基于煤体瓦斯含量对测定煤层瓦斯压力准确性分析

刘辉辉,蒋承林,吴爱军,牟俊惠

(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008)

基于煤体瓦斯含量对测定煤层瓦斯压力准确性分析

刘辉辉,蒋承林,吴爱军,牟俊惠

(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008)

基于煤体的瓦斯含量,分析了测压室长度与封孔过程中瓦斯的释放量对测压准确性的影响,并依据理想气体状态方程与煤层瓦斯含量的朗格缪尔方程,推导出原始的煤层瓦斯压力与实际测出的煤层瓦斯压力、测压室长度以及封孔过程中瓦斯释放量的表达式,对实际测得的瓦斯压力进行了修正。经计算发现,测压室长度越长,封孔过程中瓦斯释放量越多,最终测定的瓦斯压力与煤层原始瓦斯压力偏差越大,在封孔过程中应尽量减小测压室的长度,加快封孔的速度。

瓦斯含量;瓦斯压力;钻孔长度;修正

在现有煤矿事故中,以瓦斯事故最为突出,而发生瓦斯事故最主要动力就是瓦斯压力,煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量多少、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数,在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽放、煤与瓦斯突出鉴定、瓦斯治理效果检验问题中,掌握准确可靠的瓦斯压力数据最为重要。

现有的瓦斯压力测定方式主要有主动式和被动式;现有的瓦斯压力测定方法主要有水泥砂浆封孔法、聚氨酯封孔法、M-II型黏液 -胶囊封孔法。

但众多的封孔方法机理均是通过封堵、密封作用,在钻孔最前端形成一个测压室,通过煤层内瓦斯解析,使测压室内的瓦斯压力上升,来最终测定煤层瓦斯压力,主动式测压方法因其工艺简单而被广泛应用,但在封孔过程中测压室的长度不一以及封孔的时间长短,对最后测定的瓦斯压力有很大的误差,针对这一问题,本文基于煤体的瓦斯含量,分析了测压室长度与封孔过程中瓦斯的释放量对测压准确性的影响,根据实际测出的瓦斯压力对原始煤层瓦斯压力进行了修正,对煤矿生产的灾害防治有重要的指导意义。

1 测压室形成模型

在瓦斯压力测定过程中测压室的形成如图 1所示[1],中间黑色体表示煤层,黑色体的上、下部分表示煤层的顶、底板,孔内斜纹表示封孔材料,钻孔前段即为测压室。钻孔半径为 r;测压室长度为 L1;煤层厚度为 h。

图1 封孔测压

2 基于煤体瓦斯含量对原始煤层瓦斯压力修正

在测压室形成初期,测压室内的相对瓦斯压力为零,在煤体与测压钻孔之间就会形成瓦斯压力梯度场,煤体内的瓦斯在瓦斯压力梯度下不断地涌向钻孔内,在煤体内的瓦斯解析过程中,钻孔附近的瓦斯压力下降,继而离钻孔稍远一些的煤体进一步解析,使钻孔内的瓦斯压力不断上升并最终达到平衡。设原始的煤层瓦斯压力为 p1,钻孔内最终的瓦斯压力为 p2,则此时测压室内瓦斯气体转化为1atm,298.15K状况下的体积为：

煤体是一种多孔介质,在煤体内,空隙半径在400nm以下的微孔占空隙总体积的 90%左右,所以煤体内部的表面积是很大的,这样巨大的表面积为煤体吸附瓦斯创造了条件。由于气体分子只有碰撞到尚未吸附气体分子的空白表面上才能够发生吸附作用,因此,煤体空隙表面上的吸附是单分子层的,根据朗格缪尔的单分子层理论可导出实际煤体的瓦斯吸附量计算式：

为了方便计算,假设在钻孔周围的瓦斯卸压带内的煤层瓦斯压力均等且与钻孔内的瓦斯压力一致,且卸压带外煤体内瓦斯压力为原始煤体瓦斯压力,根据式 (2)可得出此时在卸压半径内煤体原始的瓦斯含量W1和卸压后煤体内瓦斯含量为W2：

根据煤体内的瓦斯含量守恒可得：

联立式 (3)、式 (4)、式 (5)可解出原始煤层瓦斯压力 p1考虑到钻孔长度与封孔过程中瓦斯的释放损失为：

从式 (6)原始煤层的瓦斯压力表达式可以看出,最终测定的煤层瓦斯压力受钻孔长度与封孔过程中瓦斯释放量的影响,且钻孔长度越长、封孔过程中释放的瓦斯量越多,最终测定的瓦斯压力值与煤层的原始瓦斯值压力偏差越大。

3 实际应用分析

淮南矿业集团潘一东矿突出区域划分的项目实施过程中,需要在整个矿区进行分区域打孔测定11-2煤层瓦斯压力,在这些钻孔中选择其中的 1个钻孔进行分析,该钻孔的测压地点为潘一东矿西一采区 1号回风上山,其封孔方法为水泥砂浆封孔(因为在淮南矿区瓦斯压力较大,采用胶囊封孔会存在很大安全隐患,而且有可能会导致测压失败),并采用排水法收集了砂浆封孔过程中瓦斯的释放量,其钻孔参数如表 1所示。根据潘一东矿提供的 11-2煤层的资料,其潘一东矿 11-2煤层的特征如表 2所示。对潘一东矿所取得的 11-2煤层的煤样进行了工业组分分析并测定了煤样的 a,b与空隙率的值,其西一采区 1号回风上山 11-2煤样的等温吸附曲线见图 2所示,11-2煤层煤样的测定结果如表 3所示。

表1 测压钻孔参数

图2 1号回风上山 11-2煤样等温吸附曲线

表2 11-2煤层特征

表3 潘一东矿 11-2煤层煤样工业分析组分

把表 1,2,3的数据代入式 (6)可得出煤层的原始瓦斯压力为 2.02MPa,实际测得的瓦斯压力与煤层的原始瓦斯压力差值为 0.102MPa,其误差率为 5.42%,经修正后的瓦斯压力对矿区的突出区域划分以及瓦斯灾害的防治都有着重要的意义。

4 结论

(1)针对测压室长度与封孔过程中瓦斯的释放量对测压准确性的影响,建立了煤层原始瓦斯压力与实际测得的煤层瓦斯压力、测压室长度以及封孔过程中瓦斯的释放量的关系式。

(2)测压室的长度越大所测得的瓦斯压力越偏差于煤层内原始瓦斯压力,在实际瓦斯压力测定过程中,进行封孔时,要尽量减少瓦斯测压室的长度,使测得的瓦斯压力接近于原始煤层瓦斯压力。

[1]齐黎明,赵玉岐,等 .基于封孔前瓦斯损失量的测压结果修正分析 [J].煤炭学报,2007,32(1)：60-63.

[2]蒋承林,俞启香 .煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,1998.

[3]李传统,彭 伟 .热工学 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[4]王宏图,鲜学福,尹光志,等 .煤矿深部开采瓦斯压力计算的解析算法 [J].煤炭学报,1999,24(3)：279-282.

[5]顾新宇,刘建宇,马尚权 .钻孔质量及粘液性质对主动式封孔测压效果的影响 [J].煤炭工程,2010.

[6]潘一东矿项目部 .西一采区 1#回风上山 11-2煤瓦斯含量测定报告 [R].2010.

[责任编辑：王兴库 ]

Accuracy Analysis of Measuring Methane Pressure Based on Methane Content in Coal

LIU Hui-hui,JIANG Cheng-lin,WU Ai-jun,MU Jun-hui
(Safety Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China)

The influence of length of pressure measurement room and methane release amount in sealing hole on measurement accuracy was analyzed on the basis of methane content in coal body.An expression of original methane pressure,measured methane pressure,length of pressure measurement room and methane release amount in sealing hole was deduced based on ideal gas state equation and Langmiur equation.Methane pressure measured was modified.Calculation showed that length of pressure measurement room was longer,release methane amount was larger in sealing hole and the error between measured methane pressure and original methane pressure was larger.So the length of pressure measurement room should be reduced as much as possible to improve hole-sealing rapid.

methane content;methane pressure;borehole length;modification

TD712.5

A

1006-6225(2011)01-0020-02

2010-11-11

国家重点基础研究发展计划项目 (973项目)(2006CB202204-3)

刘辉辉 (1986-),男,江苏徐州人,中国矿业大学安全工程学院在读硕士研究生。