CN110307035A - 测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置及方法，以克服现场测试煤层瓦斯基础参数方法复杂和对瓦斯堆积带预测方法甚少的缺陷，而提供一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的无线装置及方法，使其数据传输稳定可靠，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。属于矿山瓦斯治理监测领域。

Description

测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置及方法，属于矿山瓦斯治理监测领域。

背景技术

现阶段,煤矿采取了很多防治瓦斯事故的措施,但瓦斯事故仍然频发,而且瓦斯事故多为重大及特大事故,究其原因,是由于对井下煤层瓦斯赋存分布规律不明,瓦斯防范措施针对性不强。对于煤矿而言,进行瓦斯参数测定是十分重要的工作,通过此项工作,能够为初步设计、安全专篇、瓦斯抽采设计提供基础数据。

煤层瓦斯基础参数测定就是指通过一系列的现场数据实测和实验室数据分析而得到一定区域有关煤层瓦斯的基本参数,其中现场实测数据包括煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、钻孔流量衰减系数、抽采半径等参数。但由于现场条件限制，测试瓦斯压力时依据AQT1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》，被动测量法需在打孔后退钻安装测压管并封孔，此后还需人员进行每日观察记录数据，测试工作耗费了大量的时间、人力及物力，且极度依赖封孔效果，进而无法准确测量煤层瓦斯参数变化。且众多工程实践表明,在突出煤层尤其是松软高地应力突出煤层的钻孔施工过程中,常常发生从钻孔中喷出煤和瓦斯的现象,这是煤层中存在着瓦斯压力与瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝,即瓦斯堆积带，其为诱发煤与瓦斯突出的主要原因之一，因此对瓦斯堆积带的预测对井下掘进的效率和安全具有重要研究意义。

发明内容

本发明提供一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置及方法，克服现场测试煤层瓦斯基础参数方法复杂和对瓦斯堆积带预测方法甚少的缺陷，而提供一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的无线装置及方法，使其数据传输稳定可靠，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

为解决上述问题，拟采用这样一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置，包括装置外壳和套设于装置外壳外部的透气外壳，透气外壳上开设有进气口，进气口上覆防水透气膜，透气外壳的外壁上固定有无线信号发射器3，透气外壳还连通有导气管，所述装置外壳的外壁上固定有流量传感器4，装置外壳内固定有底座，装置外壳内与底座相对的另一侧设置有活动木塞，底座的表面固定有压力传感器，且压力传感器与活动木塞之间通过弹簧连接，与弹簧相对的活动木塞的另一侧设置有气球，气球的球体部设置于装置外壳内，且活动木塞与气球表面贴合，气球的进气咀穿过装置外壳并伸至装置外壳与透气外壳之间，装置外壳内还固定有控制单元，所述压力传感器、流量传感器和无线信号发射器均分别与控制单元相连。

前述装置中，所述装置外壳为封闭的空心球体，装置外壳上开设有引出孔，所述气球的进气咀经引出孔伸出至装置外壳的外部，且气球的外表面与气球穿出孔之间密封粘接，所述控制单元与流量传感器和无线信号发射器之间的连接线也均通过引出孔引出，且连接线与引出孔之间也密封粘接；

前述装置中，透气外壳为球形金属外壳，装置外壳与透气外壳之间固定连接，连接方式可采用设置于二者之间的金属连接块焊接固定，以实现二者间的连接固定，具体制作时，装置外壳与透气外壳均由两个半球形结构扣合而成，接缝处满焊；

前述装置中，所述透气外壳的一侧还贴合设置有垫板，与透气外壳相对的垫板的另一侧垂直固定有推杆，垫板和推杆的中部开设有连通的通孔，所述导气管经通孔引出，且导气管的引出端上设置有阀门或橡胶塞。

其使用方法如下：

通过钻孔系统钻入煤体并达到指定深度，钻孔系统使用空心钻头，钻入后，将上述装置通过空心结构导入钻入位置，其具体检测方法如下：

(1)煤层瓦斯压力在自然渗透作用下进入气球，球体膨胀以初始压力0.05MPa的推动压力状态下推动活动木塞压缩弹簧，压力传感器检测弹簧传递的压力值并传递至控制单元，经由无线信号发射器将数据发至上位机，上位机根据每个压力数据自动生成每日、每周和每月的压力曲线图，依据AQT1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》，当三日内压力变化小于0.015MPa时，该装置检测的三天前的压力值即为测定的瓦斯压力值；

(2)在瓦斯压力测量完毕3天后，将导气管与外部大气相连，假设瓦斯在煤层中的流动符合达西定律，在理想气体状态下，采用径向流量法来测试煤层瓦斯衰减系数和透气性系数，该装置共有12个进气口，每个进气口下覆一个流量传感器，对30天下的瓦斯流量数据根据公式q_t＝q₀·e^-at进行回归计算，生成回归曲线图，记录回归方程中α值及q_t，其中e表示自然对数,q_t表示经过t时间后的钻孔瓦斯流量，m³/min；q₀表示钻孔初始瓦斯流量，m³/min；t表示时间，d；α表示钻孔瓦斯流量衰减系数，d^-1，检测透气性系数时输入煤层瓦斯含量，瓦斯压力，煤密度，煤层厚度，钻孔半径，根据径向不稳定流量公式得到30天检测数据下该点的煤层透气性系数λ；

(3)根据瓦斯流动规律，煤层瓦斯富集区中有一瓦斯分子通过层流运动至钻孔位置，假设煤层中的瓦斯流动符合Darcy规律，且为均质，即由可得煤层渗透率，其中，λ表示透气性系数，m²/(MPa²·d)；K为渗透率，mD；B为转换系数，其中p₀为煤层瓦斯的绝对压力，MPa；ɑ表示瓦斯含量系数，m³/m³.MPa^0.5；R为钻孔半径，m；μ表示动力粘度系数，Pa·S；pn为大气压力，MPa，联立Darcy公式和泊肃叶方程

求解可得未知点处压力P₁和与测量点L，式中Q为渗流量，cm³/s；P₁为预测点的气体压力，MPa；P₂为测量点的大气压力，MPa；L为测量点与预测点间的距离，m；d为平均煤厚，m；在本煤层距测点50m位置依次布置四个可围成正方形的点，对四个测量点A₁，A₂，A₃，A₄依次连接围成正方形，根据计算所得测量点与预测点之间的距离L₁，……，L_n得到预测点a₁，……，a_n，由预测点做平行线划分正方形，相交的地方即为预测瓦斯堆积带；

(4)在瓦斯压力，煤层透气性系数和衰减系数测试完毕后，基于钻孔瓦斯流量和测试的瓦斯压力确定煤层抽采有效半径，对单孔瓦斯抽采量进行实测，由

得到抽采时间t内的百米钻孔瓦斯抽采总量Qt，m³；再结合得到抽采效率，式中η为抽采效率，％；Q_j为钻孔极限瓦斯涌出量，Q_j＝1440q₀/α，m3；得抽采影响范围公式式中L为钻孔长度，m；M为煤层平均厚度，m；D为钻孔抽放影响范围(直径)，m；Y为煤的视密度，t/m³；X为煤层瓦斯含量，m³/t。

与现有技术相比，本发明所述装置的检测系统放置于装置外壳及透气外壳内，减少了钻孔深度过长以及封孔不严实对检测效果的不利影响；通过无线信号传输，将检测系统与上位机连接，便于系统的储存和处理，减少了人工读数的时间及误差读数的影响；瓦斯压力——煤层透气性系数——煤层衰减系数——抽采有效半径的一体化检测顺序减少了打多孔测定参数的复杂人工检测方法；用所测数据预测瓦斯堆积带，方便安全；监测装置解决了不带显示的无线装置的参数配置问题，方便调试，便于观察，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的信号传输原理图；

图3是瓦斯堆积带预测原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

参照图1至图3，本实施例提供一种测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置，包括装置外壳1和套设于装置外壳1外部的透气外壳2，透气外壳2上开设有进气口201，进气口201上覆防水透气膜202，透气外壳2的外壁上固定有无线信号发射器3，透气外壳2还连通有导气管11，所述装置外壳1的外壁上固定有流量传感器4，装置外壳1内固定有底座5，装置外壳1内与底座5相对的另一侧设置有活动木塞7，底座5的表面固定有压力传感器6，且压力传感器6与活动木塞7之间通过弹簧8连接，与弹簧8相对的活动木塞7的另一侧设置有气球9，气球9的球体部设置于装置外壳1内，且活动木塞7与气球9表面贴合，气球9的进气咀穿过装置外壳1并伸至装置外壳1与透气外壳2之间，装置外壳1内还固定有控制单元10，所述压力传感器6、流量传感器4和无线信号发射器3均分别与控制单元10相连。

装置外壳1为封闭的空心球体，装置外壳1上开设有引出孔101，所述气球9的进气咀经引出孔101伸出至装置外壳1的外部，且气球9的外表面与气球穿出孔11之间密封粘接，所述控制单元10与流量传感器4和无线信号发射器3之间的连接线也均通过引出孔101引出，且连接线与引出孔101之间也密封粘接；透气外壳2为球形金属外壳，装置外壳1与透气外壳2之间固定连接，连接方式可采用设置于二者之间的金属连接块焊接固定，以实现二者间的连接固定，具体制作时，装置外壳1与透气外壳2均由两个半球形结构扣合而成，接缝处满焊；透气外壳2的一侧还贴合设置有垫板12，与透气外壳2相对的垫板12的另一侧垂直固定有推杆13，垫板12和推杆13的中部开设有连通的通孔1201，所述导气管11经通孔1201引出，且导气管11的引出端上设置有阀门或橡胶塞。

其使用方法如下：

通过钻孔系统钻入煤体并达到指定深度，钻孔系统使用空心钻头，钻入后，将上述装置通过空心结构导入钻入位置，安装套管并进行注浆封孔，关闭导气管11避免气室与大气相连，再通过上位机接收检测系统发来的无线信号进行处理使最终结果输出在显示屏上。监测系统可控制要显示的瓦斯基础参数测试，也可对具体数据进行查看和编辑，其具体检测方法如下：

(1)封孔后，煤层瓦斯在自然渗透作用下进入气球9(气球9优选对气压感应敏感的微型气球，可在现有常规气球材料基础上做的更薄即可，使其对气压更为敏感)，球体膨胀以初始压力0.05MPa的推动压力状态下推动活动木塞7压缩弹簧8(弹簧8优选对压力感应敏感的压敏型弹簧)，压力传感器6检测弹簧8传递的压力值并传递至控制单元10，经由无线信号发射器3将数据发至上位机，上位机如图2所示，包括无线信号处理器、MCU微控单元和显示屏，无线信号发射器3将信号上传至无线信号处理器，无线信号处理器对接收的信号处理后传输至MCU微控单元，MCU微控单元用于数据处理，上位机根据每个压力数据自动生成每日、每周和每月的压力曲线图，依据AQT1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》，当三日内压力变化小于0.015MPa时，该装置检测的三天前的压力值即为测定的瓦斯压力值；

(2)在瓦斯压力测量完毕3天后，将导气管11与外部大气相连，假设瓦斯在煤层中的流动符合达西定律，在理想气体状态下，采用径向流量法来测试煤层瓦斯衰减系数和透气性系数，该装置共有12个进气口201(上覆防水透气膜)，每个进气口201下覆一个流量传感器4，对30天下的瓦斯流量数据根据公式q_t＝q₀·e^-at进行回归计算，生成回归曲线图，记录回归方程中α值及q_t，其中q_t表示经过t时间后的钻孔瓦斯流量，m³/min；q₀表示钻孔初始瓦斯流量，m³/min；t表示时间，d；α表示钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1，检测透气性系数时输入煤层瓦斯含量，瓦斯压力，煤密度，煤层厚度，钻孔半径，根据径向不稳定流量公式得到30天检测数据下该点的煤层透气性系数λ；

(3)根据瓦斯流动规律，煤层瓦斯富集区中有一瓦斯分子通过层流运动至钻孔位置，假设煤层中的瓦斯流动符合Darcy规律，且为均质，即由可得煤层渗透率，其中，λ表示透气性系数，m²/(MPa²·d)；K为渗透率，mD；B为转换系数，其中p₀为煤层瓦斯的绝对压力，MPa；ɑ表示瓦斯含量系数，m³/m³.MPa^0.5；R为钻孔半径，m；μ表示动力粘度系数，Pa·S；pn为大气压力，MPa，联立Darcy公式和泊肃叶方程

求解可得未知点处压力P₁和与测量点L，式中Q为渗流量，cm³/s；P₁为预测点的气体压力，MPa；P₂为测量点的大气压力，MPa；L为测量点与预测点间的距离，m；d为平均煤厚，m；在本煤层距测点50m位置依次布置四个可围成正方形的点，对四个测量点A₁，A₂，A₃，A₄依次连接围成正方形，根据计算所得测量点与预测点之间的距离L₁，……，L_n得到预测点a₁，……，a_n，由预测点做平行线划分正方形，相交的地方即为预测瓦斯堆积带，如图3所示；

(4)在瓦斯压力，煤层透气性系数和衰减系数测试完毕后，基于钻孔瓦斯流量和测试的瓦斯压力确定煤层抽采有效半径，对单孔瓦斯抽采量进行实测，由

得到抽采时间t内的百米钻孔瓦斯抽采总量，m³；再结合式中η为抽采效率，％；Q_j为钻孔极限瓦斯涌出量，Q_j＝1440q₀/α，m3；得抽采影响范围公式

式中L为钻孔长度，m；M为煤层平均厚度，m；D为钻孔抽放影响范围(直径)，m；Y为煤的视密度，t/m³；X为煤层瓦斯含量，m³/t。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置，其特征在于：包括装置外壳(1)和套设于装置外壳(1)外部的透气外壳(2)，透气外壳(2)上开设有进气口(201)，进气口(201)上覆防水透气膜(202)，透气外壳(2)的外壁上固定有无线信号发射器(3)，透气外壳(2)还连通有导气管(11)，所述装置外壳(1)的外壁上固定有流量传感器(4)，装置外壳(1)内固定有底座(5)，装置外壳(1)内与底座(5)相对的另一侧设置有活动木塞(7)，底座(5)的表面固定有压力传感器(6)，且压力传感器(6)与活动木塞(7)之间通过弹簧(8)连接，与弹簧(8)相对的活动木塞(7)的另一侧设置有气球(9)，气球(9)的球体部设置于装置外壳(1)内，且活动木塞(7)与气球(9)表面贴合，气球(9)的进气咀穿过装置外壳(1)并伸至装置外壳(1)与透气外壳(2)之间，装置外壳(1)内还固定有控制单元(10)，所述压力传感器(6)、流量传感器(4)和无线信号发射器(3)均分别与控制单元(10)相连。

2.根据权利要求1所述测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置，其特征在于：所述装置外壳(1)为封闭的空心球体，装置外壳(1)上开设有引出孔(101)，所述气球(9)的进气咀经引出孔(101)伸出至装置外壳(1)的外部，且气球(9)的外表面与气球穿出孔(11)之间密封粘接，所述控制单元(10)与流量传感器(4)和无线信号发射器(3)之间的连接线也均通过引出孔(101)引出，且连接线与引出孔(101)之间也密封粘接。

3.根据权利要求2所述测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置，其特征在于：透气外壳(2)为球形金属外壳，装置外壳(1)与透气外壳(2)之间固定连接，连接方式可采用设置于二者之间的金属连接块焊接固定，以实现二者间的连接固定，具体制作时，装置外壳(1)与透气外壳(2)均由两个半球形结构扣合而成，接缝处满焊。

4.根据权利要求3所述测试煤层瓦斯基础参数和预测瓦斯堆积带的装置，其特征在于：所述透气外壳(2)的一侧还贴合设置有垫板(12)，与透气外壳(2)相对的垫板(12)的另一侧垂直固定有推杆(13)，垫板(12)和推杆(13)的中部开设有连通的通孔(1201)，所述导气管(11)经通孔(1201)引出，且导气管(11)的引出端上设置有阀门或橡胶塞。

5.权利要求1-4中任一权利要求所述装置的使用方法，其特征在于：通过钻孔系统钻入煤体并达到指定深度，钻孔系统使用空心钻头，钻入后，将上述装置通过空心结构导入钻入位置，其具体检测方法如下：

1)煤层瓦斯压力在自然渗透作用下进入气球(9)，球体膨胀以初始压力0.05MPa的推动压力状态下推动活动木塞(7)压缩弹簧(8)，压力传感器(6)检测弹簧(8)传递的压力值并传递至控制单元(10)，经由无线信号发射器(3)将数据发至上位机，上位机根据每个压力数据自动生成每日、每周和每月的压力曲线图，当三日内压力变化小于0.015MPa时，该装置检测的三天前的压力值即为测定的瓦斯压力值；

2)在瓦斯压力测量完毕3天后，将导气管(11)与外部大气相连，假设瓦斯在煤层中的流动符合达西定律，在理想气体状态下，采用径向流量法来测试煤层瓦斯衰减系数和透气性系数，每个进气口(201)下覆一个流量传感器(4)，对30天下的瓦斯流量数据根据公式q_t＝q₀·e^-at进行回归计算，生成回归曲线图，记录回归方程中α值及q_t，其中q_t表示经过t时间后的钻孔瓦斯流量；q₀表示钻孔初始瓦斯流量；t表示时间；α表示钻孔瓦斯流量衰减系数，检测透气性系数时输入煤层瓦斯含量，瓦斯压力，煤密度，煤层厚度，钻孔半径，根据径向不稳定流量公式得到30天检测数据下该点的煤层透气性系数λ；

3)根据瓦斯流动规律，煤层瓦斯富集区中有一瓦斯分子通过层流运动至钻孔位置，假设煤层中的瓦斯流动符合Darcy规律，且为均质，即由可得煤层渗透率，其中，λ表示透气性系数，m²/(MPa²·d)；K为渗透率，mD；B为转换系数，其中p₀为煤层瓦斯的绝对压力；ɑ表示瓦斯含量系数；R为钻孔半径；μ表示动力粘度系数；p_n为大气压力，联立Darcy公式和泊肃叶方程求解可得未知点处压力P₁和与测量点L，式中Q为渗流量；P₁为预测点的气体压力；P₂为测量点的大气压力；L为测量点与预测点间的距离；d为平均煤厚；在本煤层距测点50m位置依次布置四个可围成正方形的点，对四个测量点A₁，A₂，A₃，A₄依次连接围成正方形，根据计算所得测量点与预测点之间的距离L₁，……，L_n得到预测点a₁，……，a_n，由预测点做平行线划分正方形，相交的地方即为预测瓦斯堆积带；

4)在瓦斯压力，煤层透气性系数和衰减系数测试完毕后，基于钻孔瓦斯流量和测试的瓦斯压力确定煤层抽采有效半径，对单孔瓦斯抽采量进行实测，由得到抽采时间t内的百米钻孔瓦斯抽采总量Q_t；再结合得到抽采效率，式中η为抽采效率；Q_j为钻孔极限瓦斯涌出量，Q_j＝1440q₀/α；得抽采影响范围公式式中L为钻孔长度；M为煤层平均厚度；D为钻孔抽放影响范围；Y为煤的视密度；X为煤层瓦斯含量。