一种煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方法

1.本发明属于煤层瓦斯含量测定技术领域，具体涉及一种煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方法。


背景技术：

2.煤层瓦斯含量测定的准确性直接影响着瓦斯等级鉴定、抽采效果评定的可靠性。煤层孔隙中包括开放孔和封闭孔，其中开放孔之间相互连通，在煤体内形成了一个瓦斯运移的孔隙网络，在压力梯度、浓度梯度作用下，瓦斯产生动态的渗流和扩散运移，而封闭孔则相对独立，内部瓦斯被束缚在封闭空间内。在传统的现场测定过程中，主要将开放孔内瓦斯的抽采结果作为抽采达标的指标。而对于封闭孔中的瓦斯由于未与孔-裂隙联通，不发生瓦斯的运移和释放，不参与煤层瓦斯抽采过程，因而会被常常忽视。不同变质程度、矿区的煤层中封闭孔占比千差万别，其孔容比例在7％～80％之间、比表面积比例在20％～90％之间。由于封闭孔的贡献率各不相同，对于占比较小的煤层，影响程度较小；反之，则会对测定结果具有较大影响。
3.近年来，随着我国煤矿安全的重视程度的逐渐加强，治理体系不断完善，我国煤层瓦斯事故的发生起数和伤亡人数大幅度地下降。然而在煤层瓦斯抽采达标后进行掘进工作面的推进过程中，仍时有小规模的煤与瓦斯突出、瓦斯喷出等瓦斯事故的发生，造成人员伤亡、设备损坏，严重影响着矿井的安全生产和井下作业人员的生命健康。其产生原因可以用封闭孔原理进行解释和说明：在抽采阶段，煤体整体结构相对完整，采用钻孔的方式进行抽采作业，开放孔中的瓦斯经过孔-裂隙通道进行渗流、扩散作用，进而进入抽采管路中，降低了煤层瓦斯残存含量，达到抽采指标中的8m3/t以下，符合开采条件；然而，随着掘进工作的进行，前方煤体受力发生变化，应力重新分布，在应力集中区对煤体结构产生破坏作用，封闭孔结构被破坏，释放出其内部高压瓦斯，导致原本抽采达标煤层由安全区转变为危险区。在封闭孔占比较高的煤层，受采动影响下，大量封闭孔破坏转变为开放孔，在煤体前方形成高压瓦斯区；当掘进至该区域时，煤体结构彻底失稳，进而发生煤与瓦斯突出、瓦斯喷出等瓦斯事故。因此，在进行瓦斯含量测定过程中，需要考虑封闭孔瓦斯产生的影响，尤其是对于封闭孔占比较高的煤层而言，开展封闭孔瓦斯含量测定是十分必要、且重要的。
4.由于封闭孔无法通过现场测定瓦斯压力、解吸速率等常规手段直接测定，因此，需要借助更先进的设备进行测定，或者反演计算获得。通过准确地测定封闭孔孔隙特征及瓦斯含量，才能为事故预防与技术方案的制定提供依据和指导。因此，亟待提出一种针对现有测定方法不足的技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供了一种煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方法，以解决或缓解上述现有技术方法中存在的问题。
6.为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：
7.本方案提供的一种煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方法，包括如下四个步骤：
8.s1利用saxs技术与常规孔隙测定手段获得开放孔与封闭孔的孔隙特征；
9.s2将试件放置于损伤破坏装置内，进行初次吸附平衡实验；
10.s3启动损伤破坏装置，对试件开展第i次损伤破坏，并记录再次吸附平衡时的压力pi；
11.s4采用质量守恒定律计算得到封闭孔原始瓦斯压力、含量。
12.所述的在步骤s1中的开放孔与封闭孔的孔隙结构特征的获得，包括如下步骤：
13.s11利用saxs技术得到全孔的孔-裂隙结构特征，包含有全孔孔容v
t
、全孔比表面积s
t
以及各孔径分布特性；
14.s12采用n2吸附法、co2吸附法以及压汞法等常规孔隙测定手段测定煤样中开放孔的孔隙结构特征；
15.s13使用布尔运算的方式计算封闭孔的孔隙结构特征，即全孔的孔隙结构特征扣除开放孔的孔隙结构特征。
16.所述的在步骤s2中的进行初次吸附平衡，包括如下步骤：
17.s21煤样试件根据损伤破坏装置内置的试件尺寸要求进行切割、打磨处理，将其放置在装置内，在确保良好密封性的前提下对试件进行抽真空处理，清除孔-裂隙内残余气体；
18.s22将注气装置联通损伤破坏装置，并充入甲烷气体进行预定吸附平衡压力下的吸附实验；
19.s23当装置内瓦斯压力逐渐趋于稳定值时，表征煤样试件内部孔-裂隙达到吸附平衡状态，记录初次平衡压力p1。
20.所述的在步骤s3中的煤样损伤破坏，包括如下步骤：
21.s31启动损伤破坏装置，对煤体进行损伤破坏，煤体内部中的封闭孔在损伤作用下发生破坏；
22.s32部分结构强度较低的封闭孔转变为开放孔，使得其内部高压瓦斯得以释放，并发生渗流、扩散作用，与开放孔初始瓦斯发生混合，煤体初始吸附平衡状态被打破；
23.s33随着时间的推移，损伤破坏装置内部瓦斯压力再次达到吸附平衡，测定此时装置内新的平衡压力变为p3；
24.s34以此类推，经过损伤破坏装置多次的破坏，煤体内部封闭孔的数量逐渐减少，并极限趋于零，测定装置内的平衡压力变为pi。
25.优选的，在步骤s1中，所述开放孔的初始孔隙结构特征包括开放孔孔容v1和开放孔比表面积s1；封闭孔的孔隙结构特征分别为封闭孔孔容v2和封闭孔比表面积s2：v2＝v
t-v1ꢀꢀꢀꢀ
(1)s2＝s
t-s1ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，v
t
表示全孔孔容，cm3；v2表示封闭孔孔容，cm3；v1表示开放孔孔容，cm3；s
t
表示全孔比表面积，cm2；s2表示封闭孔比表面积，cm2；s1表示开放孔比表面积，cm2。
26.优选的，在步骤s2中，所述初次平衡压力p1即为煤样开放孔的孔-裂隙内部游离瓦斯压力，封闭孔内部的高压瓦斯压力为原始瓦斯压力p2。
27.优选的，在步骤s3中，所述煤体在损伤破坏装置破坏后，部分封闭孔转变为开放
孔，开放孔孔容增加了v3，即封闭孔孔容减少量，其内部原始的高压瓦斯被释放，并在开放孔的孔-裂隙之间发生渗流、扩散作用；当开放孔内再次达到吸附平衡时，瓦斯压力变为p3。
28.优选的，在步骤s3中，所述煤体经过i次损伤破坏，开放孔体积增加量逐渐接近封闭孔的孔容，即：v3≈v2，封闭孔逐渐全部转变为开放孔，最终瓦斯平衡压力逐渐趋于定值，pi。
29.优选的，在步骤s4中，所述封闭孔原始瓦斯压力计算采用质量守恒定律计算得到，开放孔游离态瓦斯含量与吸附态瓦斯含量的增加量之和等于封闭孔游离态瓦斯含量与吸附态瓦斯含量的减少量之和，即
△
xo＝
△
xc：：式中，v1、v2和v3分别表示开放孔、封闭孔和破坏孔的孔容,cm3；p1、p2和p3依次表示初始开放孔、封闭孔和损伤后开放孔的吸附平衡压力，mpa；z1、z2和z3表示pi压力下及t3时甲烷的压缩系数，1/mpa，i＝1，2，3；t3表示实验温度，℃；gr为煤样可燃物质量，g；a，b为瓦斯吸附常数，通过等温吸附实验获得；其中，随着损伤破坏的进行，煤体内封闭孔逐渐转变为开放孔，则有v3≈v2，即可求解封闭孔原始瓦斯压力，p2；将其分别带入游离态瓦斯含量与吸附态瓦斯含量公式，进而求得该煤样封闭孔原始瓦斯含量：该煤样封闭孔原始瓦斯含量：xc＝x
cf
x
ca
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，x
cf
、x
ca
和xc依次表示封闭孔游离态瓦斯含量、封闭孔吸附态瓦斯含量和封闭孔原始瓦斯含量，cm3/g。
30.优选的，所述的煤体损伤破坏过程中是基于仅对封闭孔进行破坏、导致封闭孔发生损伤破坏后，转变为开放孔，而不产生额外的孔容和比表面积的基础上开展的；在煤样试件中，封闭孔为中空材质，其抗压、抗拉以及抗剪破坏的强度均小于煤基质实体材质的强度，因此，在进行损伤破坏时，优先在封闭孔处发生损伤破坏。
31.优选的，所述n2吸附法、co2吸附法、压汞法均为传统的孔径测试方法，仅能对开放孔的孔隙进行测定；其中，n2吸附法与co2吸附法用于测定煤孔隙中的小孔、微孔；压汞法则测定的孔径较大，为中孔、大孔；通过结合三种方法的测定结果，进而获得全孔径范围的孔-裂隙体积、比表面积以及各个孔径分布情况。
32.优选的，所述压力传感器用于测定损伤破坏装置内部瓦斯压力的测定，可将压力数据实时进行测定与记录；并将压力随时间的变化曲线进行绘制与显示，进而便于观察装置内部瓦斯压力的变化情况；当压力值逐渐趋于定值时，则表征装置内煤样再次达到吸附平衡状态。
33.由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：
34.本发明提供的煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方案中，首先，基于saxs技术测
定全孔隙的结构特性，再使用常规测定手段获得开放孔的孔隙特征，两者采用布尔运算得到封闭孔的孔隙特征；然后，基于初始吸附平衡压力下开展煤体损伤破坏，使得煤体内封闭孔转变为开放孔，并将其内部的原始高压瓦斯释放，使得开放孔-裂隙内部瓦斯吸附平衡状态被打破，并重新达到新的吸附平衡状态；最后利用质量守恒定律对封闭孔原始瓦斯压力、含量进行求解。基于此，利用瓦斯压力与煤层瓦斯含量之间的关系，根据瓦斯压力、孔隙体积的转变，反演计算出封闭孔原始瓦斯压力、含量，进而为煤层勘探阶段、抽采阶段以及抽采达标后验证阶段的瓦斯含量测定结果提供另一种新的检验思路和方法；同时，也为制定瓦斯抽采和预防事故发生提供科学准确的理论依据。
附图说明
35.图1为本发明煤层封闭孔瓦斯含量测定方法的流程示意图；
36.图2为本发明损伤破坏装置使用的结构示意图；
37.图3为本发明煤层封闭孔损伤转变为开放孔的微观示意图；
38.图中：1、气瓶；2、气瓶阀门；3、调压阀；4、三通；5、参考罐阀门；6、参考罐；7、真空泵阀门；8、真空泵；9、损伤破坏装置阀门；10、煤样；11、压力传感器；12、损伤破坏装置盖体；13、损伤破坏装置筒体；14、控制系统；15、封闭孔；16、开放孔。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
41.下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。
42.如图所示，本方案提供的一种煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方法，包括如下四个步骤：
43.s1利用saxs技术与常规孔隙测定手段获得开放孔16与封闭孔15的孔隙特征；
44.s2将试件放置于损伤破坏装置内，进行初次吸附平衡实验；
45.s3启动损伤破坏装置，对试件开展第i次损伤破坏，并记录再次吸附平衡时的压力pi；
46.s4采用质量守恒定律计算得到封闭孔15原始瓦斯压力、含量。
47.所述的在步骤s1中的开放孔16与封闭孔15的孔隙结构特征的获得，包括如下步骤：
48.s11利用saxs技术得到全孔的孔-裂隙结构特征，包含有全孔孔容v
t
、全孔比表面积s
t
以及各孔径分布特性；
49.s12采用n2吸附法、co2吸附法以及压汞法等常规孔隙测定手段测定煤样中开放孔
16的孔隙结构特征；
50.s13使用布尔运算的方式计算封闭孔15的孔隙结构特征，即全部孔隙结构特征扣除开放孔16的孔隙结构特征。
51.所述的在步骤s2中的进行初次吸附平衡，包括如下步骤：
52.s21煤样10试件根据损伤破坏装置内置的试件尺寸要求进行切割、打磨处理，将其放置在装置内，在确保良好密封性的前提下对试件进行抽真空处理，清除孔-裂隙内残余气体；
53.s22将注气装置联通损伤破坏装置，并充入甲烷气体进行预定吸附平衡压力下的吸附实验；
54.s23当装置内瓦斯压力逐渐趋于稳定值时，表征煤样10试件内部孔-裂隙达到吸附平衡状态，记录初次平衡压力p1。
55.所述的在步骤s3中的煤样损伤破坏，包括如下步骤：
56.s31启动损伤破坏装置，对煤体进行损伤破坏，煤体内部中的封闭孔15在损伤作用下发生破坏；
57.s32部分结构强度较低的封闭孔15转变为开放孔16，使得其内部高压瓦斯得以释放，并发生渗流、扩散作用，与开放孔16初始瓦斯发生混合，煤体初始吸附平衡状态被打破；
58.s33随着时间的推移，损伤破坏装置内部瓦斯压力再次达到吸附平衡，测定此时装置内的平衡压力变为p3；
59.s34以此类推，经过损伤破坏装置多次的破坏，煤体内部封闭孔15的数量逐渐减少，并极限趋于零，测定装置内的平衡压力变为pi。
60.优选的，在步骤s1中，所述开放孔16的初始孔隙结构特征包括开放孔16孔容v1和开放孔16比表面积s1；封闭孔15的孔隙结构特征分别为封闭孔15孔容v2和封闭孔15比表面积s2：v2＝v
t-v1ꢀꢀꢀꢀ
(1)s2＝s
t-s1ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，v
t
表示全孔孔容，cm3；v2表示封闭孔15孔容，cm3；v1表示开放孔16孔容，cm3；s
t
表示全孔比表面积，cm2；s2表示封闭孔15比表面积，cm2；s1表示开放孔16比表面积，cm2。
61.优选的，在步骤s2中，所述初次平衡压力p1即为煤样10开放孔16的孔-裂隙内部游离瓦斯压力，封闭孔15内部的高压瓦斯压力为原始瓦斯压力p2。
62.优选的，在步骤s3中，所述煤体在损伤破坏装置破坏后，部分封闭孔15转变为开放孔16，开放孔16体积增加了v3，即封闭孔15孔容减少量，其内部原始的高压瓦斯被释放，并在开放孔16的孔-裂隙之间发生渗流、扩散作用；开放孔16内再次达到吸附平衡时，瓦斯压力变为p3。
63.优选的，在步骤s3中，所述煤体经过i次损伤破坏，开放孔16体积增加量逐渐接近封闭孔15的孔容，即：v3≈v2，封闭孔15逐渐全部转变为开放孔16，最终瓦斯平衡压力逐渐趋于定值，pi。
64.优选的，在步骤s4中，所述封闭孔15原始瓦斯压力计算采用质量守恒定律计算得到，开放孔16游离态瓦斯含量与吸附态瓦斯含量的增加量之和等于封闭孔15游离态瓦斯含量与吸附态瓦斯含量的减少量之和，即
△
xo＝
△
xc：
式中，v1、v2和v3分别表示开放孔16、封闭孔15和破坏孔的孔容,cm3；p1、p2和p3依次表示初始开放孔16、封闭孔15和损伤后开放孔16的吸附平衡压力，mpa；z1、z2和z3表示pi压力下及t3时甲烷的压缩系数，1/mpa，i＝1，2，3；t3表示实验温度，℃；gr为煤样10可燃物质量，g；a，b为瓦斯吸附常数，通过等温吸附实验获得；其中，随着损伤破坏的进行，煤体内封闭孔15逐渐转变为开放孔16，则有v3≈v2，即可求解封闭孔15原始瓦斯压力，p2；将其分别带入游离态瓦斯含量与吸附态瓦斯含量公式，进而求得该煤样10封闭孔15原始瓦斯含量：进而求得该煤样10封闭孔15原始瓦斯含量：xc＝x
cf
x
ca
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，x
cf
、x
ca
和xc依次表示封闭孔15游离态瓦斯含量、封闭孔15吸附态瓦斯含量和封闭孔15原始瓦斯含量，cm3/g。
65.优选的，所述的煤体损伤破坏过程中是基于仅对封闭孔15进行破坏、导致封闭孔15发生损伤破坏后，转变为开放孔16，而不产生额外的孔容和比表面积的基础上开展的；在煤样10试件中，封闭孔15为中空材质，其抗压、抗拉以及抗剪破坏的强度均小于煤基质实体材质的强度，因此，在进行损伤破坏时，优先在封闭孔15处发生损伤破坏。
66.优选的，所述n2吸附法、co2吸附法、压汞法均为传统的孔径测试方法，仅能对开放孔16的孔隙进行测定；其中，n2吸附法与co2吸附法用于测定煤孔隙中的小孔、微孔；压汞法则测定的孔径较大，为中孔、大孔；通过结合三种方法的测定结果，进而获得全孔径范围的孔-裂隙体积、比表面积以及各个孔径分布情况。
67.优选的，所述压力传感器11用于测定损伤破坏装置内部瓦斯压力的测定工作，可将压力数据实时进行测定与记录；并将压力随时间的变化曲线进行绘制与显示，进而便于观察装置内部瓦斯压力的变化情况；当压力值逐渐趋于定值时，则表征装置内煤样10再次达到吸附平衡状态。
68.至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。