CN110487664B - 基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明中公开了一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置，包括，模拟室和模拟调节器；模拟室内设有取样器；取样器固定端的排气管通过第一导管与第一三通管一端连接，且排气管上设有排气阀；取样器设置在质量检测器的称量托盘上；第一三通管剩余两端分别连接压力表和第二导管连接，第二导管与第二三通管一端连接，第二三通管剩余的两端分别与穿过模拟室的交换气管和真空气管连接；第二导管、交换气管和真空气管上分别设有第一气阀、第二气阀和第三气阀。有益效果实现了煤层瓦斯压力与煤层瓦斯含量的精确测量与计算，有利于矿井的安全措施的实施。有利于估算瓦斯含量，从而确定瓦斯的产量。有利于减少人工的成本以及时间的投入。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭瓦斯检测领域，具体涉及一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置及施工方法。
背景技术
煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标，在煤层突出危险性指标重要性排序中位居前列，不论是煤中的游离瓦斯量，还是吸附瓦斯量，皆与瓦斯压力密切相关。同时煤层瓦斯压力还是决定瓦斯流动动力人及瓦斯动力现象潜能大小的基本参数，在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽采与瓦斯突出问题中具有指导意义。
煤层瓦斯含量是单位质量煤中的瓦斯体积。在我国由于煤层瓦斯含量测定方法的不同，瓦斯含量的内涵也不同，间接法测试瓦斯含量时，瓦斯含量为吸附瓦斯含量和游离瓦斯含量之和，当直接法测试时，煤层瓦斯含量则包含煤样解吸瓦斯含量、损失瓦斯含量和残存量三部分。
“以孔代巷”区域瓦斯治理技术以定向长钻孔为基础，定向长钻孔往往长达数百米甚至上千米，这也使得煤层瓦斯压力、含量传统测试方法在定向长钻孔中应用存在以下缺陷：
(1)我国煤层的渗透性普遍极低，而定向长钻孔往往长达数百米甚至上千米，通过自然渗透使钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力需要很长时间，且对封孔要求极高，直接测试方法耗时费力且可靠性差
(2)使用直接法测试瓦斯含量，在定向长钻孔中取样耗时较长，瓦斯在取样过程中大量逸散，使用现有方法反推的损失量存在很大误差，会造成整体瓦斯含量测试偏低。
发明内容
为了解决煤层瓦斯参数检测难的问题，本发明提供一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置及施工方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置，包括，模拟煤样实际环境的模拟室和控制模拟环境的模拟调节器；所述模拟室与模拟调节器相通连接；所述模拟室内设有：煤和瓦斯的压力密封取样器；所述取样器固定端的排气管通过第一导管与第一三通管一端连接，且排气管上设有排气阀；所述取样器设置在质量检测器的称量托盘上；所述第一三通管剩余两端分别连接压力表和第二导管连接，所述第二导管与第二三通管一端连接，第二三通管剩余的两端分别与穿过模拟室的交换气管和真空气管连接；所述第二导管、交换气管和真空气管上分别设有第一气阀、第二气阀和第三气阀；所述取样器内部设有存芯室；所述存芯室一端与设在固定端的排气管相通；存芯室另一端内壁通过环形阵列设置第三铰接链与伸缩杆一端铰接，所述伸缩杆另一端与设置在密封板后端侧面的第二铰接链铰接；固定在密封板前端侧面的第一铰接链与取样器的内壁铰接；在取样器内壁设有供密封板自由端摆动的凹槽。
其中，所述伸缩杆是电动伸缩杆。
其中，所述质量检测器为高精度天平。
一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置的施工方法，包括如下步骤：a、在适宜的试验地点，采用千米定向钻机实施超长定向钻孔，到达预定位置后继续钻进进入煤层，通过钻进参数的变化确保钻头仅揭露煤层表层；检测并记录步骤a中煤层表层的温度T。
b、在退出千米定向钻机的钻杆和钻头后，把取样器装在钻杆的工作端；并把取样器重新送到步骤a中煤层表层位置。
c、在取样器中的密封板和排气阀完全密闭的情况下，继续对煤层钻深L米后；再通过伸缩杆完全打开密封板，让煤样进入存芯室后，再完全关闭密封板。
d、对步骤c中完成取样的取样器，退出后检查取样器的气密性；若存在漏气的情况，则把取样器内部清理后，重新按照步骤b执行，直至取样器不存在漏气。
e、通过模拟调节器控制模拟室内温度与步骤b中检测的参数一致。
f、在模拟室中把密封性良好的取样器单独放置在质量检测器上，待稳定后，测得质量为；把取样器接入检测装置后，仅打开排气阀，待压力表的读数稳定，测得压力为。
g、在步骤f的基础上，再打开第一气阀和第三气阀，并启动抽真空装置，对煤样抽真空并保压不低于48小时后，关闭阀门排气阀；把取样装置脱离检测装置，再次称量质量，进而算的瓦斯总质量/>。
h、再把取样装置连接到检测装置，仅关闭第三阀门，通过交换气管往取样器内注入煤样不可吸附的已知气体直到质量检测器的质量为；
再关闭第一气阀、第二气阀，待压力表稳定后，记录压力；通过查表对压力/>、温度为T时已知气体的密度/>，进而算的取样装置中的死空间为/>。
i、让取样装置（1）脱离检测装置，打开排气阀（211），对煤样总量单独测质量为,，进而得到瓦斯含量/>；
j、对煤样中小煤块加工成规则形状，利用密度体积法，得到煤样的总体积；检测规则煤块的孔隙率/>，得到总孔隙率/>；再结合步骤f中压力/>、步骤h中死空间，得到煤层瓦斯压力/>。
其中，步骤h中所述已知气体为氦气。
步骤j中，总体积步骤包括：测量体积/>，质量为/>，进而得到煤样密度；从而得到煤样的总体积/>。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：实现了煤层瓦斯压力与煤层瓦斯含量的精确测量与计算，有利于矿井的安全措施的实施。有利于估算瓦斯含量，从而确定瓦斯的产量。有利于减少人工的成本以及时间的投入。
附图说明
图1为本发明中检测装置的示意图；
图2为本发明中取样器的结构示意图。
图中，1取样器、11固定端、12钻齿、2存芯室、21排气管、211排气阀、22凹槽、23密封板、24第一铰接链、25第二铰接链、26伸缩杆、27第三铰接链、3模拟室、31模拟调节器、4质量检测器、51第一导管、52第二导管、61第一三通管、62第二三通管、7压力表、81第一气阀、82第二气阀、83第三气阀、91交换气管、92真空气管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置，其特征在于：包括，模拟煤样实际环境的模拟室3和控制模拟环境的模拟调节器31；所述模拟室3与模拟调节器31相通连接；其中，模拟调节器31主要控制的是温度，保持模拟室3中的温度与煤层的温度一致。
所述模拟室3内设有：煤和瓦斯的压力密封取样器1；所述取样器1固定端11的排气管21通过第一导管51与第一三通管61一端连接，且排气管21上设有排气阀211；所述取样器1设置在质量检测器4的称量托盘上；其中质量检测器4可以是高精度的天平等其他测量设备。
所述第一三通管61剩余两端分别连接压力表7和第二导管52连接，所述第二导管52与第二三通管62一端连接，第二三通管62剩余的两端分别与穿过模拟室3的交换气管91和真空气管92连接。所述第二导管52、交换气管91和真空气管92上分别设有第一气阀81、第二气阀82和第三气阀83。
所述取样器1内部设有存芯室2；所述存芯室2一端与设在固定端11的排气管21相通；存芯室2另一端内壁通过环形阵列设置第三铰接链27与伸缩杆26一端铰接，所述伸缩杆26另一端与设置在密封板23后端侧面的第二铰接链25铰接；固定在密封板23前端侧面的第一铰接链24与取样器1的内壁铰接；在取样器1内壁设有供密封板23自由端摆动的凹槽22。其中，考虑到伸缩杆26的实际操作性，伸缩杆26是电力驱动。
由于密封板23的前后两侧面都是铰接的结构，因此当伸缩杆26同时工作后，就会把这个密封板23回缩，导致密封板23的前端挤压接触，同时密封板23后端的前侧面与凹槽22的前边缘挤压接触，利用这种挤压接触就让整个存芯室2内构成了密封的空间，为了实现气密性，可以在密封板23的外部包裹柔性材料。其中凹槽22的作用不仅是为了便于密封板23旋转的方便，更重要是可以便于密封板23的后端前侧面可以更好挤压密封。
对于本发明中具体的施工方法，包括如下步骤：
a、在适宜的试验地点，采用千米定向钻机实施超长定向钻孔，到达预定位置后继续钻进进入煤层，通过钻进参数的变化确保钻头仅揭露煤层表层，对于表层的确认可以通过钻机的扭矩等参数的突然变化来确定。在破坏表层后，检测并记录步骤a中煤层表层的温度T。
b、在退出千米定向钻机的钻杆和钻头后，把取样器1装在钻杆的工作端；并把取样器1重新送到步骤a中煤层表层位置。
c、在取样器1中的密封板23和排气阀211完全密闭的情况下，继续对煤层钻深L米后，一般L长度为0.5至1米；再让伸缩杆26完全打开密封板23，在持续钻进下，让煤样进入存芯室2后，再完全关闭密封板23。
d、对步骤c中完成取样的取样器23，退出后检查取样器23的气密性；若存在漏气的情况，则把取样器1内部清理后，重新按照步骤b执行，直至取样器23不存在漏气。
e、通过模拟调节器31控制模拟室3内温度与步骤b中检测的参数一致。
f、在模拟室3中把密封性良好的取样器1单独放置在质量检测器4上，待稳定后，测得质量为。
把取样器1接入检测装置后，仅打开排气阀211，待压力表7的读数稳定，测得压力为。
g、在步骤f的基础上，再打开第一气阀81和第三气阀83，并启动抽真空装置，对煤样抽真空并保压不低于48小时后，关闭阀门排气阀211。
把取样装置1脱离检测装置，再次称量质量，进而算的瓦斯总质量。
h、再把取样装置1连接到检测装置，仅关闭第三阀门83，通过交换气管91往取样器1内注入煤样不可吸附的已知气体直到质量检测器4的质量为；其中所述已知气体是氦气。
再关闭第一气阀81、第二气阀82，待压力表7稳定后，记录压力；通过查表对压力/>、温度为T时已知气体的密度/>，进而算的取样装置1中的死空间为/>。
i、让取样装置（1）脱离检测装置，打开排气阀（211），对煤样总量单独测质量为，进而得到瓦斯含量/>。
j、对煤样中小煤块加工成规则形状，利用密度体积法，得到煤样的总体积。具体的计算步骤可以是：测量规则煤块体积/>，质量为/>，进而得到煤样密度；从而得到煤样的总体积/>。
检测规则煤块的孔隙率，得到总孔隙率/>。
再结合步骤f中压力、步骤h中死空间/>，得到煤层瓦斯压力/>；具体的计算步骤如下：/>。
通过本发明中提及的瓦斯参数检测，以及使用上述的检测方法，有效克服了使用现有技术检测瓦斯含量时，存在的问题，比如待检测的瓦斯泄露等。
同时，使用本发明装置还可以高效的检测出瓦斯含量中诸如：死空间体积、瓦斯含量/>、煤样密度/>、煤样的总体积/>、总孔隙率/>以及煤层瓦斯压力/>等参数。
Claims (4)
1.一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置，其特征在于：包括，
模拟煤样实际环境的模拟室(3)和控制模拟环境的模拟调节器(31)；所述模拟室(3)与模拟调节器(31)相通连接；
所述模拟室(3)内设有：煤和瓦斯的压力密封取样器(1)；所述取样器(1)固定端(11)的排气管(21)通过第一导管(51)与第一三通管(61)一端连接，且排气管(21)上设有排气阀(211)；所述取样器(1)设置在质量检测器(4)的称量托盘上；
所述第一三通管(61)剩余两端分别连接压力表(7)和第二导管(52)连接，所述第二导管(52)与第二三通管(62)一端连接，第二三通管(62)剩余的两端分别与穿过模拟室(3)的交换气管(91)和真空气管(92)连接；
所述第二导管(52)、交换气管(91)和真空气管(92)上分别设有第一气阀(81)、第二气阀(82)和第三气阀(83)；
所述取样器(1)内部设有存芯室(2)；所述存芯室(2)一端与设在固定端(11)的排气管(21)相通；存芯室(2)另一端内壁通过环形阵列设置第三铰接链(27)与伸缩杆(26)一端铰接，所述伸缩杆(26)另一端与设置在密封板(23)后端侧面的第二铰接链(25)铰接；
固定在密封板(23)前端侧面的第一铰接链(24)与取样器(1)的内壁铰接；
在取样器(1)内壁设有供密封板(23)自由端摆动的凹槽(22)；
所述伸缩杆(26)是电动伸缩杆；所述质量检测器(4)为高精度天平。
2.一种权利要求1所述的基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
a、在适宜的试验地点，采用千米定向钻机实施超长定向钻孔，到达预定位置后继续钻进进入煤层，通过钻进参数的变化确保钻头仅揭露煤层表层；检测并记录步骤a中煤层表层的温度T；
b、在退出千米定向钻机的钻杆和钻头后，把取样器(1)装在钻杆的工作端；并把取样器(1)重新送到步骤a中煤层表层位置；
c、在取样器(1)中的密封板(23)和排气阀(211)完全密闭的情况下，继续对煤层钻深L米后；再通过伸缩杆(26)完全打开密封板(23)，让煤样进入存芯室(2)后，再完全关闭密封板(23)；
d、对步骤c中完成取样的取样器(23)，退出后检查取样器(23)的气密性；若存在漏气的情况，则把取样器(1)内部清理后，重新按照步骤b执行，直至取样器(23)不存在漏气；
e、通过模拟调节器(31)控制模拟室(3)内温度与步骤b中检测的参数一致；
f、在模拟室(3)中把密封性良好的取样器(1)单独放置在质量检测器(4)上，待稳定后，测得质量为Mini；
把取样器(1)接入检测装置后，仅打开排气阀(211)，待压力表(7)的读数稳定，测得压力为Pini；
g、在步骤f的基础上，再打开第一气阀(81)和第三气阀(83)，并启动抽真空装置，对煤样抽真空并保压不低于48小时后，关闭阀门排气阀(211)；
把取样装置(1)脱离检测装置，再次称量质量Mdra，进而算的瓦斯总质量Mtol＝Mini-Mdra；
h、再把取样装置(1)连接到检测装置，仅关闭第三阀门(83)，通过交换气管(91)往取样器(1)内注入煤样不可吸附的已知气体直到质量检测器(4)的质量为Mini；
再关闭第一气阀(81)、第二气阀(82)，待压力表(7)稳定后，记录压力Phe；通过查表对压力Phe、温度为T时已知气体的密度σhe，进而算的取样装置(1)中的死空间为Vcon；
i、让取样装置(1)脱离检测装置，打开排气阀(211)，对煤样总量单独测质量为Mcoal，进而得到瓦斯含量Wch4＝Mtol/Mcoal；
j、对煤样中小煤块加工成规则形状，利用密度体积法，得到煤样的总体积Vcoal；
检测规则煤块的孔隙率得到总孔隙率Vpor；
再结合步骤f中压力Pini、步骤h中死空间Vcon，得到煤层瓦斯压力Pseam。
3.根据权利要求2所述的基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置的施工方法，其特征在于：步骤h中所述已知气体为氦气。
4.根据权利要求2所述的基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置的施工方法，其特征在于：步骤j中得到总体积Vcoal步骤包括：
测量规则煤块体积Vsam和质量Msam，进而得到煤样密度σcoal；再结合煤样的总质量Mcoal，从而得到煤样的总体积Vcoal。
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