄取樣開(kāi)始時(shí)間。在設(shè)計(jì)

14、取樣深度內(nèi)接取煤樣后停止鉆孔，記錄取樣結(jié)束時(shí)間，同時(shí)記錄取樣深度。（4）若要對(duì)煤樣進(jìn)行篩分時(shí)，采樣人員立即用分樣篩把煤樣進(jìn)行篩分，然后分別裝入準(zhǔn)備好的煤樣罐里，記錄裝罐開(kāi)始時(shí)間和各粒徑所對(duì)應(yīng)的煤樣罐編號(hào)；罐口留 1cm的空間，將罐口和墊片擦拭干凈，裝上罐蓋擰好螺絲，記錄裝罐結(jié)束時(shí)間。（5）關(guān)閉煤樣罐閥門(mén)，同時(shí)按下秒表，記錄解吸開(kāi)始時(shí)間。將煤樣罐和秒表交給井下瓦斯含量自然解吸實(shí)驗(yàn)記錄人員。2.3.4井下煤樣解吸瓦斯測(cè)試記錄程序（1）記錄人員應(yīng)事先將水罐充滿(mǎn)清水，準(zhǔn)備好記錄表格和筆。（2）當(dāng)接到煤樣罐和秒表后，將煤樣罐的出氣口用膠管連接到水罐的出氣口，開(kāi)始記錄初始水罐重量讀數(shù)。（3）打開(kāi)煤樣罐閥門(mén)

15、， 然后按秒表指示的分鐘整數(shù)時(shí)刻，每隔 1 分鐘讀數(shù)，記錄排水的重量 (g) 和時(shí)刻（ min）。（4）連續(xù)觀察記錄 60 分鐘后，關(guān)閉煤樣罐閥門(mén)。（5）將煤樣罐安全送到地面實(shí)驗(yàn)室。2.4地面解吸瓦斯操作程序（1）地面實(shí)驗(yàn)人員收到煤樣罐后，應(yīng)先測(cè)定煤樣罐的解析瓦斯壓力，檢查煤樣罐的氣密性， 確認(rèn)不漏氣后， 方可進(jìn)行地面解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)。并事先將解吸儀的水瓶充滿(mǎn)清水，準(zhǔn)備好記錄表格和筆。（2）將煤樣罐的出氣口用膠管連接到水瓶的出氣口，記錄初始水瓶讀數(shù)。（3）打開(kāi)煤樣罐閥門(mén)和秒表，然后按秒表指示的分鐘整數(shù)時(shí)刻，每隔1 分鐘讀數(shù)，記錄排水的體積(cm 3) 和時(shí)刻（ min）。（4）連續(xù)觀察記錄60120 分鐘，當(dāng)煤樣罐的出氣量小