首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 资源科学论文 > 矿产资源论文 > 长距离密闭取芯瓦斯含量测定方法研究

长距离密闭取芯瓦斯含量测定方法研究

2024-08-10 52 上传者：管理员

摘要：为提高煤层瓦斯含量测定准确性及增大测定范围，山西某矿引进了长距离密闭取芯装置，该装置可实现煤样钻取后孔内密闭，取样深度可达到300m以上，但尚未形成相匹配的瓦斯含量测定方法。通过采用理论分析、煤样高压吸附-解吸实验、瓦斯含量测定对比试验等方法，对长距离密闭取芯瓦斯含量测定过程、瓦斯损失量补偿模型等进行了研究，形成了长距离密闭取芯瓦斯含量测定方法。该方法所测煤层瓦斯含量比煤芯管测定结果平均高约5.23%，提高了煤层瓦斯含量测定精度，对促进煤矿瓦斯治理具有重要意义。

关键词：
密闭取芯
煤层气资源
瓦斯含量
瓦斯损失量
补偿模型
加入收藏

煤层瓦斯含量是煤层气资源评价与开发、煤层瓦斯突出危险性预测、煤矿瓦斯防治等最基础的参数之一，准确测定煤层瓦斯含量对煤矿安全生产具有重要意义。

1、取芯工艺

长距离密闭取芯装置取芯工艺为：首先利用定向钻机打钻至预定位置；然后将钻杆、钻头从钻孔退出，换装取芯装置并迅速送至孔底；利用取芯装置钻取煤样，钻取完成后将取芯装置密闭；最后将取芯装置、钻杆从钻孔退出。取芯工艺流程如图1所示。

图1密闭取芯工艺流程图

2、煤样瓦斯含量测定

2.1煤样瓦斯含量（Q）计算

根据长距离密闭取芯装置取芯工艺流程，煤样瓦斯含量可按式（1）进行计算。

式中：Q—所测煤样瓦斯含量，m3/t;V0—煤样瓦斯损失量，m L;V1—煤样密闭状态下瓦斯解吸量，m L;V2—井下常压自然解吸瓦斯量，m L;V3—地面常压自然解吸瓦斯量，m L;V4—地面粉碎自然解吸瓦斯量，m L;M—煤样质量，g;Qa—常压不可解吸瓦斯量，m3/t。

2.2煤样瓦斯损失量（V0）计算

根据长距离密闭取芯装置取芯工艺流程，煤样瓦斯损失量分两部分进行研究，一是钻机打钻至预定位置后，从停钻至取芯装置送至孔底时间段煤样瓦斯损失量（V01），该过程煤样尚未脱离原始煤体，煤样瓦斯经孔底煤壁向钻孔逸散，造成瓦斯损失；二是从开始钻取煤样至取芯装置完全密闭过程煤样瓦斯损失量（V02），该过程煤样逐渐剥离原始煤体，变为破碎状，煤样瓦斯快速向钻孔内逸散，造成瓦斯损失。因两过程煤样粒径不同，采用不同的补偿模型进行计算。

2.3煤样密闭状态下瓦斯解吸量（V1）测定

密闭取芯装置从钻孔退出过程中，煤样处于密闭解吸状态，该过程煤样瓦斯解吸量可通过井下解吸仪直接测得。当密闭取芯装置从钻孔退出后，将取芯内筒卸下并与井下解吸装置相连接，打开取芯内筒解吸阀，煤样密闭状态下瓦斯解吸量会瞬间通过井下解吸仪释放出来，记录该解吸量。

2.4井下常压自然解吸瓦斯量（V2）测定

煤样密闭状态下瓦斯解吸量通过解吸装置释放后，煤样进入常压自然解吸状态。常压解吸过程中，每间隔1min记录量管读数一次，连续观测30min，将观测结果进行记录。

2.5地面常压自然解吸瓦斯量（V3）测定

待取芯内筒送至实验室后，将取芯内筒与地面瓦斯解吸仪相连接，进行地面常压解吸，解吸一段时间后，5min内玻璃管内不再有气泡冒出时解吸完毕，记录该过程煤样瓦斯解吸量。

2.6地面粉碎自然解吸瓦斯量（V4）测定

将取芯内筒煤样置入煤样盆中，去除矸石等非煤物质，然后放置在天平上对煤样总重称量。从煤样盆中取两份相等量的煤样，选择整芯或较大块的煤样，煤样质量一般是100～300g。将称量好的二份煤样分别放入粉碎机内，进行煤样粉碎自然解吸，对解吸量进行记录。

2.7常压不可解吸瓦斯量（Qa）的计算

常压不可解吸瓦斯量采用朗格缪尔公式（2）进行计算。

式中：Qa—常压不可解吸瓦斯量，m3/t;a—煤的瓦斯吸附常数，m3/t;b—煤的瓦斯吸附常数，MPa-1;Mad—煤的水分，%；Aad—煤的灰份，%；F—煤的孔隙率；γ—煤的容重，t/m3。

3、瓦斯损失量补偿模型研究

3.1瓦斯损失量（V01）补偿模型研究

(1)孔底煤壁瓦斯涌出强度。

根据《煤矿瓦斯灾害防治及利用手册（修订版）》可知，孔底煤壁瓦斯涌出强度与暴露时间的函数关系可表示为：

式中：qt—煤壁暴露时间为t时，煤壁上的瓦斯涌出强度，m3/m2·min;t—暴露时间，d;e—自然对数底；a—瓦斯涌出衰减系数；q0—暴露煤壁初始（t=0时）瓦斯涌出强度，m3/m2·min。

(2)孔底煤壁初始瓦斯涌出强度。

根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006），井下暴露煤壁初始瓦斯涌出强度可表示为：

式中：q0—暴露煤壁初始（t=0时）瓦斯涌出强度，m3/m2·min;Vr—煤中挥发分含量；Q—煤层瓦斯含量，m3/t。

(3)瓦斯损失量（V01）补偿模型。

长距离密闭取芯技术从停钻至取芯装置送至孔底过程煤样瓦斯损失量可表示为：

式中：S—孔底煤壁面积，m2。

将式（3）、式（4）代入式（5），整理可得：

将煤层瓦斯含量（Q）分别设置为5m3/t、8m3/t、10m3/t、13m3/t、15m3/t；暴露时间（t）设置为2h、4h、6h、8h、10h。将上述设定值及所测煤层挥发分8.02%、衰减系数0.0079d-1、煤样质量500g等代入式（6），计算结果如表1所示。

表1煤样瓦斯损失量计算结果表

由表1可知，长距离密闭取芯技术从停钻至取芯装置送至孔底过程，在不同瓦斯含量及暴露时间条件下，煤样瓦斯损失量较小，对煤层瓦斯含量测定结果影响较小，可忽略不计。

3.2瓦斯损失量（V02）补偿模型研究

(1)煤样瓦斯解吸规律分析。

在井下采集煤样，基于高压吸附-解吸实验装置，实验室开展不同瓦斯吸附平衡压力（2.12MPa、2.54MPa）条件下解吸实验，解吸时间设定为90min。煤样瓦斯解吸量与解吸时间的平方根拟合结果如图2所示。

由图2可知，在不同瓦斯吸附平衡压力条件下，解吸时间90min内，煤样瓦斯解吸量与解吸时间的平方根呈正比例关系，即

式中：V—煤样瓦斯解吸量；t—解吸时间；k—系数。

(2)煤样瓦斯解吸方程。

由煤样高压吸附-解吸实验可知，长距离密闭取芯煤样瓦斯解吸量可表示为：

式中：V02—从开始钻取煤样至取芯装置完全密闭过程煤样瓦斯损失量，m L;V1—取芯装置退出过程煤样密闭状态下瓦斯解吸量，m L;V2—井下常压自然解吸瓦斯量，m L;k1—系数；t0—从开始钻取煤样至取芯装置完全密闭所需时间，min;t1—煤样密闭状态瓦斯解吸量对应常压状态瓦斯解吸所需时间，min;t2—煤样井下常压状态下解吸时间，解吸时间最长为30min。

从开始钻取煤样至取芯装置完全密闭煤样瓦斯解吸量（V02）可表示为：

密闭取芯装置从钻孔退出过程煤样瓦斯解吸量可表示为：

图2煤样瓦斯解吸量与时间平方根关系

图3试验区取芯钻孔布置示意

表2试验区瓦斯含量测定结果对比表

煤样井下常压状态下瓦斯解吸量可表示为：

(3)煤样密闭状态瓦斯解吸量对应常压状态下解吸所需时间（t1）计算。

取芯装置从开始钻取煤样至完全密闭所需时间t0、煤样密闭状态下瓦斯解吸量V1、煤样井下常压状态下解吸30min时瓦斯解吸量V2(t2=30min）均为可知量，将上述数据代入式（9）～式（11）可得：

推导可得

式（14）中仅t1为未知量，通过解方程可得出t1值。

(4)煤样瓦斯损失量（V02）补偿模型。

由式（11）可知，煤样井下常压状态下瓦斯解吸量为：

推导可得

根据式（16）中各量实测或计算值，以为横坐标，以V1+V2为纵坐标作图，对各数据点进行线性拟合，拟合直线与纵坐标的截距即为V02值，即密闭取芯技术煤样瓦斯损失量。

4、瓦斯含量测定对比试验

4.1试验区取样

在矿井西回风大巷64#钻场施工定向长钻孔，在孔深150m、200m、300m、350m、400m位置采用密闭取芯装置钻取煤样；同时，在西回风大巷距64#钻场水平距离150m、200m、300m、350m、400m位置施工穿层钻孔，采用煤芯管钻取煤样。分别对各煤芯瓦斯含量进行测定，通过对同一位置长距离密闭取芯瓦斯含量测定结果与取芯管煤芯瓦斯含量测定结果对比分析，对长距离密闭取芯装置的可靠性、瓦斯含量测定结果的准确性进行评价。取芯钻孔布置如图3所示。

4.2测定结果对比分析

长距离密闭取芯装置与煤芯管瓦斯含量测定对比结果如表2所示。由表2可知，与常规取芯（煤芯管）瓦斯含量测定方法相比，长距离密闭取芯瓦斯含量测定结果较高，测定结果平均高约5.23%。

5、主要结论

(1)长距离密闭取芯瓦斯损失量可通过以为横坐标，以V(t1)+V(t2）为纵坐标作图，对各数据点进行线性拟合，求解拟合直线与纵坐标的截距得出。(2)与岩芯管取样相比，长距离密闭取芯瓦斯含量测定结果较高，平均高约5.23%，测定结果可靠，测定范围增大至300m以上。

参考文献:

[1]邱阳.解吸法则定煤层瓦斯含量中瓦斯损失量计算方法研究[D].西安:西安科技大学,2017.

[2]冯士安.煤层瓦斯含量测定方法对比研究[D].安徽:安徽理工大学,2013.

[3]颜国强.煤层瓦斯含量直接拟合测定方法研究[D].山东:山东科技大学,2016.

[4]戴扬.不同取样方法瓦斯含量测定对比分析[J].中州煤炭,2012(12):31-32.

[5]孔德磊.保德煤矿8~#煤层瓦斯赋存主要影响因素分析[J].煤炭工程,2017,49(S2):182-184.

[6]景兴鹏.煤层气含量密闭取心测定装置及测试技术[J].西安科技大学学报,2019,39(04):603-609.

[7]程波,乔伟,颜文学,等.煤矿井下煤层瓦斯含量测定方法的研究进展[J].矿业安全与环保,2019,46(04):98-103.