专利名称：一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法
技术领域：
本发明涉及测定煤层瓦斯含量方法，尤其是一种适用于煤层瓦斯含量的井下直接 快速测定方法。
背景技术：
《防治煤与瓦斯突出规定》中指出我国采用瓦斯含量 IT、瓦斯压力P作为突出煤层突出危险性区域预测和区域效果检验工作的主要预测指标。 井下直接测定煤层瓦斯压力除需施工测压钻孔外，往往还需特殊的封孔装备及材料等，工 程量较大，成本较高，测定周期较长(一般为15天以上)，且受地质条件和封孔工艺等因素的 影响，有时很难测准或测出煤层的实际瓦斯压力，特别是对于大面积预抽的工作面，测压条 件难掌握，即使测出了压力值，可靠性也很差。因此，瓦斯含量在今后突出煤层的区域预测、 区域效果检验和瓦斯抽采效果考察中将作为最重要的指标。煤层瓦斯含量测定方法主要有 直接法和间接法两类。间接法需要在井下实测煤层真实瓦斯压力，在实验室测定吸附常数 (a、b值)、孔隙率、灰份、水份等数据，通过计算确定煤层瓦斯含量，至少需要20天以上。现 有井下煤层瓦斯直接测定方法，除需要进行井下煤层瓦斯含量的现场解吸外，还要对现场 解吸后的煤样进行实验室残存量测定，最终确定每个取样点煤样的解吸量和残存量，这种 方法需要多次反复的进行实验室的煤层瓦斯残存量测定，无法在井下直接快速的测定出煤 层瓦斯含量，对于煤矿井下需要大量实测煤层瓦斯含量的现状显得工作量较大，周期较长。
发明内容
技术问题本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种方法简单、可 靠性强、快速准确、减轻测量工作量的煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法。技术方案本发明煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法包括以下步骤 步骤1.实验室数学模型建立
a.采集现场煤层的煤样，在实验室测定4 6个不同瓦斯压力沪下煤样在约120min 内瓦斯解吸曲线；
b.根据不同的煤种的瓦斯解吸曲线趋势，确定不同瓦斯压力下的拟合关系 PS=^wrct),式中巧指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出
的瓦斯量，j值为拟合系数，W为煤层瓦斯含量，包括损失瓦斯量βτ和现场解吸瓦斯
量& ；同时，确定瓦斯压力！》与拟合系数对应拟合关系P = ·；
c.各煤样在解吸120min后，测定残存瓦斯量ITe，拟合残存瓦斯量Src与瓦斯压力ρ
，确定残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系式，》rC =Ifr(P) ；IFt是指在一个大气压力下，单
位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量； 步骤2.现场测定钻取瓦斯含量测定地点的煤样，在钻孔钻至煤层时开始计时，将采集到的新鲜煤样装 入煤样罐中密封，煤样装罐时间^0控制在30min内，测定并记录煤样在计时后120min内的
瓦斯解吸曲线及解吸量然后通过拟合公式》S对井下测定数据处理，得到现
场解吸拟合系数2，计算出损失瓦斯量；
步骤3.将步骤2中得到的现场拟合系数J代入拟合公式P = M ,得到煤层的瓦斯
压力舄
步骤4.将得到的煤层瓦斯压力郅通过公式Wrc=IT(乃，得到煤层残存瓦斯量IFc ； 步骤5.确定煤层原始瓦斯含量IT
将步骤2中所得损失瓦斯量&和现场解吸瓦斯量込与步骤四中所得残存瓦斯量％ 代入公式,= fiL + ,得到煤层原始瓦斯含量JT。有益效果本发明依据矿井同一煤层的吸附解吸性能，建立该煤层合理的损失量 和残存量计算模型，通过井下直接快速测定便能获得煤层瓦斯含量，根据拟和出的煤层压 力-瓦斯解吸量经验公式，结合井下解吸瓦斯含量可准确推算出测定地点的煤层瓦斯压 力。在井下120min内准确快速的测定煤层的瓦斯含量，工作量小，所需时间短，尤其适用于 同一煤层井下多点快速测量。采用间接法推算瓦斯含量时，考虑到实测煤层瓦斯压力结果 影响因素较多，压力测定结果只能无限接近真实值，因此，从现场工程运用角度来看，本发 明方法不仅能够快速测定煤层瓦斯含量，并且能够真实的反映煤层瓦斯含量和瓦斯压力， 可靠性与安全性更高，能满足了井下大面积多点测定煤层瓦斯含量的要求，对我国煤矿煤 与瓦斯突出区域性预测和区域性效果检验技术的发展具有重要的意义。
图1是本发明的测定原理流程示意图。图2 图5是本发明的测定流程原理示意图。其中
图2为不同瓦斯压力下的实验室解吸曲线(120min)示意图； 图3为瓦斯压力P与拟合系数A的拟合关系曲线示意图； 图4为残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系曲线示意图； 图5为现场解吸瓦斯量拟合曲线示意图。图6 图9是祁南矿7煤层瓦斯含量测定流程原理示意图。其中 图6为祁南矿7煤不同瓦斯压力下的解吸曲线图7为祁南矿7煤瓦斯压力P与拟合系数A对照图； 图8为祁南矿7煤瓦斯残存量与瓦斯压力关系图； 图9为祁南矿7煤现场所测解吸结果拟合曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述
本发明将煤层瓦斯含量IT分为解吸瓦斯量》S和残存瓦斯量》；两部分指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出的瓦斯量；》；是指在一个大气压
力下，单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量)，其中
解吸瓦斯量》S包括损失瓦斯量fis和现场解吸瓦斯量&。依据同一煤层的吸附解吸性能，
建立该煤层合理的损失量和残存量计算模型，确定井下直接快速测定煤层瓦斯含量的测定 方法。具体步骤如下
步骤1.实验室数学模型建立
a.采集现场煤层的煤样，在实验室测定5组不同瓦斯压力沪下煤样在120min内瓦斯解 吸曲线(^5>/ 4>巧>灼>乃)，如图2所示；
b.根据不同的煤种的瓦斯解吸曲线趋势，确定不同瓦斯压力下的拟合关系 Jrj = ^rco ,式中指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出
的瓦斯量，i值为拟合系数，JF为煤层瓦斯含量，Wf包括损失瓦斯量fir和现场解吸瓦斯量
Qj ；同时，确定瓦斯压力沪与拟合系数j的对应拟合关系？ = ·，如图3所示；
c.各煤样在解吸120min后，测定残存瓦斯量ITc,拟合残存瓦斯量ITc与瓦斯压力j ，
如图4所示，确定残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系式，Ifre =JT(P),式中的巧是指在一
个大气压力下单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯 量；
步骤2.现场测定
利用钻孔钻取所测煤层煤样，现场测定时先用压水钻进，在距煤层约Im位置改用 压风，在吹干钻孔后继续钻进钻入煤层时开始计时，随后接下压风排下的煤屑，筛选粒径 广3mm的煤样，煤样装至离罐口约IOmm位置为佳；然后将解吸量筒与煤样罐连接，将采集到 的新鲜煤样装入煤样罐中密封，记下此时的开始解吸时间，要求煤样自钻孔暴露时间到装 罐解吸控制时间4应根据不同煤种选择不同的控制时间，变质程度高的煤的装罐时间I0要 短，并控制在30min以内；随后记录量筒中解吸的瓦斯量与时间的变化关系，测定并记录煤 样在计时后120min内的瓦斯解吸曲线及解吸量然后通过拟合公式》S = 2,(*)对井下
测定数据处理，得到现场解吸拟合系数j ,计算损失瓦斯量& ,如图5所示；
步骤3.将步骤2中得到的现场拟合系数J代入拟合公式Ρ = —,得到煤层的瓦斯 压力巧
步骤4.将得到的煤层瓦斯压力邳通过公式(乃，得到煤层残存瓦斯量ITc ； 步骤5.将步骤2中所得损失瓦斯量Os和现场解吸瓦斯量込与步骤四中所得残存瓦
斯量代入公式:T = +Jgf ,得到煤层原始瓦斯含量:r。 附图6 9所示为祁南矿7煤层的实施例，具体步骤如下 步骤1、实验室数学模型建立
a、采集祁南矿7煤层的煤样，在实验室测定5组不同瓦斯压力下煤样在120min内瓦斯解吸曲线，如图6所示；
b、利用Excel拟合瓦斯解吸曲线，该解吸曲线符合对数函数关系，利用巧=1(0 + 5 拟合解吸曲线，拟合各组压力下的J和5值，得到瓦斯压力i*与J值的对应关系式 P =,如图 7 所示。C、测定各组煤样在解吸120min后的残存瓦斯量，如图8所示，确立残存瓦斯量与 瓦斯压力的对应关系为％ = 4 44I5F°I7e5。步骤2、现场测定
测定时先用压水钻进，在距煤层约Im位置改用压风，在吹干钻孔后继续钻进钻入煤层 时开始计时；随后接下压风排下的煤屑，筛选粒径广3mm的煤样，煤样装至离罐口约IOmm位
置，然后将解吸量筒与煤样罐连接，记下此时的开始解吸时间为5min。随后记录量筒中解
吸的瓦斯量与时间的变化关系，记录时间至计时120min，得到煤样解吸瓦斯量仏=1. 466m3/
t，利用对数公式+ #对井下测定数据进行拟合，如图9所示，得到J=O. 5102，
B=-O. 9582，计算损失量込=1. 312m3/t。步骤3、确定煤层瓦斯压力荇
将步骤2中得到的现场拟合系数J=O. 5102带入公式Ρ =,得到煤层瓦斯
压力 ij =1. 42MPa ；
步骤4、确定煤层残存瓦斯量JTc
将步骤3确定的煤层瓦斯压力i| =1.42MI^代入公式1^ = 4-4415/^"^5 ,计算煤层残 存瓦斯量725m3/t ；
步骤5、确定煤层瓦斯含量IT
将步骤2中所得损失瓦斯量fe和现场解吸瓦斯量込与步骤4中所得残存瓦斯量ITc
代入公式『=^ +Qj + ^c，得到煤层原始瓦斯含量503m3/t。现场与间接法测定结果比对
在取样地点附近实测7煤层绝对瓦斯压力为1. 3MPa (标高-521m)，并取样测定了煤层 的吸附常数(a、b值)、孔隙率、水份、灰份等参数，其结果如表1所示。
权利要求
1. 一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量方法，其特征在于 步骤1.实验室数学模型建立a.采集现场煤层的煤样，在实验室测定4 6组不同瓦斯压力 1 下，煤样在约120min内瓦斯解吸曲线；b.根据不同的煤种的瓦斯解吸曲线趋势，确定不同瓦斯压力下的拟合关系 PS=^rco,式中巧指单位质量的煤样从原始位置开始脱离煤体后2小时内所解吸出的瓦斯量，A值为拟合系数，JT为煤层瓦斯含量，Wr包括损失瓦斯量&和现场解吸瓦斯量Qj ；同时，确定瓦斯压力尸与拟合系数瀘的对应拟合关系户=·；c.各煤样在解吸120min后，测定残存瓦斯量,拟合残存瓦斯量ITc与瓦斯压力J ，确定残存瓦斯量与瓦斯压力的拟合关系式，》^ = Γ(Ρ) ； JTt是指在一个大气压力下单位质量的煤样在井下解吸2小时后和粉碎后一段时间内所解吸出的瓦斯量； 步骤2.现场测定钻取瓦斯含量测定地点的煤样，在钻孔钻至煤层时开始计时，将采集到的新鲜煤样装 入煤样罐中密封，煤样装罐时间4控制在30min内，测定并记录煤样在计时后120min内的瓦斯解吸曲线及解吸量Oi,然后通过拟合公式》s=^wm对井下测定数据处理，得到现场解吸拟合系数^4，计算出损失瓦斯量6^ ；步骤3.将步骤2中得到的现场解吸拟合系数J通过拟合公式P=巧，得到煤层的瓦斯压力巧；步骤4.将得到的煤层瓦斯压力乓通过公式》^ =ITCP),得到煤层残存瓦斯量IPc ； 步骤5.将步骤2中所得损失瓦斯量fe和现场解吸瓦斯量fi/与步骤4中所得残存瓦 斯量Ire通过公式:r = ^+01 + ,得到煤层原始瓦斯含量IT。
全文摘要
一种煤矿井下直接快速测定煤层瓦斯含量的方法，将煤层瓦斯含量分为解吸瓦斯量和残存瓦斯量两部分，其中解吸瓦斯量包含损失瓦斯量和现场解吸瓦斯量，通过建立实验室数学模型测定不同瓦斯压力下解吸曲线组及残存量，得到解吸量的拟合关系式，瓦斯压力与拟合系数A的关系式,及瓦斯压力与残存量的拟合关系式；然后在现场钻取煤样测定其解吸曲线和解吸量，利用计算损失瓦斯量，并根据现场解吸结果拟合系数A计算出煤层瓦斯压力；最后利用式计算获得煤样残存瓦斯量。该方法在实验室数学模型建立后，可通过井下现场120min的解吸测定，能够快速准确的测定采样地点的煤层瓦斯含量。
文档编号G01N7/14GK102128765SQ201010580089
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者吴冬梅, 姜海纳, 安丰华, 王亮, 程远平 申请人:中国矿业大学