CN104564126A - 高抽巷布置层位的测定方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抽巷布置层位的测定方法及其装置，涉及高抽巷布置层位测定技术领域。该装置有一高压气体供气装置、从外至内设置在钻孔内的后端胶囊、前端胶囊以及注水装置；所述的前端胶囊与后端胶囊连接且两者之间用一注水管连通；高压气体供气装置的出口处设有出气管道，出气管道上依次安装有减压稳压阀、流量计以及阀门；阀门连接一气管的一端，气管的另一端穿过后端胶囊且位于后端胶囊与前端胶囊之间的钻孔内；注水装置通过水管连通后端胶囊。该方法用气体在钻孔的不同深度处向钻孔周边渗透的流量大小来反映该深度岩层的破碎情况，实现对煤层顶板裂隙带高度范围的测定，从而确定高抽巷的布置层位，为矿井的瓦斯抽采和安全生产提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及高抽巷布置层位测定技术领域，具体是一种高抽巷布置层位的测定方法及其装置，尤其适用于煤矿井下靠经验值无法确定高抽巷的合理层位时的情况。
背景技术
煤层开采后,上覆岩层从直接顶开始,由下而上都将遭受变形和破坏, 改变了岩层的原始状态, 进入开始运动和稳定运动的状态。当采空区上覆岩层运动趋于稳定后,可近似地将其划分为三带。即在采空区沿垂直方向由下而上分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。
在裂隙带布置的高抽巷具有抽采浓度大、抽采量稳定特点，特别适合高瓦斯区域瓦斯治理，抽采出的高浓度瓦斯不经过采煤及回风巷区域，安全可靠性高。但是，高抽巷的层位选择对抽采邻近层及采空区瓦斯效果的好坏，非常重要。如果走向顶板岩石高抽巷布置太低，处于冒落带（或称垮落带）范围内，在综采工作面推进后很快即能抽出瓦斯，但也很快被岩石冒落所破坏与采空区沟通，抽采瓦斯为低浓度采空区瓦斯。如果布置层位太高、工作面采过后顶板卸压瓦斯大量涌向采场空间，高抽巷截流效果差，抽采不及时，不能抽出大量较高浓度的瓦斯，不能保证工作面生产安全。
因此，通过一定的方法测定出裂隙带的高度来确定高抽巷层位布置是保证高抽巷抽放效果的关键，目前，探测岩体内结构状态、应力大小、弹性参量及其他物理性质等岩体力学指标的主要是岩体声波技术。该方法的主要优点是技术比较成熟，设备价格相对不高，对于测试的结果分析较简单；其缺点是必须保证水是充满钻孔的，才能测出准确的结果，但在实际的测定过程中，由于卸压带内有较大的孔隙和裂隙，水会沿着裂隙流出，往往使钻孔内的水不能充满钻孔，测量结果的误差会较大，操作也比较复杂。
由于回采工作面推进过后，煤层顶板岩层的渗透率与岩层所受应力的变化存在着一定的规律，单位时间内流过单位面积、单位长度岩体的流体介质流量和岩层的渗透率成正比，即岩层的渗透率越大，在单位时间内流过单位面积、单位长度岩体的流体介质流量越大。由于裂隙所受的应力及裂隙发育程度同冒落带和弯曲下沉带不同，在一定的压差条件下，单位时间内流过单位面积、单位长度岩体的流体介质流量是不相同的。通过这种规律的变化就可以测定出裂隙带的高度并最终确定高抽巷布置的合理层位。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种方法简便、准确可靠的高抽巷布置层位的测定方法及其装置，通过对不同位置的定压气体流量进行测定和分析，从而得到合适的高抽巷布置层位，为矿井的瓦斯抽采和安全生产提供依据。
本发明是以如下技术方案实现的：一种高抽巷布置层位的测定方法，利用气体在钻孔的不同深度处向钻孔周边渗透的流量大小来反映该深度岩层的破碎情况，实现对煤层顶板裂隙带高度范围的测定，从而确定高抽巷的布置层位，具体步骤如下：
（1）从回采工作面临近巷道向回采方向煤层顶板施工一个孔径为75mm、长度60m的钻孔，钻孔与平面的夹角45°～70°；
（2）向钻孔内输送连接在一起的前端胶囊和后端胶囊，前端胶囊和后端胶囊之间通过注水管连通，后端胶囊的后端连接水管和气管，将水管与注水装置相连，将气管与高压气体供气装置连接；
（3）打开注水装置，通过水管向前端胶囊和后端胶囊中注入水，使前端胶囊和后端胶囊膨胀，此时两个膨胀胶囊中间将形成长度和体积固定的封闭空间；
（4）调节好高压气体供气装置的出气流量，打开高压气体供气装置，气体通过气管进入封闭空间并向岩层中渗透，当流量数据稳定后,记录流量计数值；
（5）将前端胶囊和后端胶囊中的水回流到手压注水泵内，胶囊泄压收缩，使前端胶囊和后端胶囊向内部移动1 m；
（6）重复步骤（3）、（4）、（5）多次，得到封闭空间在所处不同位置的气体稳定渗透流量；
（7）当测定装置的前端胶囊移至钻孔底位置时，结束测定工作，将封闭空间处于不同位置所测定的气体稳定渗透量数据作图，从图中可确定高抽巷布置层位，具体如下：当封闭空间处于冒落带时，气体的流量很大；当封闭空间向深部延伸时，气体流量迅速下降，当气体流量逐渐稳定时，封闭空间所在位置即为裂隙带的下限；当气体流量随深度增加趋于零时，封闭空间所在位置即为裂隙带的上限位置；在裂隙带的下限位置和上限位置之间，即为高抽巷布置的合理层位。
一种高抽巷布置层位的测定装置，包括布置在钻孔外部的高压气体供气装置、从外至内设置在钻孔内的后端胶囊、前端胶囊以及用于向两个胶囊注水使其膨胀的注水装置；所述的前端胶囊与后端胶囊连接且两者之间用一注水管连通；所述的高压气体供气装置的出口处设有出气管道，出气管道上依次安装有减压稳压阀、流量计以及阀门；所述的阀门连接一气管的一端，气管的另一端穿过后端胶囊且位于后端胶囊与前端胶囊之间的钻孔内；所述的注水装置通过水管连通后端胶囊。
本发明的有益效果是：通过实测不同深度钻孔段的气体稳定渗透流量，进而判断该段钻孔位置是否处于煤层顶板岩层的裂隙带内，确定高抽巷的合理布置层位，为最大限度发挥高抽巷抽采瓦斯功能提供保障。利用的是气体在岩层中的稳定流量，与其破碎程度和应力状态有关，通过测定不同深度钻孔段向周围岩层的气体稳定渗透流量，考察岩层的破碎情况和所受应力状况，进而判断煤层顶板岩层裂隙带的范围，确定高抽巷的合理布置层位，并且由于测定采用的是气体介质，能够更加直接的反映高抽巷抽采时的气体流动情况，避免了采用其它介质和方法进行测定所带来的问题。该流量开始趋于稳定时封闭空间所在高度为裂隙带的起始高度，气体流量随钻孔深度增长趋于零时的封闭空间所在高度为裂隙带的结束高度，或者说是弯曲下沉带的起始高度，高抽巷布置的合理层位应布置在这两个高度之间，即裂隙带内；该方法为矿井高抽巷的层位布置提供了一种新的途径。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明工作流程图；
图3是体渗透流量随钻孔深度变化图。
图中：1、高压气体供气装置，2、减压稳压阀，3、流量计，4、阀门，5、注水装置，6、气管，7、连接杆，8、前端胶囊，9、后端胶囊，10、水管，11、连接管，12、岩层，13、封闭空间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。
如图1所示，一种高抽巷布置层位的测定装置有一布置在钻孔外部的高压气体供气装置1、从外至内设置在钻孔内的后端胶囊9、前端胶囊8以及用于两个胶囊注水使其膨胀的注水装置；所述的前端胶囊8与后端胶囊9连接且两者之间用一注水管14连通；所述的高压气体供气装置1的出口处设有出气管道，出气管道上依次安装有减压稳压阀2、流量计3以及阀门4；所述的阀门4连接一气管6的一端，气管6的另一端穿过后端胶囊9且位于后端胶囊9与前端胶囊8之间的钻孔内；所述的注水装置通过水管连通后端胶囊9。当后端胶囊9与前端胶囊8遇水膨胀后，后端胶囊9与前端胶囊8之间形成封闭空间13。
本实施例中，所述的高压气体供气装置1采用氮气瓶。所述的注水装置5采用手压注水泵。所述的后端胶囊9与前端胶囊8通过连接杆7连接。所述的后端胶囊9固定一连接管，后端胶囊9与前端胶囊8需要移动时，将推杆插入连接管中，即可推动后端胶囊9与前端胶囊8。
采用图1中的测定装置，其工作过程如图2所示，高抽巷布置层位的测定方法，利用气体在钻孔的不同深度处向钻孔周边渗透的流量大小来反映该深度岩层的破碎情况，实现对煤层顶板裂隙带高度范围的测定，从而确定高抽巷的布置层位，具体步骤如下：
（1）从回采工作面临近巷道向回采方向煤层顶板施工一个孔径为75mm、长度60m的岩石钻孔；钻孔与平面的夹角55°；
（2）向钻孔内某一位置送入由连接杆7连接在一起的前端胶囊8和后端胶囊9，在后端胶囊9的后端部连接水管10和气管6；
（3）在钻孔外部将水管10与手动注水泵相连，通过水管10向前端胶囊8和后端胶囊9中注入压力水达到3MPa（前端胶囊和后端胶囊通过注水管连接在一起），使前后两个胶囊膨胀，此时两个膨胀胶囊中间将形成长度和体积固定的封闭空间13；
（4）将气管6与阀门4、流量计3和减压稳压阀2及氮气气瓶相连。打开氮气气瓶上的阀门，调节减压稳压阀2到预先设定的压力后，打开注气管路上的阀门4，此时气瓶中的氮气将经过流量计3和气管6进入封闭空间并向岩层12中渗透，流量计3的流量数据稳定后,记录流量计数值；
（5）打开手压注水泵的阀门，前端胶囊和后端胶囊中的水将回流到手压注水泵内，胶囊泄压收缩，推动连接后端胶囊的连接管11，使前端胶囊8、连接杆7和后端胶囊9向钻孔内部移动1 m；
（6）重复步骤（3）、（4）、（5）多次，得到封闭空间13在所处不同位置的气体稳定渗透流量；
（7）当测定装置的前端胶囊8移至孔底位置时，结束测定工作，将封闭空间处于不同位置所测定的气体稳定渗透量数据作图，可以看出，当封闭空间处于冒落带时，气体的流量很大。当封孔装置向深部延伸时，气体流量迅速下降。当气体流量逐渐稳定时，封闭空间所在位置即为裂隙带的下限，当气体流量随深度增加趋于零时，封闭空间所在位置即为裂隙带的上限位置。在裂隙带的下限位置和上限位置之间，即为高抽巷布置的合理层位。
在步骤（1）完成后，立即进行步骤（2）-（7），此外钻孔的的孔径还可一根据需要设置65mm,94mm,108mm。另外，钻孔直径改变，所用胶囊的直径也应做相应改变。
从图3中可以看出，开始位置气体渗透流量比较大，呈逐步下降趋势，在30m位置气体渗透流量趋于稳定，到37m位置气体渗透流量逐渐减少并趋近于0，可以判断出裂隙带高度在30m-40m(垂直高度还要通过钻孔倾角进行换算)。
由于布置在裂隙带中的高抽巷具有流量大、浓度高和服务周期长的特点，能长时间提供稳定的瓦斯流量，服务时间和工作面回采的周期相同，是煤矿实现瓦斯综合利用的稳定瓦斯源。高抽巷的布置则是实现这一重要意义的第一步，因此确定合理的高抽巷布置层位是提高瓦斯综合利用效率的根本保障。经现场实验，对某矿井的高抽巷布置层位进行了现场测定和考察，该方法能够准确的测定出煤层顶板裂隙带的高度范围，从而确定高抽巷的合理布置层位。按照此方法确定的高抽巷布置层位施工高抽巷，在工作面回采时能够得到比较稳定的高浓度瓦斯流，对煤矿现场的瓦斯抽采工作具有重大的指导意义。
Claims (6)
1. 一种高抽巷布置层位的测定方法，其特征在于，利用气体在钻孔的不同深度处向钻孔周边渗透的流量大小来反映该深度岩层的破碎情况，实现对煤层顶板裂隙带高度范围的测定，从而确定高抽巷的布置层位，具体步骤如下：
（1）从回采工作面临近巷道向回采方向煤层顶板施工一个孔径为75mm、长度60m的钻孔，钻孔与平面的夹角45°～70°；
（2）向钻孔内输送连接在一起的前端胶囊和后端胶囊，前端胶囊和后端胶囊之间通过注水管连通，后端胶囊的后端连接水管和气管，将水管与注水装置相连，将气管与高压气体供气装置连接，
（3）打开注水装置，通过水管向前端胶囊和后端胶囊中注入水，使前端胶囊和后端胶囊膨胀，此时两个膨胀胶囊中间将形成长度和体积固定的封闭空间；
（4）调节好高压气体供气装置的出气流量，打开高压气体供气装置，气体通过气管进入封闭空间并向岩层中渗透，当流量数据稳定后,记录流量计数值；
（5）将前端胶囊和后端胶囊中的水回流到手压注水泵内，胶囊泄压收缩，使前端胶囊和后端胶囊向内部移动1 m；
（6）重复步骤（3）、（4）、（5）多次，得到封闭空间在所处不同位置的气体稳定渗透流量；
（7）当测定装置的前端胶囊移至钻孔底位置时，结束测定工作，将封闭空间处于不同位置所测定的气体稳定渗透量数据作图，从图中可确定高抽巷布置层位，具体如下：当封闭空间处于冒落带时，气体的流量很大；当封闭空间向深部延伸时，气体流量迅速下降，当气体流量逐渐稳定时，封闭空间所在位置即为裂隙带的下限；当气体流量随深度增加趋于零时，封闭空间所在位置即为裂隙带的上限位置；在裂隙带的下限位置和上限位置之间，即为高抽巷布置的合理层位。
2.一种高抽巷布置层位的测定装置，其特征在于：包括布置在钻孔外部的高压气体供气装置（1）、从外至内设置在钻孔内的后端胶囊（9）、前端胶囊（8）以及用于向两个胶囊注水使其膨胀的注水装置(5)；所述的前端胶囊（8）与后端胶囊（9）连接且两者之间用一注水管（14）连通；所述的高压气体供气装置（1）的出口处设有出气管道，出气管道上依次安装有减压稳压阀（2）、流量计（3）以及阀门（4）；所述的阀门（4）连接一气管（6）的一端，气管（6）的另一端穿过后端胶囊（9）且位于后端胶囊（9）与前端胶囊（8）之间的钻孔内；所述的注水装置通过水管连通后端胶囊（9）。
3.根据权利要求2所述的高抽巷布置层位的测定装置，其特征在于：所述的高压气体供气装置（1）采用氮气瓶。
4.根据权利要求2所述的高抽巷布置层位的测定装置，其特征在于：所述的注水装置（5）采用手压注水泵。
5.根据权利要求2所述的高抽巷布置层位的测定装置，其特征在于：所述的后端胶囊（9）与前端胶囊（8）通过连接杆连接。
6.根据权利要求2所述的高抽巷布置层位的测定装置，其特征在于：所述的后端胶囊（9）固定一连接管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150429 |