下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置及测试方法
文献发布时间：2023-06-19 19:28:50
技术领域
本发明涉及井下煤层瓦斯压力直接测定技术领域，尤其是一种适用于下向测压钻孔主动注水快速测试，具体为下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置及测试方法。
背景技术
煤层瓦斯压力是一项重要的煤层瓦斯基础参数，可用于煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯抽采达标评判、瓦斯资源储藏评价等现场工作，对保障煤矿安全生产具有重要基础性意义。行业标准AQ/T1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》针对含水钻孔给出了修正方法，但仅限于上向测压钻孔，对于下向钻孔中水段产生的压力如何影响测压值却未提及。事实上，下向钻孔内瓦斯压力恢复平衡过程也是煤层瓦斯压力、测压系统中水柱重力、水柱上聚集气体压力(表压)三者趋于力学平衡的过程，而测试标准规范未对其说明，因此现场测试工艺也遗漏了下向钻孔水压修正重要环节。究其原因，在下向钻孔内瓦斯压力恢复过程中，孔壁向外渗漏液体或打钻残留液体会沉积在测压管路中，由于缺少直接将下向钻孔内液体提取出来的手段，不能准确获取液量体积，从而无法进一步精算液体压力对煤层瓦斯压力的实际影响强度。
目前，下向测压钻孔在封孔结束持续观测瓦斯压力过程中，煤岩孔壁会不断向孔内渗水，这部分液体被封存在孔底，为了排除水柱对测值的影响，一般在封孔之前利用压风系统向钻孔内吹风排水，依靠带压风流将孔底残留水量排出，这种操作流程复杂，不易掌控，并且受大倾角、大孔深钻孔形态影响，压风吹排孔内残水残屑的效果较差，根本达不到测值精度。综上可见，下向测压技术由于无法直接计量孔内水段体积，造成下向钻孔测压工艺一直存在水压无法精准剔除的技术短板和不足，现场实际测的表压要小于真实的煤层瓦斯压力，且误差随水柱长度增长而增大，这个过程获得的瓦斯压力不能有效指导矿井瓦斯灾害防治。
发明内容
本发明针对下向测压钻孔尤其是含水钻孔的测定压力误差大、测试时间长的问题，本发明的目的在于克服以往下向测压钻孔在封孔之前孔内液体排泄步骤复杂、封孔之后孔内残留液体干扰测定以及测压管路自由空间大造成瓦斯压力恢复时间长的技术短板，考虑了水柱对瓦斯压力恢复过程的影响，提供一种下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置及测试方法，本发明为下向测压钻孔注水代替排液的主动快速煤层瓦斯压力方法，同时经过修正精准测定煤层瓦斯压力。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置，包括在巷道底板施工的下向测压钻孔，所述下向测压钻孔进入测定煤层并穿透测定煤层进入煤层底板，在所述下向测压钻孔中放置有若干节依次相连接的测压管，最底端的一节测压管上开设有若干通孔，形成测压花管，最顶端的一节测压管伸出巷道底板，且与四通连接管的底端口相连接，四通连接管的左、右两端口分别与注水阀、排水阀相连接，四通连接管的上端口另外与测压气室管相连接，注水阀顺序连接第一高压胶管、高压截止阀、井下供水管路，排水阀通过第二高压胶管连接微型抽水泵，测压气室管与精密压力表相连接。
下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置，包括在巷道底板施工的下向测压钻孔，所述下向测压钻孔进入测定煤层并穿透测定煤层进入煤层底板，在所述下向测压钻孔中放置有若干节依次相连接的测压管，最底端的一节测压管上开设有若干通孔，形成测压花管，最顶端的一节测压管伸出巷道底板，且与四通连接管的底端口相连接，四通连接管的左、右两端口分别与注水阀、排水阀相连接，四通连接管的上端口另外与测压气室管相连接，注水电磁阀顺序连接第一高压胶管、电磁截止阀、井下供水管路，排水电磁阀通过第二高压胶管连接微型抽水泵，在所述第二高压胶管上设置流量计，测压气室管与压力传感器相连接，所述注水电磁阀、排水电磁阀、电磁截止阀、微型抽水泵、流量计、压力传感器与PLC可编程控制器电连接。
进一步地，在所述下向测压钻孔的岩石段与测定煤层交界处的测压管外部设置封孔胶囊。
进一步地，所述测压管采用中空圆管制成，中空圆管的长度为2m，内直径为12.7mm。
进一步地，所述测压花管的底端距下向测压钻孔孔底的长度为0.5m，测压管的最顶端高出巷道底板长度0.5m。
本发明同时提供一种下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置的测试方法，采用上述下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置实现，包括以下步骤：
A.在巷道底板的合适位置施工下向测压钻孔，记录钻孔倾角θ
B.取n节测压管并取其中一节制作测压花管；
C.将制作的测压花管及剩余所有的测压管逐节连接，在与测压花管相连接的那节测压管上捆绑1～2组封孔胶囊，随测压管一并送入下向测压钻孔内，测压管被置于下向测压钻孔的孔口至孔底；
D.向封孔胶囊注水或充气，使其膨胀环抱下向测压钻孔孔壁，用于支撑测压管以及隔离下向测压钻孔内的煤段与岩段；将配置好的浆液注入下向测压钻孔，当浆液充满下向测压钻孔后停止注浆，保证封孔胶囊所在下向测压钻孔位置至孔口均有浆液，形成封堵段；
E.浆液凝固24h后，在测压管顶端通过四通连接管分别连接注水阀、排水阀、测压气室管，注水阀顺序连接第一高压胶管、高压截止阀、井下供水管路；排水阀另一端顺序连接微型抽水泵；测压气室管另一端安装精密压力表；
F.手动控制向下向测压钻孔内主动注水，从注水阀至下向测压钻孔孔底均充满水，主动注水过程结束；
主动注水的水量在n节测压管内形成水柱，因自身重力产生水压P
G.当精密压力表的表压P
1)当P
P＝P
P＝2ρ·g·n·sinθ
式(1)和式(2)中：
P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
2)当P
V＝π·r
式(3)中，r为测压管的半径，单位为cm；
a.若10h内精密压力表显示读数，则持续观测，待表压稳定后记为表压P
b.若在10h内精密压力表仍无读数，重新打开排水阀，启动微型抽水泵缓慢抽排测压管的水，始终保持每次抽取水量为V，抽排结束后依次关闭排水阀和微型抽水泵，重复放水和观测精密压力表读数，当抽排水10h内精密压力表显示读数时，抽排工作结束，记录抽排次数N次；根据N次抽排过程计算总抽排水量，根据式(5)计算真实的测定煤层瓦斯压力P：
式(4)和式(5)中：P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
进一步地，所述步骤F的主动注水过程为：打开高压截止阀，连通第一高压胶管和井下供水管路，同时打开排水阀，使测压管与外界环境连通；打开注水阀向测压管注水，密切关注排水阀出水状态，当连接的微型抽水泵有水排出，主动注水过程结束，依次关闭注水阀和排水阀，从注水阀至下向测压钻孔孔底均充满水。
本发明同时还提供另一种下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置的测试方法，采用上述下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置实现，包括以下步骤：
A.在巷道底板3的合适位置施工直径下向测压钻孔，记录钻孔倾角θ
B.取n节测压管并取其中一节制作测压花管；
C.将制作的测压花管及剩余所有的测压管逐节连接，在与测压花管相连接的那节测压管上捆绑1～2组封孔胶囊，随测压管一并送入下向测压钻孔内，测压管被置于下向测压钻孔的孔口至孔底；
D.向封孔胶囊注水或充气，使其膨胀环抱下向测压钻孔孔壁，用于支撑测压管以及隔离钻孔内的煤段与岩段；将配置好的浆液注入下向测压钻孔，当浆液充满下向测压钻孔后停止注浆，保证封孔胶囊所在下向测压钻孔位置至孔口均有浆液，形成封堵段；
E.浆液凝固24h后，在测压管顶端通过四通连接管分别连接注水电磁阀、排水电磁阀、测压气室管，注水电磁阀顺序连接第一高压胶管、电磁截止阀、井下供水管路；排水电磁阀另一端顺序连接流量计、微型抽水泵，测压气室管另一端安装压力传感器；电磁截止阀、注水电磁阀、压力传感器、排水电磁阀、流量计、微型抽水泵分别与PLC可编程控制器电连接；
F.自动控制向下向测压钻孔内主动注水：通过PLC可编程控制器自动打开电磁截止阀，连通第一高压胶管和井下供水管路；同时打开排水电磁阀，使测压管与外界环境连通；打开注水电磁阀向测压管注水，密切关注排水电磁阀出水状态，当流量计显示流量，依次自动关闭注水电磁阀和排水电磁阀，此时从注水电磁阀至下向测压钻孔孔底均充满水，主动注水过程结束；
主动注水的水量在测压管内形成水柱，因自身重力产生水压P
G.当压力传感器示数P
1)当P
P＝P
P＝2ρ·g·n·sinθ
式(1)和式(2)中：
P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
2)当P
V＝π·r
式(3)中，r为测压管的半径，单位为cm；
a.若10h内压力传感器显示读数，则持续监测，待读数稳定后记为表压P
b.若在10h内压力传感器仍无读数，自动打开排水电磁阀，重启微型抽水泵缓慢抽排测压管的水，每次自动抽取水量始终为V，抽排结束后依次关闭排水电磁阀和微型抽水泵；重复放水和观测压力传感器读数，当抽排水10h内压力传感器显示读数时，抽排工作结束，记录抽排次数N次；根据N次抽排过程计算总抽排水量，根据式(5)计算真实的测定煤层瓦斯压力P：
式(4)和式(5)中：P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
进一步地，所述步骤B的测压花管表面捆绑细密微孔的窗纱，防止煤屑随小孔进入测压花管。
本发明的工作原理：本发明通过手动控制或自动控制主动向下向测压钻孔注水，与孔内残留水混合后，利用水自重产生的水压，模拟创造游离气压，从而抑制煤层瓦斯解吸释放，缩短瓦斯解吸时间；同时，利用水的不可压缩性，注入水量减少测压管的自由空间，加快测压气室气体压力恢复速度，减少测压观测时间；在主动注水前提下，精准获取管路中预留水量的体积，利用下向钻孔煤层瓦斯压力、水柱压力、气体压力三者的动态平衡关系，精确计算真实煤层瓦斯压力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可实现下向钻孔煤层瓦斯压力精准测定，大幅缩小测试误差。利用水压、表压和煤层瓦斯压力之间的平衡关系，主动向测压管中注入定量的水，精准测算煤层瓦斯压力，将传统下向钻孔测压技术遗漏的水压误差完全消除，准确获取下向钻孔的真实煤层瓦斯压力。
(2)简化测试工序，操作更为轻松。测算过程无需在封孔前排出钻孔内残留水，反而通过主动水量主动掌握水柱压力等关键参数，既省略了排水环节，又提高了工艺流程操控能力。
(3)缩短测试周期，提高测试效率。主动注水可占据测压管路内部一定自由空间，减少测压气室的自由体积，有利于瓦斯气体在较小空间内快速恢复稳定，从而缩短压力恢复时间。此外，水段产生的水压可抑制煤层瓦斯解吸，缩短煤层吸附瓦斯向外界解吸释放过程，促进测压气室内煤层瓦斯压力、水压、表压快速稳定平衡。
附图说明
图1是本发明提供的实施例一中的下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置结构示意图。
图2是本发明提供的实施例二中的下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置结构示意图。
图3是实施例二中的下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置的PLC可编程控制器的连接关系图。
图中：1-测定煤层；2-下向测压钻孔；3-巷道底板；4-测压管；41-测压花管；5-四通连接管；6-封孔胶囊；7-封堵段；8-注水阀；9-排水阀；10-精密压力表；111-第一高压胶管；112-第二高压胶管；12-井下供水管路；13-高压截止阀；14-测压气室管；15-微型抽水泵；16-电磁截止阀；17-注水电磁阀；18-排水电磁阀；100-水；20-流量计；30-PLC可编程控制器；40-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
实施例一
参照图1，下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置，包括在巷道底板3施工的下向测压钻孔2，所述下向测压钻孔2进入测定煤层1并穿透测定煤层1进入煤层底板，在所述下向测压钻孔2中放置有若干节依次相连接的测压管4，最底端的一节测压管4上开设有若干通孔，形成测压花管41，最底端的一节测压管4在圆周面上每间隔约5～10cm设置1个通孔，通过设置通孔为气体运移提供通道，有利于下向测压钻孔2中瓦斯气体快速进入测压管4内，从而测定煤层瓦斯压力，最顶端的一节测压管4伸出巷道底板3，且与四通连接管5的底端口相连接，四通连接管5的左、右两端口分别与注水阀8、排水阀9相连接，四通连接管5另外与测压气室管14相连接，注水阀8顺序连接第一高压胶管111、高压截止阀13、井下供水管路12，排水阀9通过第二高压胶管112连接微型抽水泵15，测压气室管14与精密压力表10相连接。
在所述下向测压钻孔2的岩石段与测定煤层1交界处的测压管4外部设置封孔胶囊6。
所述测压管4采用中空圆管制成，中空圆管的长度为2m，内直径为12.7mm。
所述测压花管41的底端距下向测压钻孔2孔底的长度为0.5m，测压管4的最顶端高出巷道底板3长度0.5m。
实施例二
参照图2-图3，下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置，包括在巷道底板3施工的下向测压钻孔2，所述下向测压钻孔2进入测定煤层1并穿透测定煤层1进入煤层底板，在所述下向测压钻孔2中放置有若干节依次相连接的测压管4，最底端的一节测压管4上开设有若干通孔，形成测压花管41，最底端的一节测压管4在圆周面上每间隔约5～10cm设置1个通孔，通过设置通孔为气体运移提供通道，有利于下向测压钻孔2中瓦斯气体快速进入测压管4内，从而测定煤层瓦斯压力，最顶端的一节测压管4伸出巷道底板3，且通过四通连接管5分别与注水电磁阀17、排水电磁阀18相连接，四通连接管5另外与测压气室管14相连接，注水电磁阀17顺序连接第一高压胶管111、电磁截止阀16、井下供水管路12，排水电磁阀18通过第二高压胶管112连接微型抽水泵15，在所述第二高压胶管112上设置流量计20，测压气室管14与压力传感器40相连接，所述注水电磁阀17、排水电磁阀18、电磁截止阀16、微型抽水泵15、流量计20、压力传感器40与PLC可编程控制器30电连接。
在所述下向测压钻孔2的岩石段与测定煤层1交界处的测压管4外部设置封孔胶囊6。
所述测压管4采用中空圆管制成，中空圆管的长度为2m，内直径为12.7mm。
所述测压花管41的底端距下向测压钻孔2孔底的长度为0.5m，测压管4的最顶端高出巷道底板3长度0.5m。
实施例三
下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置的测试方法，采用实施例一中所述的下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置实现，包括以下步骤：
A.在巷道底板3的合适位置施工直径宜为
B.取n节测压管4并取其中一节制作测压花管41(测压管4的长度为2m，内直径12.7mm)，并在测压花管41表面捆绑细密微孔的窗纱，防止煤屑随小孔进入测压花管41；
C.将制作的测压花管41及剩余所有的测压管4逐节连接，在与测压花管41相连接的测压管4上捆绑1～2组封孔胶囊6，随测压管4一并送入下向测压钻孔2内，测压管4被置于下向测压钻孔2的孔口至孔底；测压花管41的底端距下向测压钻孔2孔底的长度为0.5m；测压管4的最顶端高出巷道底板3长度0.5m；
D.向封孔胶囊6注水或充气，使其膨胀环抱下向测压钻孔2孔壁，用于支撑测压管4以及隔离钻孔内的煤段与岩段，采用现已成熟的注浆封孔技术及浆液，将配置好的浆液注入下向测压钻孔2，当浆液充满下向测压钻孔2后停止注浆，保证封孔胶囊6所在下向测压钻孔2位置至孔口均有浆液，形成封堵段7；
E.浆液凝固24h后，在测压管4顶端通过四通连接管5分别连接注水阀8、排水阀9、测压气室管14，注水阀8顺序连接第一高压胶管111、高压截止阀13、井下供水管路12；排水阀9另一端顺序连接微型抽水泵15；测压气室管14长度0.5m，测压气室管14另一端安装精度不小于1.0级的精密压力表10；
F.手动控制向下向测压钻孔2内主动注水，从注水阀8至下向测压钻孔2孔底均充满水100，主动注水过程结束，具体为：
打开高压截止阀13，连通第一高压胶管111和井下供水管路12；同时打开排水阀9，使测压管4与外界环境连通；打开注水阀8向测压管4注水，密切关注排水阀9出水状态，当连接的微型抽水泵15有水排出，主动注水过程结束，依次关闭注水阀8和排水阀9，此时测压管4从注水阀8至孔底均充满水100；
主动注水的水量在测压管4内形成水柱，因自身重力产生水压P
G.当精密压力表10的表压P
1)当P
P＝P
根据长度L求取测压管4实际作用在煤体表面水段的水压P
P＝2ρ·g·n·sinθ
式(1)和式(2)中：
P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
2)当P
V＝π·r
式(3)中，r为测压管4的半径，单位为cm；
a.若10h内精密压力表10显示读数，则持续观测，待表压稳定后记为表压P
b.若在10h内精密压力表10仍无读数，重新打开排水阀9，启动微型抽水泵15缓慢抽排测压管4的水100，始终保持每次抽取水量为V，抽排结束后依次关闭排水阀9和微型抽水泵15，按照步骤b，重复放水和观测精密压力表10读数，当抽排水10h内精密压力表10显示读数时，抽排工作结束，记录抽排次数N次；根据N次抽排过程计算总抽排水量，根据式(5)计算真实的测定煤层瓦斯压力P：
式(4)和式(5)中：P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
实施例四
下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置的测试方法，采用实施例二中下向钻孔煤层瓦斯压力主动测定装置实现，包括以下步骤：
A.在巷道底板3的合适位置施工直径宜为
B.取n节测压管4并取其中一节制作测压花管41(测压管4的长度为2m，内直径为12.7mm)，并在测压花管41表面捆绑细密微孔的窗纱，防止煤屑随小孔进入测压花管41；
C.将制作的测压花管41及剩余所有的测压管4逐节连接，在与测压花管41相连接的测压管4上捆绑1～2组封孔胶囊6，随测压管4一并送入下向测压钻孔2内，测压管4被置于下向测压钻孔2的孔口至孔底；测压花管41的底端距下向测压钻孔2孔底的长度为0.5m；测压管4的最顶端高出巷道底板3长度0.5m；
D.向封孔胶囊6注水或充气，使其膨胀环抱下向测压钻孔2孔壁，用于支撑测压管4以及隔离钻孔内的煤段与岩段，将配置好的浆液注入下向测压钻孔2，当浆液充满下向测压钻孔2后停止注浆，保证封孔胶囊6所在下向测压钻孔2位置至孔口均有浆液，形成封堵段7；
E.浆液凝固24h后，在测压管4顶端通过四通连接管5分别连接注水电磁阀17、排水电磁阀18、测压气室管14，注水电磁阀17顺序连接第一高压胶管111、电磁截止阀16、井下供水管路12；排水电磁阀18另一端顺序连接流量计20、微型抽水泵15，测压气室管14另一端安装压力传感器40；电磁截止阀16、注水电磁阀17、压力传感器40、排水电磁阀18、流量计20、微型抽水泵15分别与PLC可编程控制器30电连接，实现各环节的自动控制；
F.自动控制向下向测压钻孔2内主动注水：通过PLC可编程控制器30自动打开电磁截止阀16，连通第一高压胶管111和井下供水管路12；同时打开排水电磁阀18，使测压管4与外界环境连通；打开注水电磁阀17向测压管4注水，密切关注排水电磁阀18出水状态，当流量计20显示流量，依次自动关闭注水电磁阀17和排水电磁阀18，此时从注水电磁阀17至下向测压钻孔2孔底均充满水100，主动注水过程结束；
主动注水的水量在测压管4内形成水柱，因自身重力产生水压P
G.当压力传感器40示数P
1)当P
P＝P
根据长度L求取测压管4实际作用在煤体表面水段的水压P
P＝2ρ·g·n·sinθ
式(1)和式(2)中：
P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
2)当P
V＝π·r
式(3)中，r为测压管4的半径，单位为cm；
a.每次抽排结束后关闭排水电磁阀18和微型抽水泵15，监测压力传感器40，10h内压力传感器40记录读数，则持续监测，待读数稳定后记为表压P
b.在10h内压力传感器40仍无读数，自动打开排水电磁阀18，重启微型抽水泵15缓慢抽排测压管4的水100，每次自动抽取水量始终为V，抽排结束后依次关闭排水电磁阀18和微型抽水泵15，按照步骤b，重复放水和观测压力传感器40读数，当抽排水10h内压力传感器40显示读数时，抽排工作结束，记录抽排次数N次，根据N次抽排过程计算总抽排水量，根据式(5)计算真实的测定煤层瓦斯压力P：
式(4)和式(5)中：P—测定煤层瓦斯压力，Pa；P
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。