瓦斯参数测定

5 瓦斯参数测试方法
5.1 有关煤层瓦斯的几个概念 5.2 煤层瓦斯含量测定 5.3 煤层瓦斯压力测定 5.4 瓦斯放散初速度测定 5.5 煤的坚固性系数f值测定 5.6 煤层透气性系数测定

5 瓦斯参数测试方法
? 5.1 有关煤层瓦斯的几个概念
?煤层原始瓦斯压力 ?煤层残存瓦斯压力 ?煤层原始瓦斯含量 ?煤层残存瓦斯含量

?煤的瓦斯容量
?瓦斯浓度 ?矿井相对、绝对瓦斯涌出量

?瓦斯放散初速度
?煤的坚固性系数

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煤层原始瓦斯含量
当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（0℃， 0.1MPa）的瓦斯体积称之为煤层原始瓦斯含量，它常用m3/t和cm3/g作计量单位。

煤层残存瓦斯含量
当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量。

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煤层原始瓦斯压力
当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力，其物理单位为MPa（兆帕）。

煤层残存瓦斯压力
当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，此时煤层中残留瓦斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为MPa。煤层的残存瓦斯压力总小于原始瓦斯压力。

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煤的可解吸瓦斯含量
煤自原始瓦斯含量与0.1 MPa瓦斯压力下的煤层残存瓦斯含量之差称之为煤的可解吸瓦斯含量，其物理单位为m3/t 或cm3/g。煤的可解吸瓦斯含量大致代表单位重量的煤在开采过程中在井下可能涌出的瓦斯量。

煤的瓦斯容量
当煤中瓦斯压力无限升高时，单位重量煤所能吸附的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤的瓦斯容量。瓦斯容量与煤的变质程度有关，从褐煤到无烟煤，随着煤的变质程度的升高，瓦斯容量也随着加大。瓦斯容量实际上是煤对瓦斯的极限吸附量。

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瓦斯浓度
单位体积空气中所含有的瓦斯体积的体积百分数

称之为瓦斯浓度，常用%作单位，我们常说的瓦斯浓
度为1%表示的是井下每1m3大气中含有0.01m3的瓦斯。

矿井相对瓦斯涌出量矿井绝对瓦斯涌出量

? A)用于民用（甲烷浓度在30%-80%）仅限于高浓度瓦斯的应用，但由于我国大部分煤矿地处偏远，利用起来存在非常大的的局限性。 ? B) 工业瓦斯锅炉（甲烷浓度在30%-80%）。该种方式采用的燃料的直接燃烧，燃料的利用效率相对较低，且适合于离城市相对较近的煤矿。 ? C) 瓦斯发电（甲烷浓度在>4%）投资低，建设周期短，就地消化，就地应用或远距离输送，规模可大可小，灵活方便。 ? D) 地面抽采，做LNG或CNG（甲烷浓度>80%

）起步阶段，目前仅有中石油、中联煤两家公司正在开展该方面的研发。 ? E)氧化销毁甲烷浓度<1%，目前仅有几个示范项目，主要是风排。

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瓦斯放散初速度(△p)
它是一个假定指标，表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的一个指标，无量纲。

煤的坚固性系数( f )
反映煤体破坏程度的一个指标，无量纲。

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?5.2 煤层瓦斯含量测定
5.2.1 煤层瓦斯含量测定方法分类

1.根据应用范围：地质勘探钻孔中应用方法煤矿井下应用方法

2.根据方法特点：直接测定法
直接测定法比较简单，直接从煤、岩试样中抽出瓦斯，测定其成分和瓦斯含量。

间接测定方法
比较复杂，先测定孔隙率、a、b值，煤的工业分析，再计算瓦斯含量。

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? 5.2.2 煤层瓦斯含量直接测定方法
1.煤的残存瓦斯含量测定方法
(1)取样。

采取新鲜煤芯或碎煤约200g，装入特制密封容器（真空罐）中加以密封。
(2)试验室脱气与气体分析。

试样送到试验室后常温脱气，之后加热至95℃进行真空脱气，抽出气体进行色谱分析。

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(3)煤样粉碎。煤样脱气结束后，打开真空罐取出煤样，放进密封球
磨罐进行粉碎。要求粉碎后煤样绝大部分（80%以上）的粒度在 0.25mm以下。

(4)粉碎后脱气与气体分析。将装有已粉碎煤样的密封球磨罐进行
加热和真空脱气，方法同步骤（2），直到基本上无气体解吸为止。

(5)煤样称重与工业分析。 (6)煤中残存瓦斯量计算。根据2个阶段脱气的气体分析结果中的氧
含量，扣除混入的空气成分，即换算出了无空气基的煤层气体成分，再根据两次脱气抽出的气体体积和成分、煤样重量和煤质分析结果，就很容易算出单位重量煤（或可燃质）中含有的瓦斯量，即煤的残存瓦斯含量。

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2.地勘期间煤层瓦斯含量测定方法(解吸法) 解吸法：
解吸法是把钻孔专用仪器采样改为用普通岩芯管在孔

底取煤芯，利用密封罐在煤芯提升到孔口时采样。这样做
的结果，既减少了钻孔采样的困难，又不影响正常钻进。该法自1973年起在美国得到了广泛的应用，抚顺分院在 1978-1981年期间在我国一些煤田进行了工业试验，完善了测定中所用的成套仪器和工具，已使之标准化。

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测定步聚：
(1)采样。用普通煤芯管采取煤芯，当煤芯升到地表之后，选取煤样
约300～400g，立即放进密封罐中密封，在采样过程中，测定提升煤芯和煤样在空气中的暴露时间。
3

(2)瓦斯解吸规律测定。测定进行2h后，把煤样
送到试验室进行脱气和气体分析。
2

4 6

7 8 9

(3)损失瓦斯量计算。煤样解吸测定前损失的瓦
斯量取决于煤芯在孔内和空气中的暴露时间和煤样瓦斯解吸规律。

5 1
1 -水箱 2-量管 3-螺旋夹 4-吸气球 5-温度计 6-弹簧夹 7-胶管 8-穿刺针头 9-密封罐

解吸速度测定仪

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试验和理论分析结果表明，煤样在刚开始暴露的一段时间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比例，即：

Vz ? k t0 ? t
式中 Vz——煤样自暴露时起到解吸测定进行时间为 t时的瓦斯总解吸体积， ml； 1 t 0 ? t1 ? t 2 t0——煤样在解吸测定前的暴露时间，min； 2 t1——提钻时间，据经验煤样在钻孔的暴露时间取为，min； t2——解吸测定前煤样在地面的暴露时间，min； t——煤样解吸测定的时间，min； k——比例常数，。

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解吸实验测出的瓦斯解吸量V仅为煤样总解吸量Vz的一部分，仅是t0到t那部分解吸量，解吸测定前煤样在暴露时间t0 时已损失的瓦斯量 V2 ? k t 0 由此
V ? k t 0 ? t ? V2
损失瓦斯量
V(ml) 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000

t+t0

min

从现场应用该法的来看，损失瓦量量占煤样总瓦斯量的10%～50%。应尽量

减少煤样的暴露时间，尽量选取较大粒
度的煤样，以减小瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。

图1 瓦斯损失量计算图

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(4)试验室煤样脱气及气体成分分析。经过解吸测定结束后的煤
样，在密封状态下应尽快送到试验室进行加热（95℃）真空脱气，脱气完后将煤样粉碎，再进行一次脱气，最后进行气体组分分析。脱气、粉碎和气体分析方法与测残存瓦斯含量时相同。

(5)瓦斯含量计算。
V1 ? V2 ? V3 ? V4 X0 ? G
X0—煤样的原始瓦斯含量，ml/g;

V1—煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯体积，ml；
V2—计算出的瓦斯损失量，ml； V3—煤样粉碎前的脱出量，ml； V4—煤样粉碎后的脱出量，ml；

G—煤样重量，g；

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3.井下煤层瓦斯含量测定方法—钻屑解吸法(A) 钻屑解吸法(A)：
抚顺分院在1980～1981年期间，研究提出了钻屑解吸法测定
煤层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。与在地勘钻孔中应用相比，该法在井下煤层钻孔应用的明显优点：

一是煤样暴露时间短，一般为3～5min，且易准确进行测定；
二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆

和泥浆压力的影响。

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煤样解吸随时间变化规律

q = q1t

-k

式中 q---在解析时间为t时煤样的解析瓦斯速度，ml/g.min

q1---t=1min时煤样瓦斯解析速度，ml/g?min；
k---解析速度随时间的衰减系数；
-k 在解析时间

为t时累计的解析瓦斯量为： Q = ? q1t dt =

q1 1-k t 0 1- k 钻孔见煤至煤样测定解吸这段时间t0，损失的瓦斯量为：
t

q1 1? k Q2 ? t0 1? k

式中 Q2---煤样瓦斯损失量，ml/g； t0---煤样解吸前的暴露时间，min。

当k≥1时，无解，只适用于k<1的情况。现场解吸瓦斯量、残存量计算与地勘解吸计算方法相同。

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4.井下煤层瓦斯含量测定方法—钻屑解吸法(B)
中国矿业大学的俞启香教授提出了一种新的钻屑解吸法，简称钻
屑解吸法(B)。和钻屑解吸法(A)相比，钻屑解吸法(B)只是对取样时的钻屑损失瓦斯量计算作了改进，改进后的方法适应于所有煤层，无论

突出煤还是非突出煤，也无论煤样粒度。

损失量计算公式：

Q2 ? ?

r0 ? kt1 [e ? 1] k

式中 r0——钻屑开始解吸瓦斯时的解吸瓦斯速度； k——常数；

t1——煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。

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5.井下煤层瓦斯含量测定方法—钻屑解吸法(C)
无论是钻屑解吸法 A 或 B ，均要计算取样损失量、残存量这些测定在需要在专门的实验室完成，因此测定周期长。为了实现井下煤层瓦斯含量快速测定，抚顺分院在 1993 ～ 1995年期间提出了一种新的钻屑解吸法 —钻屑解吸法(C)，研制了WP-1型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。计算公式：