CN108457643A - 一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法 - Google Patents

一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法，采用的测定装置包括接头、阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、真空泵、压力表、活塞式体积测量仪和超声脱气装置，所述活塞式体积测量仪的进口端设有阀门Ⅲ，压力表的进口端通过胶管分别与接头的一端和真空泵连接，阀门Ⅰ装在压力表与接头连接的胶管上，阀门Ⅱ装在压力表与真空泵连接的胶管上，压力表的出口端通过胶管与阀门Ⅲ连接。本发明在真空负压条件及超声波脱气相结合时可快速、有效地将常压下难以解析的甲烷从钻孔水中解析出来，从而精确得出钻孔水中的甲烷溶解量，最终准确得出开采煤层的瓦斯压力值；另外本发明还具有稳定、快速、有效且对环境无污染的优点。

Description

一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法
技术领域
本发明涉及一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法。
背景技术
测定煤层瓦斯压力是矿井瓦斯防治工作的重要内容之一。然而，我国矿井水文地质条件极为复杂，多数煤层位于富含水煤系地层中。在煤层瓦斯压力测定过程中，地层水入侵钻孔会严重影响瓦斯压力测量的成功率。针对地层水入侵测压钻孔的主要解决方法是提高封孔质量。然而，现行封孔技术较差，且由于现场地质条件的复杂性，使得多数位于富含水煤系地层中的测压钻孔无法得到有效的封堵，严重地影响了瓦斯压力测定的准确性。近年来，为了测量水侵钻孔内的瓦斯压力提出通过测定钻孔水中甲烷解析量的方法来反推煤层瓦斯压力。但是，该方法仅仅是将钻孔水置于常压条件下，通过压力降低的方法来测得钻孔水中的甲烷解析量，忽略了常压下的甲烷溶解量，由于地层水中含有一定量的可溶有机质，这些可溶有机质通过水合作用可增加水中的甲烷溶解量。因此采用常规的降低压力方法，很难将钻孔水中溶解的甲烷完全解析出来，从而影响测定结果的准确性，最终无法准确地得出煤层瓦斯压力值。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法，通过真空条件及超声波脱气的方式，能将钻孔水中的甲烷完全解析，从而精确得出钻孔水中的甲烷溶解量，最终准确得出开采煤层的瓦斯压力值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法，采用的测定装置包括接头、阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、真空泵、压力表、活塞式体积测量仪和超声脱气装置，所述活塞式体积测量仪的进口端设有阀门Ⅲ，压力表的进口端通过胶管分别与接头的一端和真空泵连接，阀门Ⅰ装在压力表与接头连接的胶管上，阀门Ⅱ装在压力表与真空泵连接的胶管上，压力表的出口端通过胶管与阀门Ⅲ连接，所述活塞式体积测量仪包括腔体、密封圈、挡板、螺母和推杆，挡板固定在腔体顶部，所述挡板上开设通孔，推杆的一端穿过通孔伸入腔体内，密封圈固定在伸入腔体内的推杆端部，推杆的圆周面开设螺纹，螺母套在处于腔体外部的推杆上，所述螺母的外径大于通孔的孔径，所述腔体为外表面设有刻度线的透明筒体；具体的步骤测定步骤为：
A、当瓦斯压力测定钻孔封孔成功后，此时测压管处于封孔后的钻孔内，将压力表的进口端通过胶管及接头与测压管的一端密封连通，压力表的出口端连接排出阀，打开阀门Ⅰ，待压力表数值稳定后记录压力值，然后打开排出阀，此时压力表数值开始下降；若有水不断经排出阀排出，且关闭排出阀后压力表数值迅速恢复至记录压力值，则判断为水侵钻孔，关闭阀门Ⅰ并拆卸排出阀后进入步骤B，若无上述情况则记录的压力值即为瓦斯钻孔内的瓦斯压力值；
B、打开阀门Ⅲ，使活塞式体积测量仪中螺母处于推杆顶端的位置并且向腔体方向推动活塞式体积测量仪的推杆，使密封圈处于腔体的最低端，对腔体内进行排气；阀门Ⅲ通过胶管与压力表的出口端连接，同时将真空泵通过胶管及阀门Ⅱ与压力表的进口端连接；
C、保持阀门Ⅰ处于关闭状态，使阀门Ⅱ和阀门Ⅲ处于打开状态，开启真空泵对活塞式体积测量仪的腔体进行真空脱气，真空脱气10min后关闭阀门Ⅱ及真空泵；
D、打开阀门Ⅰ，使得钻孔内的钻孔水流入到活塞式体积测量仪的腔体内，同时观测活塞式体积测量仪内的刻度，当钻孔水在腔体的体积达到500ml时即刻关闭阀门Ⅲ；
E、先将与活塞式体积测量仪连接的胶管取下，然后将推杆向腔体外抽动直至使密封圈处于腔体顶端后停止，最后使推杆上的螺母旋转至腔体顶端与挡板接触，螺母与挡板会限制推杆受到大气压力向腔体内移动的趋势，进而保持推杆的位置，使腔体内的钻孔水处于真空负压状态；
F、将活塞式体积测量仪整体置于加满水的超声脱气装置内，开启超声脱气装置，处于活塞式体积测量仪内的钻孔水在真空负压状态下开始超声波脱气，脱气时间为30min；从钻孔水中脱出的甲烷气体会处于腔体内；
G、超声波脱气完毕后关闭超声波装置，将活塞式体积测量仪拉杆的螺母恢复至推杆顶端的位置；然后推杆在外界大气压的作用下会逐渐向腔体内移动直至内外气压恢复至平衡位置时，即刻记录密封圈所对应的刻度值及此时钻孔水的表面所对应的刻度值，分别记为水气总体积值Vt和钻孔水体积值Vw；进而钻孔水中的气体溶解量S通过下式可得:
H、每隔三天重复步骤B至G，分别测出气体溶解量随时间的变化规律，直至气体溶解量趋于稳定时停止测量，同时通过温度传感器测出稳定时钻孔水的温度值，此时气体溶解量即为该煤层瓦斯压力下的钻孔水平衡溶解量；
I、采集钻孔水样带至实验室，通过气体溶解量测试装置测定处于稳定时钻孔水温条件下不同平衡压力下的甲烷溶解量Se，并依据亨利定律得出该温度条件下钻孔水的Henry’s常数；
式中：P为平衡压力值；H为Henry’s常数；
J、将步骤H得到的煤层实际的钻孔水平衡溶解量带入至步骤I中的公式，即得到该水侵钻孔内的瓦斯压力值。
与现有技术相比，本发明采用通过真空负压条件及超声波脱气相结合的方式，首先在真空负压条件下钻孔水中的甲烷更易解析出，同时超声脱气是利用高强度超声波产生的“超声空化”现象脱除液相中多余气体，在真空负压条件及超声波脱气相结合时可有效的将钻孔水中可溶有机质吸附的甲烷解析出来，从而精确得出钻孔水中的甲烷溶解量，最终准确得出开采煤层的瓦斯压力值；另外本发明还具有稳定、快速、有效且对环境无污染的优点。
附图说明
图1是本发明水侵钻孔瓦斯压力测试的工作示意图；
图2是本发明中活塞式体积测量仪及超声脱气装置的结构示意图。
图中：1、煤层，2、瓦斯压力测定钻孔，3、注浆泵，4、测压管，5、接头，6、阀门Ⅰ，7、阀门Ⅱ，8、真空泵，9、压力表，10、推杆，11、螺母，12、挡板，13、腔体，14、密封圈，15、阀门Ⅲ，16、超声脱气装置。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示，本发明采用的测定装置包括接头5、阀门Ⅰ6、阀门Ⅱ7、真空泵8、压力表9、活塞式体积测量仪和超声脱气装置16，所述活塞式体积测量仪的进口端设有阀门Ⅲ15，压力表9的进口端通过胶管分别与接头5的一端和真空泵8连接，阀门Ⅰ6装在压力表9与接头5连接的胶管上，阀门Ⅱ7装在压力表9与真空泵8连接的胶管上，压力表9的出口端通过胶管与阀门Ⅲ15连接，所述活塞式体积测量仪包括腔体13、密封圈14、挡板12、螺母11和推杆10，挡板12固定在腔体13顶部，所述挡板12上开设通孔，推杆10的一端穿过通孔伸入腔体13内，密封圈14固定在伸入腔体13内的推杆10端部，推杆10的圆周面开设螺纹，螺母11套在处于腔体13外部的推杆10上，所述螺母11的外径大于通孔的孔径，所述腔体13为外表面设有刻度线的透明筒体；所述超声脱气装置16为现有脱气设备，具体的步骤测定步骤为：
A、当瓦斯压力测定钻孔2封孔成功后，此时测压管4处于封孔后的钻孔内，将压力表9的进口端通过胶管及接头5与测压管4的一端密封连通，压力表9的出口端连接排出阀，打开阀门Ⅰ6，待压力表9数值稳定后记录压力值，然后打开排出阀，此时压力表9数值开始下降；若有水不断经排出阀排出，且关闭排出阀后压力表9数值迅速恢复至记录时压力值，则判断为水侵钻孔，关闭阀门Ⅰ6并拆卸排出阀后进入步骤B，若无上述情况则记录的压力值即为瓦斯钻孔内的瓦斯压力值；
B、打开阀门Ⅲ15，使活塞式体积测量仪中螺母11处于推杆10顶端的位置并且向腔体13方向推动活塞式体积测量仪的推杆10，使密封圈14处于腔体13的最低端，对腔体13内进行排气；阀门Ⅲ15通过胶管与压力表9的出口端连接，同时将真空泵8通过胶管及阀门Ⅱ7与压力表9的进口端连接；
C、保持阀门Ⅰ6处于关闭状态，使阀门Ⅱ7和阀门Ⅲ15处于打开状态，开启真空泵8对活塞式体积测量仪的腔体13进行真空脱气，真空脱气10min后关闭阀门Ⅱ7及真空泵8；
D、打开阀门Ⅰ6，使得钻孔内的钻孔水流入到活塞式体积测量仪的腔体13内，同时观测活塞式体积测量仪的刻度，当钻孔水在腔体13的体积达到500ml时即刻关闭阀门Ⅲ15；
E、先将与活塞式体积测量仪连接的胶管取下，然后将推杆10向腔体13外抽动直至使密封圈14处于腔体13顶端后停止，最后使推杆10上的螺母11旋转至腔体13顶端与挡板12接触，螺母11与挡板12会限制推杆10受到大气压力向腔体13内移动的趋势，进而保持推杆10的位置，使腔体13内的钻孔水处于真空负压状态；
F、将活塞式体积测量仪整体置于加满水的超声脱气装置16内，开启超声脱气装置16，处于活塞式体积测量仪内的钻孔水在真空负压状态下开始超声波脱气，脱气时间为30min；从钻孔水中脱出的甲烷气体会处于腔体13内；
G、超声波脱气完毕后关闭超声波装置16，将活塞式体积测量仪的螺母11恢复至推杆10顶端的位置；然后推杆10在外界大气压的作用下会逐渐向腔体13内移动直至内外气压恢复至平衡位置时，即刻记录密封圈14所对应的刻度值及此时钻孔水的表面所对应的刻度值，分别记为水气总体积值Vt和钻孔水体积值Vw；进而钻孔水中的气体溶解量S通过下式可得:
H、每隔三天重复步骤B至G，分别测出气体溶解量随时间的变化规律，直至气体溶解量趋于稳定时停止测量，同时通过温度传感器测出稳定时钻孔水的温度值，此时气体溶解量即为该煤层瓦斯压力下的钻孔水平衡溶解量；
I、采集钻孔水样带至实验室，通过气体溶解量测试装置测定处于稳定时钻孔水温条件下不同平衡压力下的甲烷溶解量Se，并依据亨利定律得出该温度条件下钻孔水的Henry’s常数；
式中：P为平衡压力值；H为Henry’s常数；
J、将步骤H得到的煤层实际的钻孔水平衡溶解量带入至步骤I中的公式，即得到该水侵钻孔内的瓦斯压力值。

Claims (1)

1.一种基于真空条件的水侵钻孔瓦斯压力测定方法，其特征在于，采用的测定装置包括接头(5)、阀门Ⅰ(6)、阀门Ⅱ(7)、真空泵(8)、压力表(9)、活塞式体积测量仪和超声脱气装置(16)，所述活塞式体积测量仪的进口端设有阀门Ⅲ(15)，压力表(9)的进口端通过胶管分别与接头(5)的一端和真空泵(8)连接，阀门Ⅰ(6)装在压力表(9)与接头(5)连接的胶管上，阀门Ⅱ(7)装在压力表(9)与真空泵(8)连接的胶管上，压力表(9)的出口端通过胶管与阀门Ⅲ(15)连接，所述活塞式体积测量仪包括腔体(13)、密封圈(14)、挡板(12)、螺母(11)和推杆(10)，挡板(12)固定在腔体(13)顶部，所述挡板(12)上开设通孔，推杆(10)的一端穿过通孔伸入腔体(13)内，密封圈(14)固定在伸入腔体(13)内的推杆(10)端部，推杆(10)的圆周面开设螺纹，螺母(11)套在处于腔体(13)外部的推杆(10)上，所述螺母(11)的外径大于通孔的孔径，所述腔体(13)为外表面设有刻度线的透明筒体；具体的步骤测定步骤为：
A、当瓦斯压力测定钻孔(2)封孔成功后，此时测压管(4)处于封孔后的钻孔内，将压力表(9)的进口端通过胶管及接头(5)与测压管(4)的一端密封连通，压力表(9)的出口端连接排出阀，打开阀门Ⅰ(6)，待压力表(9)数值稳定后记录压力值，然后打开排出阀，此时压力表(9)数值开始下降；若有水不断经排出阀排出，且关闭排出阀后压力表(9)数值迅速恢复至记录时压力值，则判断为水侵钻孔，关闭阀门Ⅰ(6)并拆卸排出阀后进入步骤B，若无上述情况则记录的压力值即为瓦斯钻孔内的瓦斯压力值；
B、打开阀门Ⅲ(15)，使活塞式体积测量仪中螺母(11)处于推杆(10)顶端的位置并且向腔体(13)方向推动活塞式体积测量仪的推杆(10)，使密封圈(14)处于腔体(13)的最低端，对腔体(13)内进行排气；阀门Ⅲ(15)通过胶管与压力表(9)的出口端连接，同时将真空泵(8)通过胶管及阀门Ⅱ(7)与压力表(9)的进口端连接；
C、保持阀门Ⅰ(6)处于关闭状态，使阀门Ⅱ(7)和阀门Ⅲ(15)处于打开状态，开启真空泵(8)对活塞式体积测量仪的腔体(13)进行真空脱气，真空脱气10min后关闭阀门Ⅱ(7)及真空泵(8)；
D、打开阀门Ⅰ(6)，使得钻孔内的钻孔水流入到活塞式体积测量仪的腔体(13)内，同时观测活塞式体积测量仪的刻度，当钻孔水在腔体(13)的体积达到500ml时即刻关闭阀门Ⅲ(15)；
E、先将与活塞式体积测量仪连接的胶管取下，然后将推杆(10)向腔体(13)外抽动直至使密封圈(14)处于腔体(13)顶端后停止，最后使推杆(10)上的螺母(11)旋转至腔体(13)顶端与挡板(12)接触，进而保持推杆(10)的位置，使腔体(13)内的钻孔水处于真空负压状态；
F、将活塞式体积测量仪整体置于加满水的超声脱气装置(16)内，开启超声脱气装置(16)，处于活塞式体积测量仪内的钻孔水在真空负压状态下开始超声波脱气，脱气时间为30min；从钻孔水中脱出的甲烷气体会处于腔体(13)内；
G、超声波脱气完毕后关闭超声波装置(16)，将活塞式体积测量仪的螺母(11)恢复至推杆(10)顶端的位置；然后推杆(10)在外界大气压的作用下会逐渐向腔体(13)内移动直至内外气压恢复至平衡位置时，即刻记录密封圈(14)所对应的刻度值及此时钻孔水的表面所对应的刻度值，分别记为水气总体积值Vt和钻孔水体积值Vw；进而钻孔水中的气体溶解量S通过下式可得:
H、每隔三天重复步骤B至G，分别测出气体溶解量随时间的变化规律，直至气体溶解量趋于稳定时停止测量，同时通过温度传感器测出稳定时钻孔水的温度值，此时气体溶解量即为该煤层瓦斯压力下的钻孔水平衡溶解量；
I、采集钻孔水样带至实验室，通过气体溶解量测试装置测定处于稳定时钻孔水温条件下不同平衡压力下的甲烷溶解量Se，并依据亨利定律得出该温度条件下钻孔水的Henry’s常数；
式中：P为平衡压力值；H为Henry’s常数；
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