煤层瓦斯压力与含量测定关键技术

723 编辑：来源：北京智宏科信科技发展有限公司

2023-11-27 15:41:04

一项目背景

煤层瓦斯压力和含量是矿井瓦斯防治的基础参数。要想获得每测一个点的瓦斯压力与含量，都需要付出很高的人力与物力，而不同煤层、不同区域的瓦斯是不一样的，甚至存在着根本性的差异，这就需要矿方安排大量的人力、物力来进行煤层瓦斯压力和含量测定。

该项目围绕煤层瓦斯压力与含量测定方面的关键技术进行了研发，创造性的提出了复用型主动式封孔测压、真空卸压防瓦斯漏失及反转密封定点保压取样等关键技术。

二关键技术

1.采用基于主动式测压封孔机理的复用型主动式封孔测压装置、固液耦合一次性主动式封孔测压装置与下向穿松软多煤岩层涌水钻孔测压装置，提高了井下煤层瓦斯压力直接测定的快捷性、准确性与灵活性。

复用型主动式封孔测压装置由两段特殊的固体密封装置、中间连接支撑套管、外部连接管、粘液罐、储能罐、手动试压泵、高压氮气瓶（可选）、各种连接管线、压力表等组成。（图1）固体密封装置由三层组成，分别是流变体层、弹性体层和钢丝层，能够适应钻孔凸凹不平情况，实现可靠自密封。中间连接支撑套管有两个作用，一是支撑两段固体密封装置中间的煤岩体不发生大的变形，保证装置的回收；另一个重要作用是作为大颗粒密封液或三相泡沫的容器和载体，避免使用粘液管输送能力有限和易于堵塞等缺陷。

图1复用型主动式封孔测压装置实物

该装置对测压钻孔的主动式密封主要体现在两个方面：一是两端固体封孔装置在内膨胀液压力的作用下，膨胀变形对钻孔进行主动式支护密封；二是中间护管支撑煤岩体不发生大的变形，其中的压力粘液主动密封钻孔周边产生的微裂隙。复用型主动式测压装置可多次使用，适用于煤巷两帮及掘进头前方、岩巷不超过30m穿层孔的煤层瓦斯压力测定，测定封孔快捷，可靠性高，测压时间是常规测压的1/10-1/5。

固液耦合一次性主动式封孔测压装置由两根一次性胶囊、中间和外部连接杆、牛皮纸筒、尼龙压力管（或紫铜管）、三通、压力表等组成。（图2）该装置的测压封孔原理仍然是“固体封液体，液体封气体”，与复用型封孔装置不同的是所用的固体封孔材料是能够固化膨胀的化学材料，待在测压地点固化后，再注入压力液体密封完成测压工作。该装置适用于钻孔成孔条件差、观测压力时间长、测压钻孔数量多的煤层瓦斯压力测定，具有适用性强、操作便捷、价格低廉等特点。

图2 一次性固液耦合测压封孔装置套件

下向穿松软多煤岩层涌水钻孔测压装置主要由瓦斯头、内装单组分化学材料的橡皮套、挡盘、瓦斯管、胶囊注液管、注浆管、回浆管、4分镀锌连接管、孔口双组分膨胀化学材料固定装置、瓦斯表、手动试压泵等组成。（图3）此测压封孔装置的显著特点体现在两次主动式带压密封：一次是隔断形成测压室，一次是充填测压室上部与孔口间的空间。由于这两次自密封，使得钻孔的密封更加可靠，并能适应煤岩破碎、涌水、含有多个影响煤层的复杂测压情况。

图3下向穿松软多煤岩层涌水钻孔测压装置实物

2.采用取芯筒口密闭液保压、真空室卸压和无转移防瓦斯漏失等技术与双管单动卸压密闭取芯器，最大限度地减少了取芯过程中煤芯的瓦斯漏失；利用反转密封保压取样装置，实现取样结束后通过钻孔反转触发取样器密闭装置，实现所取煤样保压密封，避免了煤样瓦斯漏失。

取芯筒口密闭液保压是指在煤芯筒后设计一段密封液空腔，取芯前预先在空腔内注满密封液，当取芯结束形成煤芯断面后，借助一定的外力作用将空腔内的密封液挤压流动到断面上，在整个断面上形成一厚层致密的薄膜，将煤芯与周围气体介质隔绝，这样就可在很大程度上阻止煤芯瓦斯的解吸和漏失。

真空卸压防瓦斯漏失技术是指在煤芯取样筒的后方设计一段真空卸压室，取芯钻头在钻进过程中，随着煤芯逐渐进入煤芯筒，煤芯筒中的活塞会慢慢地被挤向真空卸压室侧，当煤芯筒装满煤芯或煤样后，依靠钻进时煤体产生的反作用力，煤芯筒中的煤样会强烈地挤压活塞，使固定在真空卸压室前端的尖头顶破活塞上的薄膜，从而将煤芯筒与真空卸压室连通。由于真空卸压室呈负压，因此煤芯中的高压瓦斯会迅速地向真空室中释放，直到达到平衡为止。通过向真空室释放瓦斯，煤芯煤样所含瓦斯量减少，瓦斯压力降低，当退钻时煤芯从钻孔终端被移出钻孔过程中即使端头未被严密密封，也能在一定程度上减少因解吸释放所导致的瓦斯漏失，从而提高测量的精度。

无转移防瓦斯漏失技术以取芯筒本身作为煤样筒，不需另外的专用煤样筒或煤样罐。当取芯结束后退出钻杆，拧下钻头，然后迅速拧上密封盖将煤芯密封，因此减少了将煤芯转入煤样罐这一环节。另外，在靠近真空卸压室一端，煤芯通过向其释放瓦斯，减小了煤芯中的瓦斯压力；而在靠近钻头一端，因煤芯断面被密封液所密封，在很大程度上阻止了瓦斯的逸散，因此从拧下钻头到盖上取芯筒密封盖这段时间内瓦斯基本上不会发生漏失。

双管单动卸压密闭取芯装置（图4）由传递钻杆钻压及扭矩的外管系统和具有单动、真空卸压及粘液密封的内管系统两部分组成。该新型取芯器采用双管单动、真空卸压、风冷和粘液密封的方案，以达到尽可能减少瓦斯泄漏、保持原煤样性质的设计要求。

图4 双管单动卸压密闭取芯器

反转密封定点保压取样技术原理为：施工钻孔至预定深度，退出钻杆，采用反转密封保压取样器进行定点取样，此过程需3~5min，在完成钻取煤样时，利用钻机反转30º以上，即可完成对所取煤样的密封，取芯筒反转密封后耐压达到1.5MPa，退钻过程不用考虑煤样瓦斯漏失，井下无需转移煤样，直接通过煤样筒利用快接装置进行井下解吸，实验室测定残存瓦斯含量。反转密封保压取样器如图5所示，其具有以下优点：（1）由于采用反转密封取样缩短了取样过程中煤样暴露的时间，从而极大地减少了取样过程中的瓦斯损失量，提高了瓦斯含量测量值的准确性。（2）由于采用上端、下端密封煤样筒进行瓦斯解吸，瓦斯含量测试过程中无需转移煤样筒内的煤样，直接通过快接装置连接解吸设备进行瓦斯解吸，从而减少了井下解吸测试过程中瓦斯损失量，有利于准确测定瓦斯含量。（3）由于采用外扩、内钻组合钻头的形式采集煤样，因此特别适用于中软突出煤层直接取样测量煤层瓦斯含量。

图5 反转密封保压取样器

3.运用保持原煤水分的煤层瓦斯含量测定问题现场取样与实验室测试方法，消除了水分对煤吸附瓦斯的影响，提高了间接法测定煤层瓦斯含量的准确性。

目前所有考虑水分对煤吸附瓦斯量影响的经验公式，皆存在较大的偏差，这是因为根据试验标准所测定出的煤的水分可以处于不同的状态，其对吸附瓦斯量的影响也不一样。煤或煤中矿物质所含的化学结合水对吸附瓦斯量无影响，处于微孔隙呈吸附状态的结合水对煤吸附性减低起主要作用。毛细水和游离水充塞在大孔隙和毛细管中，这部分水可溶解小部分瓦斯，但对吸附瓦斯量无重大影响。由于目前尚无单独确定煤中吸附水含量的方法，故用煤水分经验式确定吸附瓦斯量时，难免产生较大偏差。为了较准确地测定煤的吸附瓦斯量，应尽量采用含天然水分的原始煤样进行吸附等温线测定，这就是保持原煤水分煤层瓦斯含量间接测定的基本原理。为避免煤样接触空气氧化和水分损失，采集煤样时，专门制作加工了高压吸附罐（图6）。该吸附罐盖开有三个口，一个是进气口，用于向吸附罐内充入高纯CH4清洗煤样，另一个抽气口用于抽吸煤样混合气体，第三个是放气口，用于排气。

图6高压吸附罐实物图

保持原煤水分间接测定煤层瓦斯含量的基本步骤为：

（1）在煤巷正在掘进的新鲜煤面上打钻孔测定煤层瓦斯压力；

（2）在新鲜煤面上用电煤钻钻进采集煤样；

（3）钻取的煤粉进入双层套筛，两筛之间的煤粉粒度，符合吸附试验的标准；

（4）迅速装入瓦斯含量罐；

（5）向瓦斯含量罐反复注入瓦斯，注气、排气3-5次；

（6）当用高浓度瓦斯检定器测出清洗排出的瓦斯浓度大于98％时，停止反复注气清洗煤样的工作；

（7）将瓦斯含量罐拿到实验室，在煤层温度下做吸附含量测定；

（8）测定煤层的孔隙率；

（9）求得真实的煤层瓦斯含量。

这一做法与原有的测定计算方法比较，优点是煤样中水分与天然煤层相同，解决了因水分干扰难于准确计算的困难。

三推广应用

研制的主动式煤层瓦斯压力测定仪形成了比较成熟的系列化产品，在淮南、淮北、阳泉、潞安、开滦、郑州等矿区广泛应用。研制的卸压密闭煤芯取样器和反转密封保压取样器在淮南、淮北、郑州等矿区得到了推广应用。煤层瓦斯压力与含量快速准确测定技术与装置，将会大大提高煤矿瓦斯基础参数测试水平，节约了生产成本，提高了煤矿生产效率、安全生产水平和市场竞争力。随着煤矿开采深度的增大，高瓦斯及突出矿井会越来越多，对煤层瓦斯压力与含量测定的要求也会越来越迫切，煤层瓦斯压力与含量测定技术将会有着广阔的应用前景。

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