CN107560570A - 一种高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，该测试方法的步骤为：1采集高瓦斯软煤试样储性参数，2制备高瓦斯松软煤样；3模拟井下高瓦斯软煤层的状况；4使用钻孔变形模拟器形成高瓦斯软煤层的钻孔；5记录瓦斯压力对应的钻孔产渣量和钻孔变形量；6改变钻孔的直径，测试高瓦斯松软煤样钻孔变形量；7绘制钻孔变形量随钻孔直径、瓦斯含量与瓦斯压力的动态变化曲率线。本发明的优点是：真实模拟在不同孔径规格下的高瓦斯软煤钻孔，且能准确测试钻孔变形量随瓦斯含量、瓦斯压力的动态变化规律。

Description

一种高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤层钻孔的参数测试。

背景技术

井下高瓦斯软煤顺层钻孔连续排渣一直是影响软煤顺层钻孔深度的主要问题。含瓦斯软煤钻孔过程中，孔周煤体受瓦斯压力、地应力及外部荷载等作用，钻孔结构发生塑性变形，甚至破坏。钻孔变形产生的大量煤渣聚集于孔内不同位置，引起软煤顺层钻孔排渣受阻，钻孔深度受到限制。

只要能够测试高瓦斯软煤顺层钻孔产渣量及孔内残余煤渣量，就能准确掌握软煤钻孔过程中孔内产渣规律和钻孔变形量，获得井下高瓦斯软煤顺层深孔钻进技术参数，实现高瓦斯软煤顺层深孔成孔。

中国专利文献CN104535422A于2015年4月22日公开了一种模拟测试钻孔变形的装置及方法，该装置包括内设煤岩体相似材料的模拟箱、设在模拟箱上的上压板，模拟箱的前后侧板上对称开有一圆孔，前后侧板上的圆孔经钻孔模具连通，形成模拟钻孔环境，在模拟钻孔内设置连有导压管的胶囊压力感应器，导压管的外露端经三通分别连有单向阀和压力表；该测试钻孔变形方法是将胶囊压力感应器送入箱体内的钻孔中，对钻孔施加应力，同步记录钻孔形变和压力表读数，得到压力与钻孔形变关系。该专利存在的问题有：

1、该专利中采用的煤岩体相似材料为沙子、石膏、水泥和水，建造的钻孔孔周强度较高，导致测试的精度低；

2、该专利中测试方法只能测试未含瓦斯煤岩体钻孔变形，未含瓦斯煤岩体强度高于高瓦斯松软煤层强度，其钻孔变形敏感性远低于含高瓦斯松软煤层相似煤层，不能实现含高瓦斯松软煤体钻孔缩径变形测试，测试结果不具备典型含瓦斯煤层钻孔变形共性；

3、该专利中无法测试不同瓦斯含量、瓦斯压力情况下钻孔变形量，只能定性测量垂直应力作用下的钻孔变形，而实际情况下煤层垂直应力几乎没变，煤层主要受瓦斯压力、地应力及采动应力作用，该专利方法的测试结果没有应用价值；

4、该专利采用钻孔上贴标尺的方法测试钻孔变形，标尺读数受钻孔变形影响非常大，而煤岩体微小的变形是不能用该专利方法测试得出的。同时，实际的钻孔并非壁面非常光滑，可能存在大小不一的裂隙与坑槽，其所采用的观察标尺法不能准确测试钻孔变形；

5、该专利测试方法需要使用胶囊压力传感器，且钻孔变形量是由胶囊压力演算得来，增加测试程序与装置结构的复杂度。

发明内容

针对现有模拟测试钻孔变形测试存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，它能够真实模拟在不同孔径规格下的高瓦斯软煤钻孔，且能准确测试钻孔变形量随瓦斯含量、瓦斯压力的动态变化规律。

为了解决上述技术问题，本发明提供的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，所用的测试装置包括反应器、钻孔变形模拟器、蓄水控制调节装置、排水测量装置和围压控制调节装置；

所述反应器包括反应器箱体、安全泄压阀和真空泵，反应器箱体为填充有松软煤体的气密性箱体，反应器箱体内部通过管道连接安全泄压阀和真空泵；

所述钻孔变形模拟器埋于反应器箱体内的松软煤体中，包括钻孔保护膜、钻孔定型器和转接头；钻孔保护膜为圆柱形高强塑料膜，钻孔保护膜内部封套有钻孔定型器，钻孔保护膜开口的一端与转接头密封连接，转接头固定于反应器箱体侧壁上用于连通外部装置；

所述蓄水控制调节装置包括蓄水器、增压泵和第一单向控制阀；蓄水器经由增压泵，并通过第一单向控制阀连通钻孔保护膜；

所述排水测量装置包括第二单向控制阀和液体定量收集罐，液体定量收集罐通过第二单向控制阀连通钻孔变形模拟器内的钻孔保护膜；

所述围压控制调节装置包括高压瓦斯储气罐、压力调节安全球阀、压力表和高压管路，高压瓦斯储气罐由高压管路接通反应器箱体内部，在高压管路上沿气体流向依次装有压力调节安全球阀和压力表；

测试过程包括以下步骤：

步骤1、采集高瓦斯软煤试样储性参数，包括煤体强度、瓦斯含量、瓦斯压力；

步骤2、依据高瓦斯松软煤样的煤体强度，制备高瓦斯松软煤样；

步骤3、依据高瓦斯软煤试样的瓦斯含量和瓦斯压力，模拟井下高瓦斯软煤层的状况；

步骤4、使用钻孔变形模拟器形成高瓦斯软煤层的钻孔；

步骤5、用围压控制调节装置增加瓦斯压力，记录瓦斯压力对应的钻孔产渣量和钻孔变形量。

进一步，本发明的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，还包括以下步骤：

步骤6、改变钻孔的直径，重复上述步骤2至步骤5，测试高瓦斯松软煤样钻孔变形量；

步骤7、绘制钻孔变形量随钻孔直径、瓦斯含量与瓦斯压力的动态变化曲率线。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

1、采用松软复杂煤层矿区煤体制作含高瓦斯松软煤层相似煤层，相似煤层与井下真实煤层物理力学属性更相近，能精确测试松软煤层钻孔变形特性；

2、采用了含高瓦斯松软煤层相似煤层，更加真实地模拟了井下含瓦斯煤层钻孔变形特性规律；

3、考虑了瓦斯含量、瓦斯压力等与煤层实际受载相同或相近的情况，测试结果更可靠；

4、采用钻孔变形模拟器体积变化测试钻孔变形，能够测试出钻孔微小体积变形，且测试方法更精确，操作更简单；

5、避免了现有技术通过胶囊压力演算得到钻孔变形量，根据钻孔变形模拟器内流体体积的变化直接确定钻孔变形量，测试手段简便、测试精度高。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明使用的测试装置结构示意图；

图2为图1中的反应器的剖示图；

图3为转接头的结构组件图；

图4为转接头与反应器箱体组合的结构图。

图中：1.高压瓦斯储气罐；2.压力调节安全球阀；3.压力表；4. 高压管路；5.第一单向控制阀；6.增压泵；7.蓄水器；8.反应器箱体；9. 钻孔保护膜；10.第二单向控制阀；11.液体定量收集罐；12.钻孔定型器；13.安全卸压阀；14. 真空泵；15.流体；16.高压瓦斯；17.松软煤体；20.转接头；21.转接头本体；22.密封盖；23.锁紧螺母；24.第一密封接头；25.第二密封接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的构思是：采用钻孔内流体体积变化作为钻孔变形的测量数据，通过制备含高瓦斯松软煤体试样后顺层钻孔，以形成具有一定深度与直径的高瓦斯松软煤体钻孔，根据高瓦斯软煤试样在外部荷载作用下的变形量大小，获得高瓦斯松软煤体钻孔变形、产渣量随松软煤体瓦斯含量与瓦斯压力的动态变化规律。

本发明使用的测试装置如图1和图2所示：包括反应器、钻孔变形模拟器、蓄水控制调节装置、排水测量装置和围压控制调节装置；

所述反应器包括反应器箱体8、安全泄压阀13和真空泵14，反应器箱体8为填充有松软煤体17的气密性箱体，反应器箱体8内部通过管道连接安全泄压阀13和真空泵14；真空泵14用于在制备含瓦斯煤样前将反应器箱体8内抽真空；安全泄压阀13用于在反应器箱体8内压力高于限值时完成卸压，保证实验安全。反应器设有可视窗口，其容积为1立方米，制备的含瓦斯松软煤体17的体积有1m×1m×1m。

所述钻孔变形模拟器埋于反应器箱体8内的松软煤体17中，包括钻孔保护膜9、钻孔定型器12和转接头20；钻孔保护膜9为圆柱形高强塑料膜，钻孔保护膜9内部封套有钻孔定型器12，钻孔保护膜开口的一端与转接头20密封连接，转接头20固定于反应器箱体8侧壁上用于连通外部装置；

钻孔保护膜9为高强塑料薄膜，如线性低密度聚乙烯塑料（LLDPE），能够承受一定的静压力。钻孔定型器12为与钻孔保护膜9直径规格相配的金属棒，在反应器箱体8内填充有松软煤体17时，钻孔定型器起支撑作用。

如图3所示，转接头20包括转接头本体21、密封盖22和锁紧螺母23；转接头本体21为有翻边底座的圆筒，锁紧螺母23螺纹套在转接头本体21外围，转接头本体21前部装有第一密封接头24，密封盖22螺纹套装在转接头本体21前端中心孔内，密封盖22上装有第二密封接头25。

如图4所示，转接头20固定于反应器箱体8侧壁上，用锁紧螺母23压紧，在转接头20与反应器箱体8内壁之间、锁紧螺母23与反应器箱体8外壁之间垫有密封圈。反应器箱体8内松软煤体17填充完成后，从转接头20上中心通道抽出钻孔定型器12，封盖密封盖22，利用蓄水控制调节装置从第一密封接头24向钻孔保护膜9充满流体15，形成模拟钻孔。在瓦斯含量和瓦斯压力作用下，钻孔变形量通过第二密封接头25连通排水测量装置进行测量。

所述蓄水控制调节装置包括蓄水器7、增压泵6和第一单向控制阀5；蓄水器7经由增压泵6，并通过第一单向控制阀5连通钻孔保护膜9；

在反应器制备含瓦斯煤体以后，将蓄水器7内的流体经增压泵6与第一单向控制阀5后泵入钻孔变形模拟器内；启动增压泵6增加反应器的内压力，反应器内钻孔保护膜9受荷载作用发生变形，

钻孔变形模拟器内的钻孔保护膜9由蓄水控制调节装置控制泵入液量，设定第一单向控制阀5的安全压力为5MPa，通过增压泵6将蓄水器7内的流体15泵入钻孔保护膜9内，当泵压增高时，表明钻孔保护膜9被液体充满。第一单向控制阀5保证钻孔变形模拟器内的液体不会回流至蓄水器7内，且钻孔变形模拟器能够保持一定压力，以避免钻孔保护膜9在未受外载时发生变形。

所述排水测量装置包括第二单向控制阀10和液体定量收集罐11，液体定量收集罐11通过第二单向控制阀10连通钻孔变形模拟器内的钻孔保护膜9；

钻孔保护膜9受外载作用（瓦斯含量或压力改变）后发生变形，钻孔保护膜9内的液体经单向控制阀10排至液体定量收集罐11内。

液体定量收集罐11为带刻度容器，且有密封保压功能，它测试排至收集罐内液体体积，即获得高瓦斯软煤钻孔变形量。

所述围压控制调节装置包括高压瓦斯储气罐1、压力调节安全球阀2、压力表3和高压管路4，高压瓦斯储气罐1由高压管路4接通反应器箱体8内部，在高压管路4上沿气体流向依次装有压力调节安全球阀2和压力表3。

反应器内的瓦斯含量与瓦斯压力由围压控制调节装置控制，高压瓦斯储气罐内瓦斯初始压力为10MPa，在含瓦斯松软煤体试制过程中，反应器内压力变化由压力表3实现实时动态监视。

上述的测试装置用于高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的动态测试，其测试过程包括以下步骤：

步骤1、采集高瓦斯软煤试样储性参数，包括煤体强度、瓦斯含量、瓦斯压力；

本处的高瓦斯软煤试样采用松藻矿区典型含高瓦斯软煤，试样储性参数为已知参数，矿区开采前期已经测试完成，并有相关数据记录。

步骤2、依据高瓦斯松软煤样的煤体强度，制备高瓦斯松软煤样；

把煤样分层装入反应器箱体8中，并逐层夯实加压至反应器箱体高度的一半，然后将钻孔定型器12套入钻孔保护膜9中，水平将其放置于煤层试样表面，并封闭钻孔保护膜，继续分层充填松软煤样并夯实，直至反应器箱体8被填满煤样，封闭反应器箱体8的盖板，使用真空泵14将反应器箱体8抽真空。

步骤3、依据高瓦斯软煤试样的瓦斯含量和瓦斯压力，模拟井下高瓦斯软煤层的状况；

用高压瓦斯储气罐1、压力调节安全球阀2以及高压管路4向制备的高瓦斯松软煤样内充气，保持反应器箱体8内压力为10MPa，待压力表3读数开始下降时，表明松软煤样正处于吸附过程，静置120h后停止瓦斯输入，测试反应器箱体内松软煤样瓦斯含量（4m³/t～12m³/t），此时压力表3读数即为松软煤样瓦斯压力。

步骤4、使用钻孔变形模拟器形成高瓦斯软煤层的钻孔；

通过转接头20上中心通道取出钻孔定型器12，取出钻孔定型器后立即拧紧转接头的密封盖22，采用增压泵6、第一单向控制阀5与高压管路将蓄水器7内的清水泵入钻孔保护膜9中，保持泵入压力5MPa，待增压泵6压力升高时，表明钻孔保护膜9被清水完全填充，关闭增压泵6及钻孔保护膜9。

步骤5、用围压控制调节装置增加瓦斯压力，记录瓦斯压力对应的钻孔产渣量和钻孔变形量；

关闭第二单向控制阀10，打开压力调节安全球阀2缓慢增加高反应器内压力，并记录压力表3的实时数值与动态变化，保持反应器箱体8内一定压力后，再开启第二单向控制阀10，测量排至收集罐11内流体体积即得钻孔产渣量。如图2所示，在松软煤体17的缝隙间充满有高压瓦斯16。

钻孔保护膜9内流体受外部荷载作用后发生变形，将流体排出至液体定量收集罐11之中，记录下排出流体体积。根据体积不变原理，高瓦斯松软煤层钻孔产渣量与钻孔保护膜内被排出液体体积相同。

液体定量收集罐11为带刻度容器，由液体定量收集罐11测得流体体积，流体体积等于钻孔产渣量，钻孔变形量定义为钻孔产渣量与钻孔变形模拟器体积的比值。比值越大，高瓦斯松软煤体钻孔变形越严重，钻孔中的高瓦斯煤渣也越多。

另外，在上述测试方法的基础上，后续接以下步骤：

步骤6、改变钻孔的直径，重复上述步骤2至步骤5，测试高瓦斯松软煤样钻孔变形量；

步骤7、绘制钻孔变形量随钻孔直径、瓦斯含量与瓦斯压力的动态变化曲率线。

对高瓦斯软煤顺层钻孔产渣量和钻孔变形量进行分析，获得高瓦斯松软煤体不同直径钻孔产渣量和钻孔变形量随瓦斯压力、瓦斯含量的动态变化规律。

通过以上步骤的测试，能够制定出高瓦斯松软煤层钻孔产渣量和钻孔变形动态测试流程标准。

Claims (7)

1.一种高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，所用的测试装置包括反应器、钻孔变形模拟器、蓄水控制调节装置、排水测量装置和围压控制调节装置，所述的反应器包括反应器箱体（8）、安全泄压阀（13）和真空泵（14），反应器箱体（8）为填充有松软煤体（17）的气密性箱体，反应器箱体（8）内部通过管道连接安全泄压阀（13）和真空泵（14）；

所述的钻孔变形模拟器埋于反应器箱体（8）内的松软煤体（17）中，包括钻孔保护膜（9）、钻孔定型器（12）和转接头（20）；钻孔保护膜（9）为圆柱形高强塑料膜，钻孔保护膜（9）内部封套有钻孔定型器（12），钻孔保护膜开口的一端与转接头（20）密封连接，转接头（20）固定于反应器箱体（8）侧壁上用于连通外部装置；

所述的蓄水控制调节装置包括蓄水器（7）、增压泵（6）和第一单向控制阀（5），蓄水器（7）经由增压泵（6），并通过第一单向控制阀（5）连通钻孔保护膜（9）；

所述排水测量装置包括第二单向控制阀（10）和液体定量收集罐（11），液体定量收集罐（11）通过第二单向控制阀（10）连通钻孔变形模拟器内的钻孔保护膜（9）；

所述的围压控制调节装置包括高压瓦斯储气罐（1）、压力调节安全球阀（2）、压力表（3）和高压管路（4），高压瓦斯储气罐（1）由高压管路（4）接通反应器箱体（8）内部，在高压管路（4）上沿气体流向依次装有压力调节安全球阀（2）和压力表（3）；

测试过程包括以下步骤：

步骤1、采集高瓦斯软煤试样储性参数，包括煤体强度、瓦斯含量、瓦斯压力；

步骤2、依据高瓦斯松软煤样的煤体强度，制备高瓦斯松软煤样；

步骤3、依据高瓦斯软煤试样的瓦斯含量和瓦斯压力，模拟井下高瓦斯软煤层的状况；

步骤4、使用钻孔变形模拟器形成高瓦斯软煤层的钻孔；

步骤5、用围压控制调节装置增加瓦斯压力，记录瓦斯压力对应的钻孔产渣量和钻孔变形量。

2.根据权利要求2所述高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，还包括以下步骤：

步骤6、改变钻孔的直径，重复上述步骤2至步骤5，测试高瓦斯松软煤样钻孔变形量；

步骤7、绘制钻孔变形量随钻孔直径、瓦斯含量与瓦斯压力的动态变化曲率线。

3.根据权利要求1或2所述的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，在步骤2中，所述制备高瓦斯松软煤样为：

把煤样分层装入反应器箱体（8）中，并逐层夯实加压至反应器箱体高度的一半，然后将钻孔定型器（12）套入钻孔保护膜（9）中，水平将其放置于煤层试样表面，并封闭钻孔保护膜，继续分层充填松软煤样并夯实，直至反应器箱体（8）被填满煤样，封闭反应器箱体（8）的盖板，使用真空泵（14）将反应器箱体（8）抽真空。

4.根据权利要求3所述的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，在步骤3中，所述模拟井下高瓦斯软煤层的状况为：

用高压瓦斯储气罐（1）、压力调节安全球阀（2）以及高压管路（4）向制备的高瓦斯松软煤样内充气，保持反应器箱体（8）内压力为10MPa，待压力表（3）读数开始下降时，表明松软煤样正处于吸附过程，静置120h后停止瓦斯输入，测试反应器箱体内松软煤样瓦斯含量，此时压力表（3）读数即为松软煤样瓦斯压力。

5.根据权利要求4所述的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，在步骤4中，所述使用钻孔变形模拟器形成高瓦斯软煤层的钻孔为：

取出钻孔定型器（12），采用增压泵（6）、第一单向控制阀（5）与高压管路将蓄水器（7）内的清水泵入钻孔保护膜（9）中，保持泵入压力5MPa，待增压泵（6）压力升高时，表明钻孔保护膜（9）被清水完全填充，关闭增压泵（6）及钻孔保护膜（9）。

6.根据权利要求5所述的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，在步骤5中，所述的瓦斯压力对应的钻孔产渣量为：

关闭第二单向控制阀（10），打开压力调节安全球阀（2）缓慢增加高反应器内压力，并记录压力表（3）的实时数值与动态变化，保持反应器箱体（8）内一定压力后，再开启第二单向控制阀（10），测量排至收集罐（11）内流体体积即得钻孔产渣量。

7.根据权利要求6所述的高瓦斯软煤钻孔产渣量和钻孔变形的测试方法，其特征是，在步骤5中，所述钻孔变形量为钻孔产渣量与钻孔变形模拟器体积的比值。