CN103089309A - 一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法及其测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在井下实际煤层中进行瓦斯膨胀能的测定，具体涉及一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法及其测定装置，属煤矿安全检测技术领域。该方法利用井下煤层瓦斯压力测定钻孔，通过快速采集测压钻孔卸压过程中的瓦斯压力与温度参数，以及利用气体流过渐缩管的特性，从而实现煤层释放瓦斯膨胀能的实测。所述测定装置包括有多个封孔胶囊，胶囊之间置有压力和温度参数采集系统。通过在井下实际煤层中进行瓦斯膨胀能的测定，其测定结果完全能够综合反映地应力、瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特征等多种因素对煤层突出危险性的影响。

Description

一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法及其测定装置

技术领域

本发明涉及一种在井下实际煤层中进行瓦斯膨胀能的测定，具体涉及一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法及其测定装置，属煤矿安全检测技术领域。

背景技术

煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯压力共同作用下，大量煤岩与瓦斯突然涌向采掘空间的一种动力现象。由于突出动力现象的发生涉及到地应力、瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特征等多种因素的综合作用，该问题还远未达到完全解决的阶段。最新的研究成果表明，发生突出的动力和能源主要来源于煤体内瓦斯在几秒钟内突然的释放膨胀做功，该能量大小决定着突出的发生和发展。

目前把瓦斯膨胀能应用于煤层突出危险性预测的相关研究，主要是在实验室进行单位质量煤样中初始释放瓦斯膨胀能的测定。但由于测定过程中煤样物理结构特性与实际煤层存在较大差异，也无法加载和分析地应力、煤层透气性等因素对测定结果的影响，因此实验室煤样中释放瓦斯膨胀能的测定结果无法真实反映实际煤层具有的瓦斯膨胀能大小。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足之处，提供一种准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法及测定装置。煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法是利用井下煤层瓦斯压力测定钻孔，通过快速采集测压钻孔卸压过程中的瓦斯压力与温度参数，以及利用气体流过渐缩管的特性，从而实现煤层释放瓦斯膨胀能的实测。由于钻孔在突然卸压时，孔壁周边煤体内瓦斯会瞬间解吸涌入至钻孔内；当瓦斯从钻孔内释放至井下大气过程中，应用气体流过渐缩管的特性，通过快速采集瓦斯释放过程中的压力和温度参数，从而计算出释放瓦斯膨胀能大小。

根据流体力学理论，渐缩管出口瓦斯流速达到声速时，钻孔内瓦斯释放流动状态称为临界状态，其临界压力为：

$p^{*}=p_0{\left(\frac{2}{n+1}\right)}^{-\frac{n}{n-1}}---\left(1\right)$

式中，p*-钻孔内瓦斯释放流动临界压力，MPa；

P₀-井下大气压力，MPa；

n-瓦斯的绝热指数。

在P_τ>p*时，钻孔内瓦斯释放流动状态为超临界状态，渐缩管出口处瓦斯流量与钻孔内瓦斯压力的关系如下：

$m=a\frac{p_{\mathrm{\τ}}F}{T_{\mathrm{\τ}}^{0.5}}---\left(2\right)$

式中，m-渐缩管出口处瓦斯质量流量，kg/s；

P_τ-任意时刻钻孔内释放瓦斯压力，Mpa；

F-渐缩管出口有效断面积，m²；

T_τ-任意时刻钻孔内释放瓦斯温度，K；

a-系数， $a={\left(\frac{n}{R}\right)}^{0.5}{\left(\frac{1}{n+1}\right)}^{\frac{n+1}{2(n-1)}};$

R-瓦斯气体常数。

若忽略渐缩管的流动阻力，则钻孔内释放瓦斯膨胀能大小即为渐缩管出口处瓦斯动能：

$W=\frac{1}{2}m{c}^2---\left(3\right)$

式中，W-任一时刻流出渐缩管出口的瓦斯动能即钻孔释放瓦斯膨胀能，j/s；

C-渐缩管出口声速， $C=\sqrt{\frac{2\mathrm{nR}{T}_{\mathrm{\τ}}}{n+1}}m/s.$

在P_τ<p*时，钻孔内瓦斯释放流动状态为亚临界状态，渐缩管出口处瓦斯流速及流量与钻孔内瓦斯压力和温度之间的关系如下：

$v={\left[\frac{2n}{n-1}R{T}_{\mathrm{\&tau;}}\right[1-{\left(\frac{p_0}{p_{\mathrm{\&tau;}}}\right)}^{\frac{n-1}{n}}\left]\right]}^{0.5}---\left(4\right)$

$m^{\&prime;}=\left[\frac{p_{\mathrm{\&tau;}}F}{{\left(R{T}_{\mathrm{\&tau;}}\right)}^{0.5}}\right]{[\frac{2n}{n-1}{\left[\right(\frac{p_0}{p_{\mathrm{\&tau;}}})}^{\frac{2}{n}}-{\left(\frac{p_0}{p_{\mathrm{\&tau;}}}\right)}^{\frac{n+1}{n}}]]}^{0.5}---\left(5\right)$

式中，v-亚临界状态下渐缩管出口处瓦斯流速，m/s；

m′-亚临界状态下渐缩管出口处瓦斯质量流量，kg/s；

则可得亚临界状态下钻孔释放瓦斯膨胀能为：

$W^{\&prime;}=\frac{1}{2}{m}^{\&prime;}{v}^2---\left(6\right)$

式中，W′-亚临界状态下任一时刻流出渐缩管出口的瓦斯动能即钻孔释放瓦斯膨胀能，j/s；

根据上式（1）～（6），可以求出任一时刻流出渐缩管出口的瓦斯动能即煤层释放瓦斯膨胀能，j/s。

本发明是以如下技术方案实现的：一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法，其特征：通过快速采集测压钻孔卸压过程中的瓦斯压力与温度参数，并将压力和温度参数采集系统带至地面，应用膨胀能计算软件进行数据处理，得出钻孔释放瓦斯任一时刻膨胀能及总膨胀能大小，将所得膨胀能大小与钻孔释放瓦斯膨胀能突出临界值进行对比，判定出煤层突出危险性程度。

一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的测定装置，其特征是：该装置包括有第一封孔胶囊，第二封孔胶囊，第三封孔胶囊，上述各封孔胶囊分别置有封孔胶囊端头；所述的第一封孔胶囊与第二封孔胶囊之间有防护外罩兼第一、二封孔胶囊连接杆；所述的第一封孔胶囊与第二封孔胶囊之间还分别置有压力和温度参数采集系统、渐缩管；所述渐缩管的一端穿过第二封孔胶囊的端头位于第二封孔胶囊的内芯管，渐缩管的一端有卸压电磁阀；高压水管、高压粘液管、瓦斯压力测定管分别贯穿于第一封孔胶囊，第二封孔胶囊，第三封孔胶囊。

所述的测定装置通过钻孔进入煤层，利用水泵，经高压水管向封孔胶囊内充入高压水将封孔胶囊膨胀起来，并利用粘液水泵，经高压粘液管向瓦斯压力测定封孔段两组胶囊之间充高压粘液来封堵钻孔壁裂隙。

本发明的优点是：采用该实测方法及测定装置在井下实际煤层中进行瓦斯膨胀能的测定，能够解决实验室测试煤样中释放瓦斯膨胀能无法真实反映实际煤层所具有的瓦斯膨胀能的问题，其测定结果完全能够综合反映地应力、瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特征等多种因素对煤层突出危险性的影响，测得的结果会更加客观准确，为准确预测煤层突出危险性提供了更为有效可靠的判定指标。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为煤层释放瓦斯膨胀能测定装置结构示意图；

图2为煤层释放瓦斯膨胀能数据采集与处理流程示意图。

图中:1、煤层，2、钻孔，3、封孔胶囊端头，4、第一封孔胶囊，5、封孔胶囊内芯管，6、压力和温度参数采集系统，7、压力传感器，8、温度传感器，9、防护外罩兼第一、二封孔胶囊连接杆，10、渐缩管，11、卸压电磁阀，12、第二封孔胶囊，13、第三封孔胶囊，14、高压水管，15、高压粘液管，16、瓦斯压力测定管。

具体实施方式

如图所示：井下选定合适地点，施工煤层瓦斯压力测定钻孔2，分别将第一封孔胶囊4、压力和温度参数采集系统6、防护外罩兼第一、二封孔胶囊连接杆9、第二封孔胶囊12、第三封孔胶囊13，安装连接好后送入钻孔预定深度；用水泵往高压水管14中注水，使三节封孔胶囊膨胀封堵好钻孔；用粘液泵往高压粘液管15中注粘液，使粘液进一步封堵第二、三封孔胶囊间钻孔壁裂隙；将瓦斯压力测定管16与压力表相连，观察煤层瓦斯压力；等待压力表读数稳定后，卸压电磁阀11自动打开，钻孔内高压瓦斯则经渐缩管排入封孔胶囊内芯管至大气，同时启动压力和温度采集系统。数据采集与处理流程如图2所示，压力传感器7和温度传感器8快速采集数据并储存于压力和温度参数采集系统6中；数据采集15秒种后可拆除钻孔2中测压封孔胶囊及所有部件；将参数采集系统6带至地面应用膨胀能计算软件，计算得出煤层钻孔释放瓦斯任一时刻膨胀及总膨胀能大小。将所得膨胀能大小与钻孔释放瓦斯膨胀能突出临界值进行对比，判定出煤层突出危险性程度。

Claims (3)

1.一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的实测方法，其特征：通过快速采集测压钻孔卸压过程中的瓦斯压力与温度参数，并将压力和温度参数采集系统带至地面，应用膨胀能计算软件进行数据处理，得出钻孔释放瓦斯任一时刻膨胀能及总膨胀能大小，将所得膨胀能大小与钻孔释放瓦斯膨胀能突出临界值进行对比，判定出煤层突出危险性程度。

2.一种用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的测定装置，其特征是：该装置包括有第一封孔胶囊（4），第二封孔胶囊（12），第三封孔胶囊（13），上述各封孔胶囊分别置有封孔胶囊端头（3）；所述的第一封孔胶囊与第二封孔胶囊之间有防护外罩兼第一、二封孔胶囊连接杆（9）；所述的第一封孔胶囊与第二封孔胶囊之间还分别置有压力和温度参数采集系统（6）、渐缩管（10）；所述渐缩管的一端穿过第二封孔胶囊（12）的端头进入第二封孔胶囊（12）的内芯管（5），渐缩管的一端有卸压电磁阀（11）；高压水管（14）、高压粘液管（15）、瓦斯压力测定管（16）分别贯穿于第一封孔胶囊，第二封孔胶囊，第三封孔胶囊。

3.根据权利要求2所述的用于准确预测煤与瓦斯突出危险性的煤层释放瓦斯膨胀能的测定装置，其特征是：所述的测定装置通过钻孔（2）进入煤层（1），利用水泵，经高压水管（14）向封孔胶囊内充入高压水将封孔胶囊膨胀起来，并利用粘液水泵，经高压粘液管（15）向瓦斯压力测定封孔段两组胶囊之间充高压粘液来封堵钻孔壁裂隙。

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