CN110056342B - 一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置及方法，包括注气主管路、注气支管路、气体流量计、压力表、压力泵、气压传感器、注气胶囊、封孔胶囊、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ；采用向煤层蹬空区钻设多个钻孔，然后通过检测各个钻孔的气密性合格后，对各个钻孔分别采用注气装置注入惰性气体进行测试，通过观察气体流量计和压力表的实时变化情况，能判定各个钻孔所处位置的弯曲下沉带、裂隙带和垮落带的分布情况，最终判定煤层蹬空区的开采可行性；最后可通过钻孔窥视仪对煤层底板一定范围的岩层进行成像观测，从而对判定煤层蹬空区的开采可行性进行验证，保证判断的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种注气装置及方法，具体是一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置及方法。
背景技术
目前，随着我国矿井的高强度开采，煤炭资源赋存量急剧降低。以往一些矿井设计开采不规范，导致部分煤炭资源搁置甚至丢弃。随着煤炭资源整合和矿井兼并重组改造等相关措施，同一地区重组后的矿井统一规划开采，以提高煤炭资源回收率。目前，整合后煤矿均存在不同程度的蹬空储量，该区域受到采空区影响，往往会出现岩层弯曲下沉、裂隙贯通等现象，给矿井开采带来极大难度。蹬空开采是煤炭特殊开采方法之一，是在下部煤层开采完毕后进行上部煤层开采，而下部煤层开采可能会对上部煤层带来结构性破坏，严重威胁矿井安全生产。目前，关于蹬空开采可行性研究成果主要集中在理论判定和数值模拟，其准确性和可靠性难以估算，真正基于现场实测的研究鲜有报道。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置及方法，能对煤层蹬空区中的弯曲下沉带、裂隙带和垮落带的占比情况进行检测，进而得出煤层蹬空区的开采可行性，其具有较高的准确性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置，包括注气主管路、注气支管路、气体流量计、压力表、压力泵、气压传感器、注气胶囊、封孔胶囊、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ，注气主管路一端与注气胶囊一端连通，气体流量计、压力表、截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ装在注气主管路上，且气体流量计、压力表、截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ分别与注气胶囊之间的距离依次增加；注气支管路一端连接在截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ之间的管路上，注气支管路另一端与注气胶囊一端连通，气压传感器、压力泵和截止阀Ⅲ装在注气支管路上，且气压传感器、压力泵和截止阀Ⅲ分别与注气胶囊之间的距离依次增加；注气胶囊另一端与注气探管的一端连通，注气探管的另一端密封且与封孔胶囊的一端固定连接，注气胶囊另一端通过注气软管与封孔胶囊一端连通，注气探管的管壁上开设多个通孔，封孔胶囊外表面和注气胶囊外表面均装有密封圈。
一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的方法，具体步骤为：
A、确定注气钻孔的钻设位置及数量：将注气钻孔的钻设位置确定在煤层蹬空区正上方的预开采煤层上表面，并等间隔设置至少5个注气钻孔；
B、施工钻孔：按照步骤A设定的位置及数量，从预开采煤层上表面自上而下向煤层蹬空区垂直钻设钻孔，钻孔深度不低于60m；
C、测试钻孔气密性：将注气装置中的封孔胶囊和注气胶囊伸入钻孔内，且封孔胶囊的密封圈和注气胶囊的密封圈与钻孔紧密贴合，使封孔胶囊、注气胶囊和部分钻孔壁形成密封空间，将注气主管路另一端与惰性气体罐Ⅰ连接，打开截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ，注入的惰性气体从注气主管路进入注气胶囊，然后惰性气体从注气探管的通孔进入密封空间，采用气体检测仪实时检测钻孔周围该惰性气体的浓度，若气体检测仪检测的惰性气体浓度值处于标准值以内，则确定该钻孔的气密性合格；若气体检测仪检测的惰性气体浓度值大于标准值，则确定该钻孔的气密性不合格；若当前测试的钻孔气密性合格，则进行下一个钻孔的测试，若当前测试的钻孔气密性不合格，则采用注浆封填该钻孔后进行下一个钻孔的测试；直至完成所有钻孔的气密性测试；
D、注气并记录数据：将注气装置中的封孔胶囊和注气胶囊伸入气密性合格的钻孔，且封孔胶囊的密封圈和注气胶囊的密封圈均与气密性合格的钻孔紧密贴合；将注气主管路另一端惰性气体罐Ⅱ，打开截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ，注入的惰性气体从注气主管路进入注气胶囊，然后注气胶囊内的部分惰性气体从注气探管进入钻孔内，另外部分惰性气体通过注气软管进入封孔胶囊，最终惰性气体从封孔胶囊另一端进入钻孔内，此时通过压力表记录当前的实时气压数值和通过气体流量计记录实时的注气速度，然后将封孔胶囊和注气胶囊在钻孔内向下移动一段距离后重复上述注气过程，然后再次记录当前的实时气压数值和记录实时的注气速度，如此循环，直至完成该钻孔的注气观测；将其余钻孔均进行注气观测后，使每个钻孔不同深度时测试的气压数值和注气速度绘制成图表；
E、判断蹬空开采可行性：观察各个钻孔得出的图表，根据每个钻孔不同深度检测的气压数值和注气速度，能确定蹬空区内弯曲下沉带、裂隙带和垮落带，各个带的具体位置及深度，若判断的垮落带深度处于距离钻孔注气口50m以内，则说明蹬空区内垮落带范围过大，从而判断不适于进行蹬空开采；反之则适于进行蹬空开采。
进一步，还包括F、钻孔窥视仪观测岩层结构：采用步骤E注气实验后留下的钻孔，通过现有的钻孔窥视仪对煤层底板一定范围的岩层进行成像观测，最终根据得出岩层的真实结构图像，对步骤E确定的煤层蹬空区的开采可行性进行验证。
进一步，所述惰性气体罐Ⅰ内的惰性气体密度小于空气密度。
进一步，所述惰性气体罐Ⅱ内的惰性气体密度大于空气密度。
由于采煤区域采完以后的煤层蹬空区自上向下形成三带：弯曲下沉带、裂隙带、垮落带；弯曲下沉带位于三带上部分，相对完整，裂隙不发育，注气困难；裂隙带位于三带中部，裂隙较发育，注气较困难；垮落带位于三带下部，裂隙高度发育，注气容易；与现有技术相比，本发明采用向煤层蹬空区钻设多个钻孔，然后通过检测各个钻孔的气密性合格后，对各个钻孔分别采用注气装置注入惰性气体进行测试，通过观察气体流量计和压力表的实时变化情况，能判定各个钻孔所处位置的弯曲下沉带、裂隙带和垮落带的分布情况，最终判定煤层蹬空区的开采可行性；最后可通过钻孔窥视仪对煤层底板一定范围的岩层进行成像观测，从而对判定煤层蹬空区的开采可行性进行验证，保证判断的准确性。
附图说明
图1是本发明中注气装置的结构示意图；
图2是本发明中注气装置注气时的结构示意图；
图3是本发明的钻孔注气流程图；
图4是使用本发明钻孔注气的监测结果示意图。
图中：1、注气主管路，21、截止阀Ⅰ，22、截止阀Ⅱ，23、截止阀Ⅲ，3、气体流量计，4、压力表，5、压力泵，6、注气胶囊，7、气压传感器，8、注气软管，9、封孔胶囊，10、注气探管，11、注气支管路。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置，包括注气主管路1、注气支管路11、气体流量计3、压力表4、压力泵5、气压传感器7、注气胶囊6、封孔胶囊9、截止阀Ⅰ21、截止阀Ⅱ22和截止阀Ⅲ23，注气主管路1一端与注气胶囊6一端连通，气体流量计3、压力表4、截止阀Ⅰ21和截止阀Ⅱ22装在注气主管路1上，且气体流量计3、压力表4、截止阀Ⅰ21和截止阀Ⅱ22分别与注气胶囊6之间的距离依次增加；注气支管路11一端连接在截止阀Ⅰ21和截止阀Ⅱ22之间的管路上，注气支管路11另一端与注气胶囊6一端连通，气压传感器7、压力泵5和截止阀Ⅲ23装在注气支管路11上，且气压传感器7、压力泵5和截止阀Ⅲ23分别与注气胶囊6之间的距离依次增加；注气胶囊6另一端与注气探管10的一端连通，注气探管10的另一端密封且与封孔胶囊9的一端固定连接，注气胶囊6另一端通过注气软管8与封孔胶囊9一端连通，注气探管10的管壁上开设多个通孔，封孔胶囊9外表面和注气胶囊6外表面均装有密封圈。
一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的方法，具体步骤为：
A、确定注气钻孔的钻设位置及数量：将注气钻孔的钻设位置确定在煤层蹬空区正上方的预开采煤层上表面，并等间隔设置至少5个注气钻孔；
B、施工钻孔：按照步骤A设定的位置及数量，从预开采煤层上表面自上而下向煤层蹬空区垂直钻设钻孔，钻孔深度不低于60m；
C、测试钻孔气密性：将注气装置中的封孔胶囊9和注气胶囊6伸入钻孔内，且封孔胶囊9的密封圈和注气胶囊6的密封圈与钻孔紧密贴合，使封孔胶囊9、注气胶囊6和部分钻孔壁形成密封空间，将注气主管路1另一端与惰性气体罐Ⅰ连接，打开截止阀Ⅰ21和截止阀Ⅱ22，注入的惰性气体从注气主管路1进入注气胶囊6，然后惰性气体从注气探管10的通孔进入密封空间，采用气体检测仪实时检测钻孔周围该惰性气体的浓度，若气体检测仪检测的惰性气体浓度值处于标准值以内，则确定该钻孔的气密性合格；若气体检测仪检测的惰性气体浓度值大于标准值，则确定该钻孔的气密性不合格；若当前测试的钻孔气密性合格，则进行下一个钻孔的测试，若当前测试的钻孔气密性不合格，则采用注浆封填该钻孔后进行下一个钻孔的测试；直至完成所有钻孔的气密性测试；
D、注气并记录数据：将注气装置中的封孔胶囊9和注气胶囊6伸入气密性合格的钻孔，且封孔胶囊9的密封圈和注气胶囊6的密封圈均与气密性合格的钻孔紧密贴合；将注气主管路1另一端惰性气体罐Ⅱ，打开截止阀Ⅰ21、截止阀Ⅱ22和截止阀Ⅲ23，注入的惰性气体从注气主管路1进入注气胶囊6，然后注气胶囊6内的部分惰性气体从注气探管10进入钻孔内，另外部分惰性气体通过注气软管8进入封孔胶囊9，最终惰性气体从封孔胶囊9另一端进入钻孔内，此时通过压力表4记录当前的实时气压数值和通过气体流量计3记录实时的注气速度，然后将封孔胶囊9和注气胶囊6在钻孔内向下移动一段距离后重复上述注气过程，然后再次记录当前的实时气压数值和记录实时的注气速度，如此循环，直至完成该钻孔的注气观测；将其余钻孔均进行注气观测后，使每个钻孔不同深度时测试的气压数值和注气速度绘制成图表；
E、判断蹬空开采可行性：观察各个钻孔得出的图表，根据每个钻孔不同深度检测的气压数值和注气速度，能确定蹬空区内弯曲下沉带、裂隙带和垮落带，各个带的具体位置及深度，具体过程为：将注气速度处于0.10m3/min以内的深度确定为弯曲下沉带（如图4所示为0～30m范围），由于注气速度较慢，说明该范围内的岩层完整性好，裂隙不发育；将注气速度突然增大至0.20m3/min的深度确定为裂隙带（如图4所示为30～50m范围）；此时注气速度为弯曲下沉带的至少2倍，该范围内岩层裂隙发育，判定为裂隙带；在注气速再次增大至0.30m3/min以上的深度确定为垮落带（如图4所示为50～60m范围），若判断的垮落带深度处于距离钻孔注气口50m以内，则说明蹬空区内垮落带范围过大，从而判断不适于进行蹬空开采；反之则适于进行蹬空开采。
进一步，还包括F、钻孔窥视仪观测岩层结构：采用步骤E注气实验后留下的钻孔，通过现有的钻孔窥视仪对煤层底板一定范围的岩层进行成像观测，最终根据得出岩层的真实结构图像，对步骤E确定的煤层蹬空区的开采可行性进行验证。
进一步，所述惰性气体罐Ⅰ内的惰性气体密度小于空气密度。由于密度比空气小，在进行气密性检测时，气体会相对于空气向上移动，这样在钻孔外部进行检测时，如气密性不合格，则该惰性气体会从钻孔溢出，从而使气体检测仪能直接检测，保证气密性试验的准确性。
进一步，所述惰性气体罐Ⅱ内的惰性气体密度大于空气密度。由于密度比空气大，从而保证注入的气体相对空气会向下方移动，保证对注气的检测。
如图4所示，由于蹬空区分为三带，其中弯曲下沉带位于三带上部分，相对完整，裂隙不发育，注气困难；裂隙带位于三带中部，裂隙较发育，注气较困难；垮落带位于三带下部，裂隙高度发育，注气容易；因此在注气测试中当注气速度突然增大时，表明正从上一带进入下一带。根据不同深度的注气速度，一方面可以较为准确的得到三带分别所占深度位置，另一方面也能较为准确的得出岩层破碎情况，为蹬空开采可行性提供依据。
Claims (4)
1.一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的方法，其特征在于，采用的注气装置包括注气主管路、注气支管路、气体流量计、压力表、压力泵、气压传感器、注气胶囊、封孔胶囊、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ，注气主管路一端与注气胶囊一端连通，气体流量计、压力表、截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ装在注气主管路上，且气体流量计、压力表、截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ分别与注气胶囊之间的距离依次增加；注气支管路一端连接在截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ之间的管路上，注气支管路另一端与注气胶囊一端连通，气压传感器、压力泵和截止阀Ⅲ装在注气支管路上，且气压传感器、压力泵和截止阀Ⅲ分别与注气胶囊之间的距离依次增加；注气胶囊另一端与注气探管的一端连通，注气探管的另一端密封且与封孔胶囊的一端固定连接，注气胶囊另一端通过注气软管与封孔胶囊一端连通，注气探管的管壁上开设多个通孔，封孔胶囊外表面和注气胶囊外表面均装有密封圈，具体步骤为：
A、确定注气钻孔的钻设位置及数量：将注气钻孔的钻设位置确定在煤层蹬空区正上方的预开采煤层上表面，并等间隔设置至少5个注气钻孔；
B、施工钻孔：按照步骤A设定的位置及数量，从预开采煤层上表面自上而下向煤层蹬空区垂直钻设钻孔，钻孔深度不低于60m；
C、测试钻孔气密性：将注气装置中的封孔胶囊和注气胶囊伸入钻孔内，且封孔胶囊的密封圈和注气胶囊的密封圈与钻孔紧密贴合，使封孔胶囊、注气胶囊和部分钻孔壁形成密封空间，将注气主管路另一端与惰性气体罐Ⅰ连接，打开截止阀Ⅰ和截止阀Ⅱ，注入的惰性气体从注气主管路进入注气胶囊，然后惰性气体从注气探管的通孔进入密封空间，采用气体检测仪实时检测钻孔周围该惰性气体的浓度，若气体检测仪检测的惰性气体浓度值处于标准值以内，则确定该钻孔的气密性合格；若气体检测仪检测的惰性气体浓度值大于标准值，则确定该钻孔的气密性不合格；若当前测试的钻孔气密性合格，则进行下一个钻孔的测试，若当前测试的钻孔气密性不合格，则采用注浆封填该钻孔后进行下一个钻孔的测试；直至完成所有钻孔的气密性测试；
D、注气并记录数据：将注气装置中的封孔胶囊和注气胶囊伸入气密性合格的钻孔，且封孔胶囊的密封圈和注气胶囊的密封圈均与气密性合格的钻孔紧密贴合；将注气主管路另一端惰性气体罐Ⅱ，打开截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ，注入的惰性气体从注气主管路进入注气胶囊，然后注气胶囊内的部分惰性气体从注气探管进入钻孔内，另外部分惰性气体通过注气软管进入封孔胶囊，最终惰性气体从封孔胶囊另一端进入钻孔内，此时通过压力表记录当前的实时气压数值和通过气体流量计记录实时的注气速度，然后将封孔胶囊和注气胶囊在钻孔内向下移动一段距离后重复上述注气过程，然后再次记录当前的实时气压数值和记录实时的注气速度，如此循环，直至完成该钻孔的注气观测；将其余钻孔均进行注气观测后，使每个钻孔不同深度时测试的气压数值和注气速度绘制成图表；
E、判断蹬空开采可行性：观察各个钻孔得出的图表，根据每个钻孔不同深度检测的气压数值和注气速度，能确定蹬空区内弯曲下沉带、裂隙带和垮落带，各个带的具体位置及深度，具体过程为：将注气速度处于0.10m3/min以内的深度确定为弯曲下沉带，由于注气速度较慢，说明该范围内的岩层完整性好，裂隙不发育；将注气速度突然增大至0.20m3/min的深度确定为裂隙带；此时注气速度为弯曲下沉带的至少2倍，该范围内岩层裂隙发育，判定为裂隙带；在注气速再次增大至0.30m3/min以上的深度确定为垮落带，若判断的垮落带深度处于距离钻孔注气口50m以内，则说明蹬空区内垮落带范围过大，从而判断不适于进行蹬空开采；反之则适于进行蹬空开采。
2. 根据权利要求1 所述的一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的方法，其特征在于，还包括F、钻孔窥视仪观测岩层结构：采用步骤E注气实验后留下的钻孔，通过现有的钻孔窥视仪对煤层底板一定范围的岩层进行成像观测，最终根据得出岩层的真实结构图像，对步骤E确定的煤层蹬空区的开采可行性进行验证。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的方法，其特征在于，所述惰性气体罐Ⅰ内的惰性气体密度小于空气密度。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的方法，其特征在于，所述惰性气体罐Ⅱ内的惰性气体密度大于空气密度。
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Application publication date: 20190726 Assignee: XUZHOU XINNANHU TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: XUZHOU University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023320000175 Denomination of invention: A gas injection device and method for determining the feasibility of drilling and gas injection in empty hole mining Granted publication date: 20230317 License type: Common License Record date: 20230731 |