CN108756860B - 一种煤层瓦斯压力测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层瓦斯压力测定装置及测定方法，属于煤矿技术领域，解决了现有技术中测定煤层的瓦斯压力过程中操作不便的问题。装置包括测压单元以及用于封堵测压孔的封孔单元，封孔单元包括筛孔管、软管、支撑件和固定件；软管的一端与测压单元连通，软管的另一端与筛孔管连通；固定件套设于软管的外侧；支撑件套设于固定件的外侧，将测压孔的内部空间分为测压气室和注浆室。上述方法为钻取实际目的孔深的测压孔；将封孔单元送入测压孔中；注浆，浆液膨胀凝固后形成密封注浆层；开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。上述煤层瓦斯压力测定装置及测定方法可用于煤层瓦斯压力测定。

Description

一种煤层瓦斯压力测定装置及测定方法

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，涉及一种适用于远距离的煤层瓦斯压力测定装置及测定方法。

背景技术

在煤矿安全开采中，煤矿瓦斯突出事故是当前导致人员伤亡最大的灾害事故，煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数，因此，准确测量煤层的瓦斯压力是一切矿井瓦斯防治工作的基础。

目前，在煤矿中，通常采用水泥浆对下向测压孔进行封孔时，由于孔较深，所以在注入水泥浆液直至其凝固之前，都需要人手握住测压管，防止测压管掉入孔底而导致测压失败。在实际操作过程中，给操作人员带来了极大的不便。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明提供了一种适用于远距离的煤层瓦斯压力测定装置及测定方法，解决了现有技术中测定煤层的瓦斯压力过程中操作不便的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种煤层瓦斯压力测定装置，包括测压单元以及用于封堵测压孔的封孔单元，封孔单元包括筛孔管、软管、支撑件和固定件；软管位于测压孔中，软管的一端与测压单元连通，软管的另一端与筛孔管连通；固定件套设于软管的外侧；支撑件套设于固定件的外侧，将测压孔的内部空间分为测压气室和注浆室；筛孔管位于测压气室中，注浆室内填充有密封注浆层。

进一步地，支撑件包括至少两组刀具以及位于相邻两组刀具之间弹性层，刀具和弹性层分别与固定件固定连接。

进一步地，从刀具的固定端至悬空端，刀具向注浆室一侧倾斜。

进一步地，沿软管的轴向，刀具的刀锋面的横截面形状为弧形，所述弧形的外表面朝向测压气室。

进一步地，刀具的内侧壁与固定件之间设有处于压缩状态的弹簧。

进一步地，刀具的内侧壁与固定件之间设有隔离层，弹簧位于刀具、固定件和隔离层围成的空间内。

进一步地，密封注浆层远离测压气室的一端设有化学浆封堵层。

进一步地，密封注浆层采用膨胀速凝水泥基密封注浆材料制成；膨胀速凝水泥基密封注浆材料的组成包括水泥、膨胀剂和速凝剂；膨胀速凝水泥基密封注浆材料凝固后比凝固前的体积膨胀率约为5％～20％，凝固时间为1.0～2.0小时。

本发明还提供了一种煤层瓦斯压力测定方法，采用上述煤层瓦斯压力测定装置，测定方法包括如下步骤：钻取测压孔；将封孔单元送入测压孔中；注浆，浆液膨胀凝固后形成密封注浆层；开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。

进一步地，煤层瓦斯压力测定装置还包括化学浆封堵层，测定方法包括如下步骤：

步骤1：在测压目标位置选择未受人为采动影响区域钻取所需孔深的测压孔；

步骤2：将封孔单元送入测压孔中，支撑件与测压孔孔口的间隙为4～6m。

步骤3：进行初次注浆，浆液初步凝固，形成初次注浆层；将初次注浆层和软管下放至目的位置后，在孔口形成化学浆封堵层；在初次注浆层和化学浆封堵层之间进行二次注浆，直至注浆压力大于0.05MPa，形成二次注浆层，初次注浆层和二次注浆层完全凝固膨胀后形成密封注浆层。

步骤4：开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的煤层瓦斯压力测定装置中设有固定件和支撑件，在放置软管时，固定件在重力作用下可以将软管和筛孔管下放至测压孔内的目的位置。

b)本发明提供的煤层瓦斯压力测定装置，在密封注浆层的凝固过程中，软管可以通过相互配合的固定件和支撑件支撑在测压孔的侧壁上，不需要人手握住软管，就可以防止软管掉入测压孔底，从而提高了上述瓦斯压力测定装置的可操作性，操作简单易行，工程量小，适用于各种地质条件下、下向孔的煤层瓦斯测定，具有极好的推广价值。

c)本发明提供的煤层瓦斯压力测定方法中，采用两次注浆的方式，即先注入4～6m的浆液，待其初步凝固后再注满测压孔，这样，通过初次注浆可以增加软管下部的配重，利用初次注浆层自身重力，带动软管下放至目的位置。

d)本发明提供的煤层瓦斯压力测定方法中，二次注浆的方式，钻孔内有水的情况下，在二次注浆时，初次注浆层与化学封堵层之间能够形成相对隔绝的注浆空间，避免二次注浆时，水对浆液的影响，使得二次注浆层能够有效封堵含水层和钻孔周边岩层裂隙，形成严格密封的测压气室。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的煤层瓦斯压力测定装置的结构示意图；

图2是图1的固定件的结构示意图；

图3是本发明的煤层瓦斯压力测定装置的使用状态示意图。

附图标记：

1-测压气室；2-筛孔；3-软管接头；4-刀具；5-固定件；6-密封注浆层；7-软管；8-注浆管；9-注浆泵；10-压力表；11-测压单元；12-安全球阀；13-化学浆封堵层；14-喉箍；15-筛孔管；16-煤层；17-岩层；18-隔离层；19-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种煤层瓦斯压力测定装置，如图1至图3所示，包括测压单元11以及用于封堵测压孔的封孔单元。其中，封孔单元包括筛孔管15、软管7(例如，耐高压PE软管)、支撑件和固定件5，软管7位于测压孔中，软管7的一端通过软管接头3与测压单元11连通，软管7的另一端通过软管接头3与筛孔管15连通；固定件5套设于软管7的外侧；支撑件套设于固定件5的外侧，将测压孔的内部空间分为测压气室1和注浆室；筛孔管15位于测压气室1中，注浆室内填充有密封注浆层6。

实施时，钻取测压孔，测压孔依次穿过位于煤层16上方的岩层17、煤层16以及位于煤层16下方的岩层17，将封孔单元下放至测压孔的目的位置，注浆形成密封注浆层6，开启测压装置11，测压气室1通过筛孔管15和软管7与测压装置11连通，从而能够实现测压孔内的煤层瓦斯压力的测定。

与现有技术相比，本实施例提供的煤层瓦斯压力测定装置中设有固定件5和支撑件，在放置软管7时，固定件5在重力作用下可以将软管7和筛孔管15下放至测压孔内的目的位置。同时，在密封注浆层6的凝固过程中，软管7可以通过相互配合的固定件5和支撑件支撑在测压孔的侧壁上，不需要人手握住软管7，就可以防止软管7掉入测压孔底，从而提高了上述瓦斯压力测定装置的可操作性，操作简单易行，工程量小，适用于各种地质条件下、下向孔的煤层瓦斯测定，具有极好的推广价值。

此外，上述煤层瓦斯压力测定装置采用软管7替换现有技术中的钢管作为输气管路，减轻了输气管路自身的重量，软管7的长度可达百米以上，从而能够实现远距离瓦斯压力测定。

可以理解的是，上述筛孔管15上可以开设有多个筛孔2，为了保证瓦斯气体的顺畅流通，筛孔管15的外径可以为6～10mm(例如，8mm)，筛孔2的直径可以为3～7mm(例如，5mm)。为了防止煤层中的煤粉等杂质进入筛孔管15，可以在筛孔管15外包裹纱布。

为了提高上述瓦斯压力测定装置的密封性，对于支撑件的结构，具体来说，其可以包括至少两组刀具4以及位于相邻两组刀具4之间弹性层(例如，弹性橡胶材料)，刀具4和弹性层分别与固定件5固定连接。上述支撑件兼具刚性件和柔性件的特性，从而能够达到导向、支撑和密封多重功能。其中，刀具4为刚性件，可以对固定件5和软管7起到较好的导向和支撑作用；弹性层为柔性件，其不仅可以增加支撑件与测压孔的侧壁之间的摩擦力，进一步防止软管7掉入测压孔底，其还可以与密封注浆层6共同对测压气室1进行密封，提高测压气室1的密封性，从而保证了上述瓦斯压力测定装置测定结果的准确性。

为了使支撑件能够顺利地下放至目的位置，从刀具4的固定端至悬空端，刀具4向注浆室一侧倾斜，这样能够减小刀具4与测压孔的侧壁的接触角，使得支撑件能够顺利地下放至目的位置。

为了使支撑件能够顺利地下放至目的位置，刀具4的刀锋面朝向测压气室1，刀具4的刀背面朝向注浆室，这样，在下放支撑件的过程中，相比于刀背面，刀具4的刀锋面与测压孔的侧壁接触的角度较小，使得支撑件能够顺利地下放至目的位置。

同样地，为了进一步减小刀具4与测压孔的侧壁的接触角，沿软管7的轴向，刀具4的刀锋面的横截面形状为弧形，弧形的外表面朝向测压气室1。这样能够进一步减小刀具4的刀锋面与测压孔的侧壁的接触角，能够进一步提高支撑件下方的顺畅性。

示例性地，每组刀具4包括多个位于同一高度、均匀分布在固定件5外周面的弧形刀片，例如，4个长40～60mm的弧形刀片。需要说明的是，上述刀具4中，弧形是指刀片的刀刃或者刀锋的形状，而不是刀具4的形状。

为了使刀具4与测压孔的侧壁可以紧密接触，刀具4的内侧壁与固定件5之间可以设置处于压缩状态的弹簧19，弹簧19的一端与刀具4的内侧壁连接，可以理解的是，刀具4包括多个弧形刀片，弹簧19的一端与弧形刀片的内侧壁连接，弹簧19的另一端与固定件5的外侧壁连接。由于刀具4为悬臂结构，通过处于压缩状态的弹簧19可以将刀具4紧紧抵在测压孔的侧壁，从而提高刀具4与测压孔的侧壁之间的摩擦力，从而进一步防止软管7掉入测压孔底。

为了避免密封注浆层6形成过程中填充至刀具4的内侧与固定件5之间，影响弹簧19的形变，刀具4的内侧壁与固定件5之间还可以设置隔离层18，弹簧19位于刀具4、固定件5和隔离层18围成的空间内。示例性地，隔离层18可以为内径18～22mm、外径65～75mm的环形复合土工布。

为了进一步提高上述支撑件的导向和支撑作用，相邻两组刀具4的间距、固定件5与软管7的长度比可以为1：(2～4)：(10～100)。将相邻两组刀具4的间距、固定件5与软管7的长度比限定在上述范围内，不仅能够保证位于相邻两组刀具4之间的支撑件的长度，从而对测压孔的有效密封，还能够对软管7起到有效的导向和支撑。示例性地，相邻两组刀具4的间距可以为10cm，固定件的长度可以为25cm，软管7的长度可以为1000cm，从而能实现远距离煤层瓦斯压力测定。

对于固定件5的壁厚，可以为1～5mm，例如，固定件5可以为内径18mm，外径20mm的钢管。

为了进一步提高上述瓦斯压力测定装置的密封性，密封注浆层6远离测压气室1的一端可以设置化学浆封堵层13。上述瓦斯压力测定装置对测压孔的封堵分别采用了支撑件、密封注浆层6和化学浆封堵层13三重封堵，可以对测压气室1进行更加严格的密封，从而提高了瓦斯压力测定的准确性。

考虑到密封注浆层6是影响测压气室1的密封性的关键因素，上述密封注浆层6可以采用膨胀速凝水泥基密封注浆材料制成，该膨胀速凝水泥基密封注浆材料的组成包括水泥、膨胀剂和速凝剂，将三者混合均匀、加水搅拌而成。该膨胀速凝水泥基密封注浆材料凝固后比凝固前的体积膨胀率约为5％～20％，凝固时间为1.0～2.0小时(例如，1.5小时)。上述膨胀速凝水泥基密封注浆材料具有密实、速凝和可膨胀的特点，能够有效填充测压孔周边煤体中的裂隙和含水层，解决测压孔的岩层出水问题，从而确保测压孔密封严实，提高瓦斯压力测定的精确性。

对于测压装置11的结构，具体来说，其可以包括压力表10和测压三通，压力表10通过测压三通与软管7的一端连通。

具体来说，测压三通包括压力表连接端口、软管连接端口和泄压端口，可以理解的是，压力表连接端口与压力表10连接，软管连接端口与软管7连接，泄压端口用于泄压，需要说明的是，泄压端口在主动测压时也可与高压瓦斯管连通。

为了提高上述瓦斯压力测定装置的安全性，泄压端口设有安全球阀12，该安全球阀12具有隔绝和泄压的双重作用。当需要进行瓦斯压力测定时，安全球阀12处于关闭状态，能够将软管7和测压气室1与外界隔绝；当测试结束时，安全球阀12处于打开状态，可以通过安全球阀12进行泄压，然后拆除瓦斯压力测定装置。此外，当测压气室1内的瓦斯压力过大超过阈值(例如，压力表10的测量上限)时，可以通过打开安全球阀12进行泄压，从而避免了压力表10的损坏，提高了上述瓦斯压力测定装置的安全性。

为了实现固定件5的稳定安装，使得固定件5能够紧紧夹持软管7，固定件5的两端可以分别通过喉箍14固定在软管7上，喉箍14用于对固定件置5进行限位。

考虑到软管7需要承受较大的压力，软管7可以为耐高压PE管，其壁厚可以在4～8mm之间，例如，耐高压PE管的内径为8mm，外径为12mm，爆破压力为3MPa。

可以理解的是，为了通过注浆形成密封注浆层6，上述瓦斯压力测定装置还包括注浆单元，注浆单元的注浆口与注浆室连通。具体地，注浆单元可以包括用于提供浆液的注浆泵9以及用于输送浆液的注浆管8，注浆泵9通过注浆管8与注浆室连通。

为了减少固定件5与筛孔管15之间的软管7发生弯折的情况，固定件5与筛孔管15的间隙为3～7cm。相对于软管7的长度，由于固定件5与筛孔管15的间隙相对较小，且软管7具有一定的弹性，从而可以减少固定件5与筛孔管15之间的软管7发生弯折的情况。

实施例二

本实施例提供了一种煤层瓦斯压力测定方法，钻取测压孔；将封孔单元送入测压孔中；注浆，浆液膨胀凝固后形成密封注浆层；开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。

与现有技术相比，本实施例提供的煤层瓦斯压力测定方法的有益效果与实施例一提供的煤层瓦斯压力测定装置的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

具体来说，上述煤层瓦斯压力测定方法包括如下步骤：

步骤1：在测压目标位置选择未受人为采动影响区域钻取所需孔深、孔径90～100mm的测压孔，通常情况下，该测压孔为近垂直的钻孔，其与水平方向的角度可以为78～102°；

步骤2：将封孔单元送入测压孔中，支撑件与测压孔孔口的间隙为4～6m(例如，5m)；

步骤3：进行初次注浆，浆液初步凝固，形成初次注浆层；借助装置和浆料重量将初次注浆层和软管下放至目的位置后，在孔口形成化学浆封堵层；在化学浆封堵层与初次注浆层之间进行二次注浆，直至注浆压力大于0.05MPa，且无流量时结束二次注浆，形成二次注浆层；等待1.0～2.0小时(例如，1.5小时)，待初次注浆层和二次注浆层完全凝固膨胀后形成密封注浆层；

步骤4：开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。

在上述煤层瓦斯压力测定方法中，采用两次注浆的方式，即先注入4～6m的浆液，待其初步凝固后再注满测压孔，这样，通过初次注浆可以增加软管下部的配重，利用初次注浆层自身重力，带动软管下放至目的位置。

此外，二次注浆的方式，钻孔内有水的情况下，在二次注浆时，初次注浆层与化学封堵层之间能够形成相对隔绝的注浆空间，避免二次注浆时，水对浆液的影响，使得二次注浆层能够有效封堵含水层和钻孔周边岩层裂隙，形成严格密封的测压气室。

需要说明的是，化学浆封堵层的设置不仅可以提高测压气室的密封性，还可以将测压孔孔口密封严实，用于实现二次注浆。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，包括测压单元以及用于封堵测压孔的封孔单元，所述封孔单元包括筛孔管、软管、支撑件和固定件；

所述软管位于测压孔中，所述软管的一端与测压单元连通，所述软管的另一端与筛孔管连通；

所述固定件套设于软管的外侧；在放置软管时，固定件在重力作用下能够将软管和筛孔管下放至测压孔内的目的位置；所述支撑件套设于固定件的外侧，测压孔的内部空间分为测压气室和注浆室；所述支撑件包括至少两组刀具以及位于相邻两组刀具之间弹性层，所述刀具和弹性层分别与固定件固定连接；所述筛孔管位于测压气室中，所述注浆室内填充有密封注浆层；所述密封注浆层远离测压气室的一端设有化学浆封堵层；

所述的压力测定装置对测压孔的封堵分别采用了支撑件、密封注浆层和化学浆封堵层三重封堵；

所述密封注浆层采用两次注浆的方式，即初次注浆和二次注浆，在二次注浆时，初次注浆层与化学浆封堵层之间能够形成相对隔绝的注浆空间，形成严格密封的测压气室。

2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，从刀具的固定端至悬空端，所述刀具向注浆室一侧倾斜。

3.根据权利要求2所述的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，沿软管的轴向，所述刀具的刀锋面的横截面形状为弧形，所述弧形的外表面朝向测压气室。

4.根据权利要求2或3所述的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，所述刀具的内侧壁与固定件之间设有处于压缩状态的弹簧。

5.根据权利要求4所述的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，所述刀具的内侧壁与固定件之间设有隔离层，所述弹簧位于刀具、固定件和隔离层围成的空间内。

6.根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测定装置，其特征在于，所述密封注浆层采用膨胀速凝水泥基密封注浆材料制成；

所述膨胀速凝水泥基密封注浆材料包括水泥、膨胀剂和速凝剂；

所述膨胀速凝水泥基密封注浆材料凝固后比凝固前的体积膨胀率为5%~20%，凝固时间为1.0~2.0小时。

7.一种煤层瓦斯压力测定方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的煤层瓦斯压力测定装置，所述测定方法包括如下步骤：钻取测压孔；将封孔单元送入测压孔中；注浆，浆液膨胀凝固后形成密封注浆层；开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。

8.根据权利要求7所述的煤层瓦斯压力测定方法，其特征在于，所述煤层瓦斯压力测定装置还包括化学浆封堵层，所述测定方法包括如下步骤：

步骤1：在测压目标位置选择未受人为采动影响区域钻取所需孔深的测压孔；

步骤2：将封孔单元送入测压孔中，支撑件与测压孔孔口的间隙为4~6m；

步骤3：进行初次注浆，浆液初步凝固，形成初次注浆层；将初次注浆层和软管下放至目的位置后，在孔口形成化学浆封堵层；在初次注浆层和化学浆封堵层之间进行二次注浆，直至注浆压力大于0.05MPa，形成二次注浆层，初次注浆层和二次注浆层完全凝固膨胀后形成密封注浆层；

步骤4：开启测压装置，等待压力表读数稳定后，读出压力表读数，完成煤层瓦斯压力测定。

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