CN107795315A - 煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置及其煤层瓦斯压力测定方法 - Google Patents
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Abstract
煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，包括封闭水箱（4）、测压管（14）、三通管（9）和测压表（8），在封闭水箱（4）的顶部设有水气进管（3）和出水管（5），水气进管（3）的下端与封闭水箱（4）的顶壁密封连接，在水气进管（3）上设有阀门Ⅰ（2），三通管（9）的下端直通口与测压管（14）密封连接，测压表（8）连接在三通管（9）的上端直通口上，三通管（9）的旁通口与水气进管（3）连通，出水管（5）与封闭水箱（4）的顶壁密封连接且出水管（5）的下端伸进封闭水箱（4）内，在出水管（5）的上端连接有阀门Ⅱ（6）。与现有技术相比，本发明剔除了水压的影响，测定的煤层瓦斯压力较为准确。
Description
技术领域
本发明设计一种煤层瓦斯压力测定装置及其煤层瓦斯压力测定方法。
背景技术
按照《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》的规定，煤层瓦斯压力是判定煤层是否具有突出危险性的重要防突指标之一，在揭煤过程中全程需要重点关注。
但是当煤层或煤层顶板含承压水时，测压钻孔测定的压力值为煤层瓦斯压力和承压水的综合压力值，无法准确区分出瓦斯压力和水头压力。
由于煤岩层含有水，测压管中充满了水，水压过大时有可能损坏压力表，并且煤层瓦斯压力无法准确测定，所施工钻孔只能作废。在井下，测压钻孔的成本是非常高的，一旦某个钻孔作废而无法测出该处煤层瓦斯压力，不仅浪费了大量人力、财力、时间等，更重要的是给瓦斯治理工作带来困难。
围绕煤层瓦斯测压过程中出现水压的问题，许多学者及专家在最近几年得出了几种方法，具体分析如下：
1.通过测压管的流量，运用伯努利方程结合模拟实验间接计算煤层瓦斯压力：此方法误差较大，只是模拟数据而没有经过实际应用检验，对现场工作只能起指导作用。
2.深孔一次注水泥浆封孔：该工艺适用于岩壁裂隙较不发育、出水点少且位置距孔口比较浅的测压钻孔；同时，由于受测算注浆量精度及水泥与水比例的影响，准确封堵渗水裂隙比较困难。
3.全孔注浆——二次扫孔——注浆封孔：该工艺适用于岩壁裂隙不太发育但围岩出水点较多的测压钻孔，但由于第一次注浆封堵渗水裂隙的有效作用范围有限且不易确定，而且重新开孔轴心与原孔轴心经常存在一定的偏离，孔越深偏离量越大，如果渗水裂隙距离孔口较深，则二次孔往往偏离出原孔的注浆封堵有效半径之外，从而导致封孔堵水失败。
测定煤层原始瓦斯压力要求测定点附近无特殊的地质构造，所测煤层具有代表性。此种情况下，测压钻孔所遇到的地层水大多数都属裂隙水。在有水的情况下测定出的压力数值，实际上是地层水与煤层瓦斯的平衡压力，不是任何情况下都可作为煤层瓦斯压力。如果煤层水或含水岩层在原始条件下已与煤层相通，这时测定出的瓦斯压力是水与瓦斯的平衡压力；如果煤层与含水岩层之间有良好的隔水层，施工测压钻孔形成的通路使得水压与瓦斯压力形成的小范围平衡不是原始的平衡力，需要采取相应的剔除水压的有效措施进行煤层瓦斯压力测定。因此，设计一种气水分离测定煤层瓦斯压力装置及其使用方法，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种气水分离测定煤层瓦斯压力装置及其使用方法。
本发明解决其技术问题的装置技术方案是：
煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，包括封闭水箱、测压管、三通管和测压表，在封闭水箱的顶部设有水气进管和出水管，水气进管的下端与封闭水箱的顶壁密封连接，在水气进管上设有阀门Ⅰ，三通管的下端直通口与测压管密封连接，测压表连接在三通管的上端直通口上，三通管的旁通口与水气进管连通，出水管与封闭水箱的顶壁密封连接且出水管的下端伸进封闭水箱内，在出水管的上端连接有阀门Ⅱ。
作为本发明的一种优选方案，在三通管的旁通口上设有阀门Ⅲ，在阀门Ⅲ的出口上设有小铜嘴，水气进管通过软管与阀门Ⅲ出口上的小铜嘴连接，在三通管的下直通口上安装有阀门Ⅳ，阀门Ⅳ进口通过直管与测压管连通。
作为本发明的一种优选方案，在测压管的上端有法兰Ⅰ，在直管的下端有法兰Ⅱ，测压管和直管通过法兰Ⅰ和法兰Ⅱ用螺栓螺母连接，在法兰Ⅰ和法兰Ⅱ之间设有胶垫。
作为本发明的一种优选方案，所述的测压管为￠108mm的无缝钢管，测压管的上端的法兰Ⅰ现场安装。
作为本发明的一种优选方案，所述的闭水箱为长方体，长方体的长为500mm，宽为500mm，高位800mm；制作闭水箱的材料为亚克力板。
本发明解决其技术问题的方法技术方案是：
煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定方法，其步骤为：分为测压钻孔钻进步骤、压力测定步骤及计算步骤，其中测压钻孔钻进步骤为：
①立井井筒掘进至距煤层顶板法向距离10m前，打4个穿透煤层全厚且进入煤层底板不少于0.5m的测压钻孔；钻孔开孔直径133mm，在距进入煤层0.5m时停止钻进，埋设∮108mm的无缝钢管并在无缝钢管的上端安装法兰盘作为测压管，继续进行钻孔；使测压管的下端直达孔底，管的上端超出立井井筒工作面底板0.5m，在测压管周围环形空间注浆封堵，
②换用∮94mm钻头，继续钻进，直至穿透煤层底板0.5m；
③下入长胶管直达孔底，在孔口通压风，将打钻时用水吹出钻孔；
④安装压力表、阀门Ⅲ及阀门Ⅳ，开始测压，每天进行一次读数；将观测结果绘制在以时间（d）为横坐标、瓦斯压力（Mpa）为纵坐标的坐标图上；当观测时间达20～30d，瓦斯压力变化在3d内小于0.015 Mpa，测压工作即可结束，否则，应延长测压时间；
⑤当符合上述求后，用软管将水气进管与阀门Ⅲ上的小铜嘴连接；
压力测定步骤为：
①首先将封闭水箱注满水，②将水气进管连接到测压孔控水阀门上，③打开阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，④读取测压管上压力表数据P并记录在册，⑤打开测压管控水阀门，⑥打开测压孔控水阀门让测压管内的水气混合体进入封闭水箱内，水气混合体中的瓦斯气体留在封闭水箱的箱内顶部，排出同体积的水，收集从出水管排出的水，⑦关闭阀门Ⅰ，用量器测量从出水管排出的水的量V1；
煤层瓦斯压力的计算步骤为：
压力表读表：P P+0.1=f（P2、P3）
静压水压力：P3
真实瓦斯压力：P2
若无静压水，则瓦斯会充满整个测压空间（体积为V2），此时压力表读数压力P即为真实瓦斯压力P2；
若有静压水，使用标准气体状态方程计算真实瓦斯压力P2的方法：
①将铜嘴打开使用解吸测量环境环境压力下积存的瓦斯体积V1，通过观测气水分离装置密封箱刻度尺标识的气体积存高度计算求得；
②使用温度计测量环境温度T1，管内温度T2，使用空盒气压计测量环境大气压力P1，根据钻孔孔径、长度和连接管内径、长度计算测压钻孔内体积V2；
③采用标准气体状态方程，即可计算出测压孔无水情况下的真实瓦斯压力。
P2=（P1*V1*T2）/（T1*V2）。
本装置通过气水体积置换和装置内外压力平衡原理，可根据公式近似计算出准确的煤层瓦斯压力。
注意事项
1.气水分离装置的箱体必须密封严实，不漏气；
2.各管路与箱体连接处必须使用密封胶粘接牢靠，保证不漏气；
3.水气分离测压时，必须有专人观测压力表变化情况，准确测定压力从最大值降至零的时间，并在压力值为零时关闭进水阀门；
4.关闭进水阀门后，必须等待密封箱体内外压力平衡后（即出水阀门不再流水），关闭出水阀门；
5.使用本装置前必须测定出井上、下的大气气压值。
与现有技术相比，本发明剔除了水压的影响，测定的煤层瓦斯压力较为准确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的测压管布置示意图。
具体实施方式
煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，包括封闭水箱4、测压管14、三通管9和测压表8，在封闭水箱4的顶部设有水气进管3和出水管5，水气进管3的下端与封闭水箱4的顶壁密封连接，在水气进管3上设有阀门Ⅰ2，三通管9的下端直通口与测压管14密封连接，测压表8连接在三通管9的上端直通口上，三通管9的旁通口与水气进管3连通，出水管5与封闭水箱4的顶壁密封连接且出水管5的下端伸进封闭水箱4内，在出水管5的上端连接有阀门Ⅱ6。
在三通管9的旁通口上设有阀门Ⅲ7，在阀门Ⅲ7的出口上设有小铜嘴，水气进管3通过软管1与阀门Ⅲ7出口上的小铜嘴连接，在三通管9的下直通口上安装有阀门Ⅳ10，阀门Ⅳ10进口通过直管与测压管14连通。
在测压管14的上端有法兰Ⅰ13，在直管的下端有法兰Ⅱ12，测压管14和直管通过法兰Ⅰ13和法兰Ⅱ12用螺栓螺母连接，在法兰Ⅰ13和法兰Ⅱ12之间设有胶垫11。
所述的测压管14为￠108mm的无缝钢管，测压管14的上端的法兰Ⅰ13现场安装。
所述的闭水箱4为长方体，长方体的长为500mm，宽为500mm，高位800mm；制作闭水箱4的材料为亚克力板。
煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定方法，其步骤为：分为测压钻孔钻进步骤、压力测定步骤及计算步骤，其中测压钻孔钻进步骤为：
①立井井筒掘进至距煤层顶板法向距离10m前，打4个穿透煤层全厚且进入煤层底板不少于0.5m的测压钻孔；钻孔开孔直径133mm，在距进入煤层0.5m时停止钻进，埋设∮108mm的无缝钢管并在无缝钢管的上端安装法兰盘13作为测压管14，继续进行钻孔；使测压管14的下端直达孔底，管的上端超出立井井筒工作面底板0.5m，在测压管14周围环形空间注浆封堵，
②换用∮94mm钻头，继续钻进，直至穿透煤层底板0.5m；
③下入长胶管直达孔底，在孔口通压风，将打钻时用水吹出钻孔；
④安装压力表8、阀门Ⅲ7及阀门Ⅳ10，开始测压，每天进行一次读数；将观测结果绘制在以时间d为横坐标、瓦斯压力Mpa为纵坐标的坐标图上；当观测时间达20～30d，瓦斯压力变化在3d内小于0.015 Mpa，测压工作即可结束，否则，应延长测压时间；
⑤当符合上述求后，用软管1将水气进管3与阀门Ⅲ7上的小铜嘴连接；
压力测定步骤为：
①首先将封闭水箱4注满水，②将水气进管3连接到测压孔控水阀门1上，③打开阀门Ⅰ2和阀门Ⅱ6，④读取测压管上压力表数据P并记录在册，⑤打开测压管控水阀门，⑥打开测压孔控水阀门1让测压管内的水气混合体进入封闭水箱4内，水气混合体中的瓦斯气体留在封闭水箱4的箱内顶部，排出同体积的水，收集从出水管5排出的水，⑦关闭阀门Ⅰ2，用量器测量从出水管5排出的水的量V1；
煤层瓦斯压力的计算步骤为：
压力表读表：P P+0.1=f（P2、P3）
静压水压力：P3
真实瓦斯压力：P2
若无静压水，则瓦斯会充满整个测压空间，体积为V2，此时压力表读数压力P即为真实瓦斯压力P2；
若有静压水，使用标准气体状态方程计算真实瓦斯压力P2的方法：
①将铜嘴打开使用解吸测量环境环境压力下积存的瓦斯体积V1，通过观测气水分离装置密封箱刻度尺标识的气体积存高度计算求得；
②使用温度计测量环境温度T1，管内温度T2，使用空盒气压计测量环境大气压力P1，根据钻孔孔径、长度和连接管内径、长度计算测压钻孔内体积V2；
③采用标准气体状态方程，即可计算出测压孔无水情况下的真实瓦斯压力。
P2=（P1*V1*T2）/（T1*V2）。
Claims (6)
1.煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，包括封闭水箱（4）、测压管（14）、三通管（9）和测压表（8），在封闭水箱（4）的顶部设有水气进管（3）和出水管（5），其特征在于，水气进管（3）的下端与封闭水箱（4）的顶壁密封连接，在水气进管（3）上设有阀门Ⅰ（2），三通管（9）的下端直通口与测压管（14）密封连接，测压表（8）连接在三通管（9）的上端直通口上，三通管（9）的旁通口与水气进管（3）连通，出水管（5）与封闭水箱（4）的顶壁密封连接且出水管（5）的下端伸进封闭水箱（4）内，在出水管（5）的上端连接有阀门Ⅱ（6）。
2.根据权利要求1所述的煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，在三通管（9）的旁通口上设有阀门Ⅲ（7），在阀门Ⅲ（7）的出口上设有小铜嘴，水气进管（3）通过软管（1）与阀门Ⅲ（7）出口上的小铜嘴连接，在三通管（9）的下直通口上安装有阀门Ⅳ（10），阀门Ⅳ（10）进口通过直管与测压管（14）连通。
3.根据权利要求2所述的煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，在测压管（14）的上端有法兰Ⅰ（13），在直管的下端有法兰Ⅱ（12），测压管（14）和直管通过法兰Ⅰ（13）和法兰Ⅱ（12）用螺栓螺母连接，在法兰Ⅰ（13）和法兰Ⅱ（12）之间设有胶垫（11）。
4.根据权利要求3所述的煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，所述的测压管（14）为￠108mm的无缝钢管，测压管（14）的上端的法兰Ⅰ（13）现场安装。
5.根据权利要求3所述的煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，所述的闭水箱（4）为长方体，长方体的长为500mm，宽为500mm，高位800mm；制作闭水箱（4）的材料为亚克力板。
6.煤矿立井井筒水压参与下的煤层瓦斯压力测定方法，其特征在于，其步骤为：分为测压钻孔钻进步骤、压力测定步骤及计算步骤，其中测压钻孔钻进步骤为：
①立井井筒掘进至距煤层顶板法向距离10m前，打4个穿透煤层全厚且进入煤层底板不少于0.5m的测压钻孔；钻孔开孔直径133mm，在距进入煤层0.5m时停止钻进，埋设∮108mm的无缝钢管并在无缝钢管的上端安装法兰盘（13）作为测压管（14），继续进行钻孔；使测压管（14）的下端直达孔底，管的上端超出立井井筒工作面底板0.5m，在测压管（14）周围环形空间注浆封堵，
②换用∮94mm钻头，继续钻进，直至穿透煤层底板0.5m；
③下入长胶管直达孔底，在孔口通压风，将打钻时用水吹出钻孔；
④安装压力表（8）、阀门Ⅲ（7）及阀门Ⅳ（10），开始测压，每天进行一次读数；将观测结果绘制在以时间d为横坐标、瓦斯压力Mpa为纵坐标的坐标图上；当观测时间达20～30d，瓦斯压力变化在3d内小于0.015 Mpa，测压工作即可结束，否则，应延长测压时间；
⑤当符合上述求后，用软管（1）将水气进管（3）与阀门Ⅲ（7）上的小铜嘴连接；
压力测定步骤为：
①首先将封闭水箱（4）注满水，②将水气进管（3）连接到测压孔控水阀门（1）上，③打开阀门Ⅰ（2）和阀门Ⅱ（6），④读取测压管上压力表数据P并记录在册，⑤打开测压管控水阀门，⑥打开测压孔控水阀门（1）让测压管内的水气混合体进入封闭水箱（4）内，水气混合体中的瓦斯气体留在封闭水箱（4）的箱内顶部，排出同体积的水，收集从出水管（5）排出的水，⑦关闭阀门Ⅰ（2），用量器测量从出水管（5）排出的水的量V1；
煤层瓦斯压力的计算步骤为：
压力表读表：P P+0.1=f（P2、P3）
静压水压力：P3
真实瓦斯压力：P2
若无静压水，则瓦斯会充满整个测压空间，体积为V2，此时压力表读数压力P即为真实瓦斯压力P2；
若有静压水，使用标准气体状态方程计算真实瓦斯压力P2的方法：
①将铜嘴打开使用解吸测量环境环境压力下积存的瓦斯体积V1，通过观测气水分离装置密封箱刻度尺标识的气体积存高度计算求得；
②使用温度计测量环境温度T1，管内温度T2，使用空盒气压计测量环境大气压力P1，根据钻孔孔径、长度和连接管内径、长度计算测压钻孔内体积V2；
③采用标准气体状态方程，即可计算出测压孔无水情况下的真实瓦斯压力；P2=（P1*V1*T2）/（T1*V2）。
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