CN111520131B - 一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力装置及方法，通过长钻孔超远距离原位测试煤层瓦斯压力，属于煤矿瓦斯地质及煤矿安全领域。一种原位测定煤层瓦斯压力装置，包括外部的壳体以及内嵌的测压模块、远程通讯模块、电源模块和封孔模块；所述壳体的头部与带控制阀的钻头进行可拆卸螺纹连接，尾部与钻杆进行可断开的插销连接；所述测压模块外部为设有若干个透气孔的测压网罩，内部设有瓦斯压力传感器及数据存储器；所述封孔模块可实现远距离原位自动封孔。本发明解决了传统瓦斯压力测定距离短、无巷道无法测压及无法鉴定突出危险性等难题，具有可远距离、多点测试瓦斯压力等优点，适用于远距离准确测定瓦斯参数和鉴定突出危险性。
Description
技术领域
本发明涉及矿山领域，具体涉及一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力装置及方法。
背景技术
煤层瓦斯压力是煤层突出危险性鉴定、煤层突出危险性预测、煤层瓦斯资源量计算、煤层瓦斯抽采设计、煤与瓦斯突出防治、瓦斯抽采及消突效果评价等的主要依据，准确、快速测定煤层瓦斯压力具有重要意义。目前瓦斯压力测定方法主要是在巷道向煤层打钻孔，并进行封孔形成密闭测压室，最后测定密闭测压室内瓦斯压力大小，钻孔长度一般为十几米～数十米。也就是，目前测定煤层瓦斯压力只能在巷道中就近向煤层钻孔测定瓦斯压力。同时由于测压点位置距巷道等采动影响区距离短，可能受采动影响使得围岩裂隙发育，钻孔密封难度大，从而影响瓦斯压力测定结果的准确性。
目前，现场煤层瓦斯压力测试和煤层突出危险性鉴定存在的问题是：没有巷道就无法在所需测压地点测定煤层瓦斯压力，通常需要先掘进底板岩巷到达测压地点附近，然后向煤层钻孔测压；或者在有第三方安全服务的条件下按突出煤层管理掘进煤巷到达测压地点，然后在煤层内钻孔测压。但是，施工专用岩巷或煤巷，周期长、费用高；同时，《防治煤与瓦斯突出细则》规定不鉴定煤层突出危险性又不允许在未鉴定区域掘进煤巷，有些省甚至不允许在未鉴定区域掘进岩巷，导致突出危险性鉴定与掘进测压专用巷道成为死循环。归根结底，无法远距离原位测定煤层瓦斯压力是其主要原因。因此，如何解决超远距离(数百米)煤层瓦斯压力快速、高效原位测定是目前煤矿生产急需解决的重大难题。
针对有重大需求、但目前又无法超远距离原位测定煤层瓦斯压力的问题，提出一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力装置及方法，不仅可以在没有巷道的情况下超远距离测定煤层瓦斯压力，而且测定投入少、时间短、费用低，测压位置和测压结果更准确，对生产影响小，对于远距离测试煤层瓦斯参数、远距离鉴定煤层突出危险性及远距离区域预测煤层突出危险性具有重要意义。
发明内容
为了解决超远距离(数百米)煤层瓦斯压力快速、高效原位测定的问题，本发明提供一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种原位测定煤层瓦斯压力装置，包括壳体，所述壳体头部与带控制阀的钻头可拆卸连接，尾部与钻杆通过钻杆短接可拆卸连接，所述带控制阀的钻头内部设有水压控制阀；还包括：从壳体头部至尾部方向上依次内嵌着的测压模块、远程通讯模块、电源模块和封孔模块。
所述测压模块外部为设有若干透气孔的测压网罩，内部设有瓦斯压力传感器和数据存储器；所述远程通讯模块内包括有线和/或无线通讯装置；所述电源模块分别与测压模块和远程通讯模块电连接。
所述封孔模块包括：封孔模块头部和尾部相对壳体的表面上设置的第一封孔胶囊和第二封孔胶囊，以及内嵌在壳体内且带有活塞的粘液存储腔；所述第一封孔胶囊的第一单向阀和第二封孔胶囊的第二单向阀与高压支路相通连接；
所述活塞推动端的进液口通过第三单向阀与高压支路相通连接；所述粘液存储腔的出液口与设在壳体表面且位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间的第四单向阀相连。
所述高压支路进水口与钻杆内的高压总路相通连接，出水口与钻头内部的水压控制阀相通连接；且所有单向阀及控制阀的压力满足：定向钻机水泵最小水压Pmin<钻进水压P<水压控制阀关闭压力P0＝第一单向阀的开启压力P1＝第二单向阀的开启压力P2<第三单向阀的开启压力P3＝第四单向阀的开启压力P4<定向钻机水泵最大水压Pmax。
进一步地，所述粘液存储腔接近第四单向阀处设有活塞定位档板。
进一步地，粘液存储腔中注入粘液体积V＝V1+3V2＝V1+0.75π(D12-D22)L；
其中，V1＝粘液存储腔内活塞定位档板至底部的容积；
V2＝壳体、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊与煤层钻孔壁之间的环形密闭空间的体积；
D1为：煤层钻孔直径；
D2为：壳体外径；
L为：第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间的间距。
进一步地，所述壳体头部与带控制阀的钻头进行可拆卸的螺纹连接。
进一步地，所述尾部与钻杆通过钻杆短接进行可断开的插销连接。
一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力方法，步骤一，预先使用千米定向钻机通过合适的煤岩层路径向目标煤层的待测压点附近钻出合适的定向长钻孔，定向钻进钻孔孔底距目标煤层测压点2-10米以保证测压点处于原位状态，防止煤层暴露和瓦斯漏失。然后退出定向钻杆和定向钻头；
步骤二，将合适的密封浆液灌入原位测定煤层瓦斯压力装置的粘液存储腔内；
步骤三，将定向钻头与定向钻杆拆开，将原位测定煤层瓦斯压力装置通过钻杆短接与定向钻杆连接，在前部安装带控制阀的钻头，利用千米定向钻机和定向钻杆把原位测定煤层瓦斯压力装置送入孔底，继续钻进到煤层测压室的底部，然后退回到使第一封孔胶囊位于测压室外缘；
步骤四，增大高压支路水压至P0，使得水压控制阀自动关闭，逐渐实现第一封孔胶囊和第二封孔胶囊的膨胀封孔；再持续增大水压至大于P3，使得活塞推动密封浆液注入第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间的空间并被活塞定位档板固定，高压粘液充满第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间的钻孔空间并封堵孔壁周围的裂隙。然后关闭高压水泵，水压控制阀主动打开，高压支路水压逐渐降到0，第三单向阀和第一单向阀、第二单向阀依次关闭，第一封孔胶囊和第二封孔胶囊始终处于膨胀状态；
步骤五，通过钻机带动定向钻杆的拉力断开与原位测定煤层瓦斯压力装置连接的钻杆短接，将定向钻杆退出，将原位测定煤层瓦斯压力装置留在原地，连续监测测压室的瓦斯压力，并通过远程通讯模块将数据传输至外部的信号接收装置；
步骤六、当瓦斯压力连续3天稳定在变化小于0.005MPa时，测压结束，稳定后的压力值即测压点处的煤层瓦斯压力；
步骤七，根据实际需要，可以进一步从主钻孔打出分支钻孔至其他测压点，并重复步骤二～步骤六进行其他测点的瓦斯压力原位测定。
进一步地，在步骤一中钻出定向长钻孔前，首先根据瓦斯压力测定位置、目标煤层属性、顶板属性、底板属性及钻孔成孔稳定性，优化并完成千米定向钻机在煤岩层中轨迹设计。
进一步地，在步骤一中定向钻孔孔底距目标煤层测压点的距离根据瓦斯压力测定位置附近煤岩层透气性调整，煤岩层透气性越好、距离越大。
进一步地，在步骤五中，远程通讯模块和外部的信号接收装置的通讯方式根据无线通讯范围确定；若距离较近，选择无线通讯方式连接；若距离较远，选择有线信号电缆连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过结合定向长钻孔和新型测压装置，充分发挥了定向长钻孔钻孔距离远、钻孔轨迹可控等优势，并通过新型测压装置可实现测压钻孔远距离封孔，弥补了传统瓦斯压力测定方法距离短、准确性差等不足，具有瓦斯压力测定距离远、钻孔密封性好、可多点测定等优势，同时可对监测瓦斯压力数据进行实时监控、采集和分析，对于煤矿安全、高效生产具有重要意义。
在此基础上，本发明还有以下的有益效果：
1、通过岩层钻场向目标煤层施工定向长钻孔，可实现百米及以上超远距离煤层瓦斯压力测定，无需施工专用测定瓦斯压力岩巷或煤巷，对煤矿正常生产作业影响较小，可保证煤矿正常接替生产，提高煤矿经济效益。
2、钻孔轨迹可控，能有效避开煤岩层采动区，防止钻孔内部周边微裂隙发育导致漏气，更易实现钻孔的有效密封，测定结果具有代表性。
3、利用分支钻孔可实现煤层瓦斯压力多点测定，可重复利用已完成的主孔钻孔，施工方便、效率高、代价小。
4、研发的新型测压钻孔装置可提前储存计算好体积的粘液，并通过控制定向钻机水泵水压实现封孔胶囊的自动密封和粘液的自动注入，操作简单、有效，彻底解决了远距离封孔难的问题。
5、研发的新型测压装置的测压模块安装有瓦斯压力传感器，可直接对密闭测压室内瓦斯压力进行测定；存储及远程通讯模块可对瓦斯压力数据进行存储、远程传输，同时可自适应调节瓦斯压力采集频率和传输频率，能有效降低耗电量，保证对瓦斯压力数据的实时、长期监测和接收。
附图说明
图1为本发明的超远距离原位测定煤层瓦斯压力的现场施工示意图。
图2为本发明的原位测定煤层瓦斯压力装置结构图。
图3为图2中A-A断面截图。
图中，1、目标煤层；2、顶板；3、采空区；4、底板；5、钻场；6、钻杆；7、原位测定煤层瓦斯压力装置；8、带控制阀的钻头；9、分支钻孔；10、壳体；11、水压控制阀； 12、钻杆短接；13、测压模块；14、远程通讯模块；15、电源模块；16、封孔模块；17、测压网罩；18、瓦斯压力传感器；19、数据存储器；20、第一封孔胶囊；21、第二封孔胶囊； 22、活塞；23、粘液存储腔；24、第一单向阀；25、第二单向阀；26、高压支路；27、第三单向阀；28、第四单向阀；29、高压总路；30、活塞定位档板；31、测压室。
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所示，一种原位测定煤层瓦斯压力装置，包括壳体10，所述壳体10头部与带控制阀的钻头8可拆卸连接，具体来说可以是螺纹连接；尾部与钻杆6通过钻杆短接12可拆卸连接，具体的可以将尾部与钻杆6通过钻杆短接12进行可断开的插销连接，所述带控制阀的钻头8内部设有水压控制阀11。
还包括：从壳体10头部至尾部方向上依次内嵌着的测压模块13、远程通讯模块14、电源模块15和封孔模块16。
所述测压模块13外部为设有若干透气孔的测压网罩17，内部设有瓦斯压力传感器18 和数据存储器19；所述远程通讯模块14内包括有线和/或无线通讯装置；所述电源模块15分别与测压模块13和远程通讯模块14电连接。
所述封孔模块16包括：封孔模块16头部和尾部相对壳体10的表面上设置的第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21，以及内嵌在壳体10内且带有活塞22的粘液存储腔23；所述第一封孔胶囊20的第一单向阀24和第二封孔胶囊21的第二单向阀25与高压支路26相通连接。
所述活塞22推动端的进液口通过第三单向阀27与高压支路26相通连接；所述粘液存储腔23的出液口与设在壳体10表面且位于第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21之间的第四单向阀28相连；所述粘液存储腔23接近第四单向阀28处设有活塞定位档板30。
粘液存储腔23中注入粘液体积V＝V1+3V2＝V1+0.75π(D12-D22)L。其中，V1＝粘液存储腔23内活塞定位档板30至底部的容积。
V2＝壳体10、第一封孔胶囊20、第二封孔胶囊21与煤层钻孔壁之间的环形密闭空间的体积。
D1为：煤层钻孔直径。
D2为：壳体10外径。
L为：第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21之间的间距。
所述高压支路26进水口与钻杆6内的高压总路29相通连接，出水口与钻头内部的水压控制阀11相通连接。
且所有单向阀及控制阀的压力满足：
定向钻机水泵最小水压Pmin<钻进水压P<水压控制阀11关闭压力P0＝第一单向阀24的开启压力P1＝第二单向阀25的开启压力P2<第三单向阀27的开启压力P3＝第四单向阀28的开启压力P4<定向钻机水泵最大水压Pmax。
当单向阀满足上述关系后，其使用的方法如下：
一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力方法，步骤一，预先使用千米定向钻机通过合适的煤岩层路径向目标煤层1的待测压点附近钻出合适的定向长钻孔，定向钻进钻孔孔底距目标煤层测压点2-10米以保证测压点处于原位状态，防止煤层暴露和瓦斯漏失。然后退出定向钻杆和定向钻头。
在钻出定向长钻孔前，首先根据瓦斯压力测定位置、目标煤层1属性、顶板2属性、底板4属性及钻孔成孔稳定性，优化并完成千米定向钻机在煤岩层中轨迹设计。其中，定向钻孔孔底距目标煤层测压点的距离根据瓦斯压力测定位置附近煤岩层透气性调整，煤岩层透气性越好、距离越大。
步骤二，将合适的密封浆液灌入原位测定煤层瓦斯压力装置7的粘液存储腔23内。
步骤三，将定向钻头与定向钻杆拆开，将原位测定煤层瓦斯压力装置7通过钻杆短接 12与定向钻杆连接，在前部安装带控制阀的钻头8，利用千米定向钻机和定向钻杆把原位测定煤层瓦斯压力装置7送入孔底，继续钻进到煤层测压室31的底部，然后退回到使第一封孔胶囊20位于测压室31外缘。
步骤四，增大高压支路26水压至P0，使得水压控制阀11自动关闭，逐渐实现第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21的膨胀封孔；再持续增大水压至大于P3，使得活塞22推动密封浆液注入第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21之间的空间并被活塞定位档板30固定，高压粘液充满第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21之间的钻孔空间并封堵孔壁周围的裂隙。然后关闭高压水泵，水压控制阀11主动打开，高压支路26水压逐渐降到0，第三单向阀27和第一单向阀24、第二单向阀25依次关闭，第一封孔胶囊20和第二封孔胶囊21始终处于膨胀状态。
步骤五，通过钻机带动定向钻杆的拉力断开与原位测定煤层瓦斯压力装置7连接的钻杆短接12，将定向钻杆退出，将原位测定煤层瓦斯压力装置7留在原地，连续监测测压室31 的瓦斯压力，并通过远程通讯模块14将数据传输至外部的信号接收装置；远程通讯模块14 和外部的信号接收装置的通讯方式根据无线通讯范围确定；能够无线通讯时，使用无线电波通讯，在钻孔口外的信号接收装置上读出瓦斯压力值；距离太远不能无线通讯时，在步骤三需要将定向钻杆更换成空芯钻杆，钻杆内下通讯与供电电缆的护管，护管和通讯与供电电缆连接到原位测定煤层瓦斯压力装置(7)上，然后通过钻杆短接(12)将原位测定煤层瓦斯压力装置(7)连接到钻杆上，在前部安装带控制阀的钻头(8)，推进到定向钻孔孔底，并钻进、封孔、测压，退出钻杆时，将护管和电缆留在钻孔内，将钻孔外的电缆连接到信号接收装置上，在信号接收装置上读出瓦斯压力值。
步骤六、当瓦斯压力连续3天稳定在变化小于0.005MPa时，测压结束，稳定后的压力值即测压点处的煤层瓦斯压力。
步骤七，根据实际需要，可以进一步从主钻孔打出分支钻孔9至其他测压点，并重复步骤二～步骤六进行其他测点的瓦斯压力原位测定。
通过上述的实施步骤，完成了利用定向钻机和测压装置原位测定煤层瓦斯压力的方法。
Claims (9)
1.一种原位测定煤层瓦斯压力装置，其特征在于：
包括壳体(10)，所述壳体(10)头部与带控制阀的钻头(8)可拆卸连接，尾部与钻杆(6)通过钻杆短接(12)可拆卸连接，所述带控制阀的钻头(8)内部设有水压控制阀(11)；
还包括：从壳体(10)头部至尾部方向上依次内嵌着的测压模块(13)、远程通讯模块(14)、电源模块(15)和封孔模块(16)；
所述测压模块(13)外部为设有若干透气孔的测压网罩(17)，内部设有瓦斯压力传感器(18)和数据存储器(19)；所述远程通讯模块(14)内包括有线和/或无线通讯装置；所述电源模块(15)分别与测压模块(13)和远程通讯模块(14)电连接；
所述封孔模块(16)包括：封孔模块(16)头部和尾部相对壳体(10)的表面上设置的第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)，以及内嵌在壳体(10)内且带有活塞(22)的粘液存储腔(23)；所述第一封孔胶囊(20)的第一单向阀(24)和第二封孔胶囊(21)的第二单向阀(25)与高压支路(26)相通连接；
所述活塞(22)推动端的进液口通过第三单向阀(27)与高压支路(26)相通连接；所述粘液存储腔(23)的出液口与设在壳体(10)表面且位于第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)之间的第四单向阀(28)相连；
所述高压支路(26)进水口与钻杆(6)内的高压总路(29)相通连接，出水口与钻头内部的水压控制阀(11)相通连接；
且所有单向阀及控制阀的压力满足：
定向钻机水泵最小水压Pmin<钻进水压P<水压控制阀(11)关闭压力P0＝第一单向阀(24)的开启压力P1＝第二单向阀(25)的开启压力P2<第三单向阀(27)的开启压力P3＝第四单向阀(28)的开启压力P4<定向钻机水泵最大水压Pmax。
2.根据权利要求1所述的原位测定煤层瓦斯压力装置，其特征在于：所述粘液存储腔(23)接近第四单向阀(28)处设有活塞定位档板(30)。
3.根据权利要求1所述的原位测定煤层瓦斯压力装置，其特征在于：粘液存储腔(23)中注入粘液体积V＝V1+3V2＝V1+0.75π(D12-D22)L；
其中，V1为：粘液存储腔(23)内活塞定位档板(30)至底部的容积；
V2为：壳体(10)、第一封孔胶囊(20)、第二封孔胶囊(21)与煤层钻孔壁之间的环形密闭空间的体积；
D1为：煤层钻孔直径；
D2为：壳体(10)外径；
L为：第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)之间的间距。
4.根据权利要求1所述的原位测定煤层瓦斯压力装置，其特征在于：所述壳体(10)头部与带控制阀的钻头(8)进行可拆卸的螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的原位测定煤层瓦斯压力装置，其特征在于：所述尾部与钻杆(6)通过钻杆短接(12)进行可断开的插销连接。
6.一种超远距离原位测定煤层瓦斯压力方法，其特征在于：
步骤一，预先使用千米定向钻机通过合适的煤岩层路径向目标煤层(1)的待测压点附近钻出合适的定向长钻孔，定向钻进钻孔孔底距目标煤层测压点2-10米以保证测压点处于原位状态，防止煤层暴露和瓦斯漏失；
然后退出定向钻杆和定向钻头；
步骤二，将合适的密封浆液灌入原位测定煤层瓦斯压力装置(7)的粘液存储腔(23)内；
步骤三，将定向钻头与定向钻杆拆开，将原位测定煤层瓦斯压力装置(7)通过钻杆短接(12)与定向钻杆连接，在前部安装带控制阀的钻头(8)，利用千米定向钻机和定向钻杆把原位测定煤层瓦斯压力装置(7)送入孔底，继续钻进到煤层测压室(31)的底部，然后退回到使第一封孔胶囊(20)位于测压室(31)外缘；
步骤四，增大高压支路(26)水压至P0，使得水压控制阀(11)自动关闭，逐渐实现第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)的膨胀封孔；再持续增大水压至大于P3，使得活塞(22)推动密封浆液注入第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)之间的空间并被活塞定位档板(30)固定，高压粘液充满第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)之间的钻孔空间并封堵孔壁周围的裂隙；
然后关闭高压水泵，水压控制阀(11)主动打开，高压支路(26)水压逐渐降到0，第三单向阀(27)和第一单向阀(24)、第二单向阀(25)依次关闭，第一封孔胶囊(20)和第二封孔胶囊(21)始终处于膨胀状态；
步骤五，通过钻机带动定向钻杆的拉力断开与原位测定煤层瓦斯压力装置(7)连接的钻杆短接(12)，将定向钻杆退出，将原位测定煤层瓦斯压力装置(7)留在原地，连续监测测压室(31)的瓦斯压力，并通过远程通讯模块(14)将数据传输至外部的信号接收装置；
步骤六、当瓦斯压力连续3天稳定在变化小于0.005MPa时，测压结束，稳定后的压力值即测压点处的煤层瓦斯压力；
步骤七，根据实际需要，可以进一步从主钻孔打出分支钻孔(9)至其他测压点，并重复步骤二～步骤六进行其他测点的瓦斯压力原位测定。
7.根据权利要求6所述超远距离原位测定煤层瓦斯压力方法，其特征在于：在步骤一中钻出定向长钻孔前，首先根据瓦斯压力测定位置、目标煤层(1)属性、顶板(2)属性、底板(4)属性及钻孔成孔稳定性，优化并完成千米定向钻机在煤岩层中轨迹设计。
8.根据权利要求6所述超远距离原位测定煤层瓦斯压力方法，其特征在于：在步骤一中定向钻孔孔底距目标煤层测压点的距离根据瓦斯压力测定位置附近煤岩层透气性调整，煤岩层透气性越好、距离越大。
9.根据权利要求6所述超远距离原位测定煤层瓦斯压力方法，其特征在于：在步骤五中，远程通讯模块(14)和外部的信号接收装置的通讯方式根据无线通讯范围确定；
若距离在无线通讯范围内，选择无线通讯方式连接；若距离不在无线通讯范围内，选择有线信号电缆连接。
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