劉輝輝,蔣承林,吳愛軍,牟俊惠

(中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

基于煤體瓦斯含量對測定煤層瓦斯壓力準(zhǔn)確性分析

劉輝輝,蔣承林,吳愛軍,牟俊惠

(中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

基于煤體的瓦斯含量,分析了測壓室長度與封孔過程中瓦斯的釋放量對測壓準(zhǔn)確性的影響,并依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程與煤層瓦斯含量的朗格繆爾方程,推導(dǎo)出原始的煤層瓦斯壓力與實際測出的煤層瓦斯壓力、測壓室長度以及封孔過程中瓦斯釋放量的表達(dá)式,對實際測得的瓦斯壓力進(jìn)行了修正。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),測壓室長度越長,封孔過程中瓦斯釋放量越多,最終測定的瓦斯壓力與煤層原始瓦斯壓力偏差越大,在封孔過程中應(yīng)盡量減小測壓室的長度,加快封孔的速度。

瓦斯含量;瓦斯壓力;鉆孔長度;修正

在現(xiàn)有煤礦事故中,以瓦斯事故最為突出,而發(fā)生瓦斯事故最主要動力就是瓦斯壓力,煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量多少、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的潛能大小的基本參數(shù),在研究與評價瓦斯儲量、瓦斯涌出、瓦斯流動、瓦斯抽放、煤與瓦斯突出鑒定、瓦斯治理效果檢驗問題中,掌握準(zhǔn)確可靠的瓦斯壓力數(shù)據(jù)最為重要。

現(xiàn)有的瓦斯壓力測定方式主要有主動式和被動式;現(xiàn)有的瓦斯壓力測定方法主要有水泥砂漿封孔法、聚氨酯封孔法、M-II型黏液 -膠囊封孔法。

但眾多的封孔方法機(jī)理均是通過封堵、密封作用,在鉆孔最前端形成一個測壓室,通過煤層內(nèi)瓦斯解析,使測壓室內(nèi)的瓦斯壓力上升,來最終測定煤層瓦斯壓力,主動式測壓方法因其工藝簡單而被廣泛應(yīng)用,但在封孔過程中測壓室的長度不一以及封孔的時間長短,對最后測定的瓦斯壓力有很大的誤差,針對這一問題,本文基于煤體的瓦斯含量,分析了測壓室長度與封孔過程中瓦斯的釋放量對測壓準(zhǔn)確性的影響,根據(jù)實際測出的瓦斯壓力對原始煤層瓦斯壓力進(jìn)行了修正,對煤礦生產(chǎn)的災(zāi)害防治有重要的指導(dǎo)意義。

1 測壓室形成模型

在瓦斯壓力測定過程中測壓室的形成如圖 1所示[1],中間黑色體表示煤層,黑色體的上、下部分表示煤層的頂、底板,孔內(nèi)斜紋表示封孔材料,鉆孔前段即為測壓室。鉆孔半徑為 r;測壓室長度為 L1;煤層厚度為 h。

圖1 封孔測壓

2 基于煤體瓦斯含量對原始煤層瓦斯壓力修正

在測壓室形成初期,測壓室內(nèi)的相對瓦斯壓力為零,在煤體與測壓鉆孔之間就會形成瓦斯壓力梯度場,煤體內(nèi)的瓦斯在瓦斯壓力梯度下不斷地涌向鉆孔內(nèi),在煤體內(nèi)的瓦斯解析過程中,鉆孔附近的瓦斯壓力下降,繼而離鉆孔稍遠(yuǎn)一些的煤體進(jìn)一步解析,使鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力不斷上升并最終達(dá)到平衡。設(shè)原始的煤層瓦斯壓力為 p1,鉆孔內(nèi)最終的瓦斯壓力為 p2,則此時測壓室內(nèi)瓦斯氣體轉(zhuǎn)化為1atm,298.15K狀況下的體積為：

煤體是一種多孔介質(zhì),在煤體內(nèi),空隙半徑在400nm以下的微孔占空隙總體積的 90%左右,所以煤體內(nèi)部的表面積是很大的,這樣巨大的表面積為煤體吸附瓦斯創(chuàng)造了條件。由于氣體分子只有碰撞到尚未吸附氣體分子的空白表面上才能夠發(fā)生吸附作用,因此,煤體空隙表面上的吸附是單分子層的,根據(jù)朗格繆爾的單分子層理論可導(dǎo)出實際煤體的瓦斯吸附量計算式：

為了方便計算,假設(shè)在鉆孔周圍的瓦斯卸壓帶內(nèi)的煤層瓦斯壓力均等且與鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力一致,且卸壓帶外煤體內(nèi)瓦斯壓力為原始煤體瓦斯壓力,根據(jù)式 (2)可得出此時在卸壓半徑內(nèi)煤體原始的瓦斯含量W1和卸壓后煤體內(nèi)瓦斯含量為W2：

根據(jù)煤體內(nèi)的瓦斯含量守恒可得：

聯(lián)立式 (3)、式 (4)、式 (5)可解出原始煤層瓦斯壓力 p1考慮到鉆孔長度與封孔過程中瓦斯的釋放損失為：

從式 (6)原始煤層的瓦斯壓力表達(dá)式可以看出,最終測定的煤層瓦斯壓力受鉆孔長度與封孔過程中瓦斯釋放量的影響,且鉆孔長度越長、封孔過程中釋放的瓦斯量越多,最終測定的瓦斯壓力值與煤層的原始瓦斯值壓力偏差越大。

3 實際應(yīng)用分析

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一東礦突出區(qū)域劃分的項目實施過程中,需要在整個礦區(qū)進(jìn)行分區(qū)域打孔測定11-2煤層瓦斯壓力,在這些鉆孔中選擇其中的 1個鉆孔進(jìn)行分析,該鉆孔的測壓地點為潘一東礦西一采區(qū) 1號回風(fēng)上山,其封孔方法為水泥砂漿封孔(因為在淮南礦區(qū)瓦斯壓力較大,采用膠囊封孔會存在很大安全隱患,而且有可能會導(dǎo)致測壓失敗),并采用排水法收集了砂漿封孔過程中瓦斯的釋放量,其鉆孔參數(shù)如表 1所示。根據(jù)潘一東礦提供的 11-2煤層的資料,其潘一東礦 11-2煤層的特征如表 2所示。對潘一東礦所取得的 11-2煤層的煤樣進(jìn)行了工業(yè)組分分析并測定了煤樣的 a,b與空隙率的值,其西一采區(qū) 1號回風(fēng)上山 11-2煤樣的等溫吸附曲線見圖 2所示,11-2煤層煤樣的測定結(jié)果如表 3所示。

表1 測壓鉆孔參數(shù)

圖2 1號回風(fēng)上山 11-2煤樣等溫吸附曲線

表2 11-2煤層特征

表3 潘一東礦 11-2煤層煤樣工業(yè)分析組分

把表 1,2,3的數(shù)據(jù)代入式 (6)可得出煤層的原始瓦斯壓力為 2.02MPa,實際測得的瓦斯壓力與煤層的原始瓦斯壓力差值為 0.102MPa,其誤差率為 5.42%,經(jīng)修正后的瓦斯壓力對礦區(qū)的突出區(qū)域劃分以及瓦斯災(zāi)害的防治都有著重要的意義。

4 結(jié)論

(1)針對測壓室長度與封孔過程中瓦斯的釋放量對測壓準(zhǔn)確性的影響,建立了煤層原始瓦斯壓力與實際測得的煤層瓦斯壓力、測壓室長度以及封孔過程中瓦斯的釋放量的關(guān)系式。

(2)測壓室的長度越大所測得的瓦斯壓力越偏差于煤層內(nèi)原始瓦斯壓力,在實際瓦斯壓力測定過程中,進(jìn)行封孔時,要盡量減少瓦斯測壓室的長度,使測得的瓦斯壓力接近于原始煤層瓦斯壓力。

[1]齊黎明,趙玉岐,等 .基于封孔前瓦斯損失量的測壓結(jié)果修正分析 [J].煤炭學(xué)報,2007,32(1)：60-63.

[2]蔣承林,俞啟香 .煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[3]李傳統(tǒng),彭 偉 .熱工學(xué) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[4]王宏圖,鮮學(xué)福,尹光志,等 .煤礦深部開采瓦斯壓力計算的解析算法 [J].煤炭學(xué)報,1999,24(3)：279-282.

[5]顧新宇,劉建宇,馬尚權(quán) .鉆孔質(zhì)量及粘液性質(zhì)對主動式封孔測壓效果的影響 [J].煤炭工程,2010.

[6]潘一東礦項目部 .西一采區(qū) 1#回風(fēng)上山 11-2煤瓦斯含量測定報告 [R].2010.

[責(zé)任編輯：王興庫 ]

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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 (973項目)(2006CB202204-3)

劉輝輝 (1986-),男,江蘇徐州人,中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院在讀碩士研究生。