CN103147741A - 基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统和方法，该测定系统包括渗流气体管路、连接杆和连接杆上的封孔胶囊，渗流气体管路一端连接高压气源并且渗流气体管路上设有双功能流量计，所述封孔胶囊连接有流体充入机构。基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定方法是基于上述系统并通过测定单位长度钻孔气体漏失量来实现的测定方法，本发明通过测定单位长度的气体渗流室在钻孔不同深度的气体漏失量，确定煤层巷道开挖后巷旁卸压带的宽度，可为确定巷旁瓦斯抽放钻孔的封孔深度、确定采煤工作面沿倾斜方向实施防突措施的范围、突出煤层巷道的采掘部署、提高采掘工作面瓦斯涌出量预测准确度提供测定技术和方法。

Description

基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于煤层巷道开挖后沿煤层倾斜方向巷旁卸压带宽度测定技术，尤其是一种基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统和方法。

背景技术

煤层开采后的采掘空间对邻近煤体一定范围内的瓦斯赋存、运移和应力状态具有良好的卸压效果，由于巷道的开挖地应力和煤层瓦斯压力的平衡状态不断遭到破坏，煤体破裂疏松、透气能力增大、瓦斯得到排放，形成一个具有一定宽度的卸压带。测定煤层巷旁卸压带宽度，对确定巷旁瓦斯抽放钻孔的封孔深度、确定采煤工作面沿倾斜方向实施防突措施的范围、突出煤层巷道的采掘部署、提高采掘工作面瓦斯涌出量预测准确度都具有十分重要的意义。

以往的煤层巷旁卸压带宽度测定方法主要有以下几种：

（1）钻屑法：采用在巷旁施工钻孔，采集钻屑测定钻屑量及钻屑解吸指标等参数，分析并确定巷旁的卸压带宽度，但由于在钻孔深部不能实现“定点取样”，所测数据受诸多影响因素的制约，测定结果具有很大的不确定性。

（2）瓦斯含量法：采用在巷旁施工钻孔，采集钻屑测定煤层瓦斯含量等参数，同样由于不能实现“定点取样”，测定结果具有很大的不确定性。

（3）钻孔瓦斯涌出初速度法：根据钻孔瓦斯涌出初速度特征确定卸压带宽度，在卸压带内煤层透气性大大增加，在应力集中带内煤层透气性降低到原始透气性以下，由于钻孔初期瓦斯涌出量主要来源于钻孔周围的破裂带，因此，当钻孔进入应力集中带时，瓦斯涌出初速度增大，形成与应力分布曲线相似的沿钻孔长度瓦斯涌出初速度分布曲线。但是，钻孔何时进入应力集中带，目前尚无判断指标，因此该方法也有很大的局限性。

（4）瓦斯抽采参数法：根据不同封孔深度的瓦斯抽采钻孔的参数来确定卸压带的宽度，当封孔在卸压带内时，抽采钻孔的由于受贯通裂隙的影响，抽采负压和抽采浓度相对较低，但该方法需要施工多个钻孔，测定过程受其他因素影响较大，测定周期长。

国内外关于“漏失量”方面已经公开的专利文献仅有“零漏失量音速喷嘴法气体流量标准装置（专利号为200820134181.7）”，该装置是用来测定喷嘴气体流量的标准装置；关于“钻孔漏失量”和“钻孔气体漏失量”的专利文献尚未见报道。

在国内外已经广泛应用“钻孔冲洗液漏失量法”测定煤矿开采导致的上覆岩层破坏“三带”的高度，来确定上覆岩导水裂缝带高度等，为矿井的煤柱留设和水灾害的防治提供理论基础。但由于煤层的特殊性，不能采用冲洗液测定煤层巷旁的卸压带宽度，因此，依据煤层的气体渗流理论提出了基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度宽度测定系统和方法。

发明内容

本发明为了克服现有测定技术的不足，提供一种基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度宽度测定系统和方法，通过测定单位长度的气体渗流室在钻孔不同深度的气体漏失量，可以确定煤层巷道开挖后巷旁卸压带的宽度，为确定巷旁瓦斯抽放钻孔的封孔深度、确定采煤工作面沿倾斜方向实施防突措施的范围、突出煤层巷道的采掘部署、提高采掘工作面瓦斯涌出量预测准确度提供测定技术和方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，包括渗流气体管路、连接杆和设置在连接杆上的封孔胶囊，渗流气体管路一端连接高压气源并且渗流气体管路上设有双功能流量计，所述封孔胶囊连接有流体充入机构。

所述流体充入机构包括注水管路和注水管路上依次设置的液压泵、溢流阀及压力表。

基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定方法，包括如下步骤：（一）制备上述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，从煤层巷道的巷道帮上施工一顺层钻孔到一定深度，（二）利用连接杆将封孔胶囊送入钻孔内预定位置，封孔胶囊与钻孔孔底之间的腔室构成气体渗流室，将渗流气体管路的端部伸入气体渗流室内，（三）通过流体充入机构向封孔胶囊充入流体，使封孔胶囊膨胀，密封好气体渗流室，（四）将高压气源的高压气体通过渗流气体管路输送至气体渗流室，当双功能流量计的压力读数稳定时读取并记录其压力值，在恒定渗流压力下，气体渗流室内气体流场稳定后，读取并记录双功能流量计的气体流量值，（五）关闭渗流气体管路，将封孔胶囊卸压，利用连接杆将封孔胶囊从钻孔中拔出，将渗流气体管路端部从钻孔中拔出，按照原钻孔方向继续向钻孔深处钻进一定距离，到位后退出钻杆，（六）重复步骤（二）—（五），直至双功能流量计在恒定的压力读数下、不同钻孔深度的气体流量值减小至不再减小达到稳定值后，则说明钻孔已经穿过煤层巷旁卸压带。

在步骤（五）中，拔出封孔胶囊后，钻孔继续钻进距离为1.0m-1.5m。

每次钻孔钻进后测量时的高压气源的输出气体的气压值均相同，每次钻孔钻进后均留设钻孔孔底前段1m为气体渗流室。 

本发明所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统和方法，具有以下有益效果：本发明的测定系统和方法不用采集钻孔钻屑，不用采用其他测试方法确定应力集中带的位置、不用施工多个钻孔，只需在煤层巷旁施工一个钻孔，利用本发明的测定系统测定钻孔不同深度的气体漏失量，就能准确确定测点附近的巷旁卸压带宽度。

利用钻孔不同深度气体漏失量测定结果确定巷旁卸压带宽度，是基于煤层的气体渗流理论提出的，即在相同渗流室和相同渗流压力的前提下，由于钻孔不同深度卸压效果的不同，煤层应力、瓦斯压力和煤层裂隙发育都不相同。卸压带范围内由于煤层应力释放、瓦斯压力减小和形成较多的贯通裂隙，钻孔气体漏失量较大，该方法测定方法简单便利，测定过程不受其他因素影响，测定结果真实可靠。

附图说明

图1是本发明基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统的结构示意图；

图2是煤层巷道及钻孔的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

由图1所示的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，包括渗流气体管路2、连接杆1和设置在连接杆1上的封孔胶囊4，封孔胶囊4固设于连接杆1的端部，封孔胶囊4为弹性胶囊，并且封孔胶囊4连接有流体充入机构。所述流体充入机构包括注水管路9和注水管路9上依次设置的液压泵7、溢流阀8、注水管路开关阀10及压力表11，注水管路9的端口连接封孔胶囊4，其中液压泵7为手动液压泵，向封孔胶囊4充水时，液压泵7还要与水源连接，水源可以是盛水的水箱，也可以是其他水源。当然，本发明不拘泥于上述形式，流体充入机构还可以是气体充入管路，只要能将封孔胶囊4充膨胀并将气体渗流室6密封即可。

为了保证钻孔3封闭的严密，本发明采用1.5m的注水胶囊作为封孔的材料，胶囊膨胀性好、装卸方便、可以重复利用，采用手动液压泵7给封孔胶囊4加压，操作简单且可根据封孔胶囊4膨胀情况连续加压，确保钻孔3封闭良好。

渗流气体管路2前端连接高压气源12，并且渗流气体管路2上前后依次设有渗流管路开关阀13和双功能流量计14，渗流气体管路2后端端口设有滤网5，为了充分利用煤矿井下条件，高压气源12可以用盛满高压气体的高压储气罐，亦可采用采掘工作面的矿井压风管路系统，本例中，高压气源12为盛满高压气体的高压储气罐。双功能流量计14用于测定气体流量和渗透压力值，实现渗流流量和渗流压力的同时连续监测，双功能流量计14为矿井常用设备，故不详细叙述。

实施例2：

由图1和图2所示的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统压带测定方法，包括如下步骤：（一）制备实施例1所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，根据煤层15中的巷道16开挖的时间长短，根据经验预估巷道16卸压最小深度（如3m或者5m），通过钻杆（钻杆端部设置钻头）从煤层巷道16的巷道帮上施工一顺层钻孔3到一定深度（如3m或者5m），然后退出钻杆，退钻杆前应将钻孔3内的钻屑排干净，保证钻孔3平直光滑；

（二）利用连接杆1将封孔胶囊4送入钻孔3内预定位置，封孔胶囊4与钻孔3孔底之间的腔室构成气体渗流室6，气体渗流室6的留设长度为1m，将渗流气体管路2的后端端口伸入到气体渗流室6内；         

（三）连接好注水管路9，并将手动液压泵7连接水源，打开注水管路开关阀10，启动手动液压泵7，通过流体充入机构——注水管路9向封孔胶囊4充入流体——水，使封孔胶囊4膨胀，封孔胶囊4周圈与钻孔3壁紧密贴合，继而密封好气体渗流室6；

（四）将渗流气体管路2前端通过减压装置连接高压气源12，然后打开渗流管路开关阀13，将高压气源12的高压气体通过渗流气体管路2输送至气体渗流室6，当双功能流量计14的压力读数稳定时读取并记录其压力值，在恒定渗流压力下，气体渗流室6内气体流场稳定后，读取并记录双功能流量计14的气体流量值；

（五）通过关闭渗流管路开关阀13以关闭渗流气体管路2，打开溢流阀8将封孔胶囊4卸压，利用连接杆1将封孔胶囊4从钻孔3中拔出，将渗流气体管路2后端从钻孔3中拔出，按照原钻孔3方向通过钻杆继续向钻孔深处钻进一定距离，本例中，钻孔3钻进1m，钻孔3钻进到位后退出钻杆，退钻杆前应将钻孔3内的钻屑排干净，保证钻孔3平直光滑；当然，本发明不拘泥于上述形式，可根据实际情况，钻孔3继续钻进距离在1.0m-1.5m之间均可。

（六）重复步骤（二）—（五），得到不同钻孔3深度气体漏失量的数据——双功能流量计14测得的压力值与气体流量值，直至双功能流量计14在恒定的压力读数下——即在压力值稳定的前提下、不同钻孔深度的气体流量值减小至不再减小并达到稳定值后，则说明钻孔3已经穿过煤层15巷旁卸压带，并由此测定卸压带的宽度；每次钻孔钻进后测量时的高压气源12的输出气体的气压值均相同。并且为了保证渗流场不变，每次钻孔3钻进后均留设钻孔3孔底前段1m为气体渗流室6，气体渗流室6体积固定，测定时便于操作。    

本发明所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统压带测定系统和方法，双功能流量计14所测量的压力值以及气体流量值均为气体渗流室6的气体压力值和气体流量值，根据煤层15的气体渗流理论，在相同渗流室和相同渗流压力的前提下，由于钻孔3不同深度卸压效果的不同，煤层15应力、瓦斯压力和煤层15裂隙发育都不相同，在卸压带范围内由于煤层15应力释放、瓦斯压力减小和形成较多的贯通裂隙，钻孔3气体漏失量较大，此时，双功能流量计14所测量的气体压力值较小、气体流量值较大，当钻孔3穿出卸压带以后煤层15进入原始应力煤体中，钻孔3气体漏失量减少并稳定，此时，双功能流量计14所测量的气体流量值最小并稳定，由此利用测得的钻孔3不同深度气体漏失量的数据即可分析得出煤层15巷旁卸压带的宽度。

Claims (5)

1. 一种基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，其特征在于：包括渗流气体管路、连接杆和设置在连接杆上的封孔胶囊，渗流气体管路一端连接高压气源并且渗流气体管路上设有双功能流量计，所述封孔胶囊连接有流体充入机构。

2. 如权利要求1所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，其特征在于：所述流体充入机构包括注水管路和注水管路上依次设置的液压泵、溢流阀及压力表。

3. 基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定方法，其特征在于：包括如下步骤：（一）制备权利要求1所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定系统，从煤层巷道的巷道帮上施工一顺层钻孔到一定深度，（二）利用连接杆将封孔胶囊送入钻孔内预定位置，封孔胶囊与钻孔孔底之间的腔室构成气体渗流室，将渗流气体管路的端部伸入气体渗流室内，（三）通过流体充入机构向封孔胶囊充入流体，使封孔胶囊膨胀，密封好气体渗流室，（四）将高压气源的高压气体通过渗流气体管路输送至气体渗流室，当双功能流量计的压力读数稳定时读取并记录其压力值，在恒定渗流压力下，气体渗流室内气体流场稳定后，读取并记录双功能流量计的气体流量值，（五）关闭渗流气体管路，将封孔胶囊卸压，利用连接杆将封孔胶囊从钻孔中拔出，将渗流气体管路端部从钻孔中拔出，按照原钻孔方向继续向钻孔深处钻进一定距离，到位后退出钻杆，（六）重复步骤（二）—（五），直至双功能流量计在恒定的压力读数下、不同钻孔深度的气体流量值减小至不再减小达到稳定值后，则说明钻孔已经穿过煤层巷旁卸压带。

4. 如权利要求3所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定方法，其特征在于：在步骤（五）中，拔出封孔胶囊后，钻孔继续钻进距离为1.0m-1.5m。

5.如权利要求4所述的基于钻孔气体漏失量的煤层巷旁卸压带宽度测定方法，其特征在于：每次钻孔钻进后测量时的高压气源的输出气体的气压值均相同，每次钻孔钻进后均留设钻孔孔底前段1m为气体渗流室。

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