CN113464122A - 一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，包括在待测煤层并排施工测压钻孔并进行扩孔、在测压钻孔周围施工若干辅助钻孔、将坐封式封隔器送进测压钻孔中、向坐封式封隔器注水实现对测压钻孔的初步封孔、向辅助钻孔和坐封式封隔器中注入半流体浆液对整个煤层中裂缝进行封堵、待煤层瓦斯压力测定结束后，取消测压钻孔的初步封孔并取出坐封式封隔器以上步骤；本方法中测压钻孔为中心的圆形煤层区域内全部裂隙漏风通道都得到有效封堵，改善了岩石是致密性和抗渗性，封闭了煤岩裂隙与外界的沟通通道，阻止了其他含瓦斯层瓦斯通过裂隙涌入瓦斯室内，达到防堵渗漏、提高煤岩体稳定性的作用，进而达到准确测定瓦斯压力的目的。

Description

一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法
技术领域
本发明涉及煤体钻孔测定瓦斯领域，具体涉及一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加，煤矿的瓦斯问题日益严重，煤层瓦斯压力测定是各个矿井在进行瓦斯防治过程中一项最基本的工作，准确的测压结果对于矿井的安全的生产有着重要意义。
目前，本煤层测压的方法大体上是由直接测定法和间接推算法构成，国内外普遍采用直接法来获取准确的结果，直接测定法是指在矿井巷道条件允许的条件下设计合理测压方案，然后运用钻机在岩巷或煤巷中施工测压钻孔，利用可靠的封孔材料和测压仪器测定煤层瓦斯压力的一种测压方法。在井下开采过程中，巷道掘进、钻孔施工以及周期来压等影响导致煤体产生破碎，在煤层施工测压钻孔后，钻孔周围会产生大量裂隙，煤体会形成各种漏风通道。
在直接测定法测压过程中的各个环节中最关键的是封孔，其主要方法有：黄泥粘土封孔、注浆封孔、胶圈封孔、聚氨酯-压力粘液封孔。现有的封孔工艺中存在有效封孔段短、测压后期其围岩裂隙无法密封等缺陷，造成测压钻孔漏气现象严重，导致煤层瓦斯压力测定不准确。在长时间的抽采负压条件下，井下巷道空气通过煤壁和钻孔周围围岩裂隙进入钻孔，还可引起煤层自燃造成严重的经济损失。
瓦斯压力钻孔测定技术研究对煤与瓦斯突出危险性准确鉴定，以及包括瓦斯抽采和瓦斯治理的效果分析都有重要影响，可最大程度上了解矿井瓦斯赋存基本情况，杜绝和减少重大瓦斯突出事故的发生，对于保证煤矿安全高效的生产和矿工生命安全具有非常重要的意义。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其可以提高瓦斯压力测定精确度，合理布置瓦斯抽采钻孔，提高瓦斯抽采效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，具体包括以下步骤：
S1、在待测煤层并排施工测压钻孔并进行扩孔，相邻测压钻孔间距离为L；
S2、在测压钻孔周围施工若干辅助钻孔，通过计算浆液扩散半径确定辅助钻孔位置；
S3、将坐封式封隔器送进测压钻孔中，向坐封式封隔器注水实现对测压钻孔的初步封孔；
S4、向辅助钻孔和坐封式封隔器中注入半流体浆液对整个煤层中裂缝进行封堵，等到浆液凝固、硬化，与煤体胶结形成整体；
S5、坐封式封隔器上的压力表实时记录测压钻孔内瓦斯压力数据，分析并确保瓦斯压力的准确性；
S6、待煤层瓦斯压力测定结束后，取消测压钻孔的初步封孔并取出坐封式封隔器。
优选地，步骤S1中，同一测压点布置两个测压钻孔，其终孔见煤点与测压气室无相互影响，并排的测压钻孔中心之间距离L>10m，每个测压钻孔的四周环向均布四个辅助钻孔，测压钻孔与辅助钻孔轴向方向不相交，且辅助钻孔深度大于测压钻孔深度1～3m。
优选地，步骤S2中计算浆液扩散半径的公式为：
Figure BDA0003128600700000021
Figure BDA0003128600700000022
式中，t为注浆时间，τ0为浆液屈服应力，np0为流体初始粘度值，k为粘性时变性系数，r0为钻孔半径，l0为辅助钻孔注浆管路半径，
Figure BDA0003128600700000031
为孔隙率，μ为水的黏度，l1为半球体部分扩散半径，m为柱体部分扩散半径。
优选地，步骤S4中半流体浆液中添加的封堵材料包括主料、辅料与水，其中主料为钠基膨润土和高岭土的混合物，辅料为硅酸钠、硅酸锂、二氧化硅、氯化钠中的一种或两种以上的混合物，主料加上辅料的质量与水的质量比为1：12～1：8。
优选地，步骤S4中以2～3MPa压强同时向测压钻孔以及辅助钻孔中注入半流体浆液对整个煤层中裂缝进行封堵。
优选地，步骤S5中坐封式封隔器上压力表所设定的初始注浆压力值为0～2.5MPa，停止注浆压力值为3.5～4MPa。
优选地，辅助钻孔均连接带有瓦斯压力传感器的自动补浆装置，一旦监测到瓦斯压力下降到0.8MPa，即刻进行补浆作业，保持辅助钻孔内密封严实。
本发明的有益效果在于：本方法先钻孔再扩孔，可减小钻孔周围裂隙的产生；通过在测压钻孔四周施工辅助钻孔，使测压钻孔周围所涉及煤层区域内的裂隙漏风通道得到有效沟通；在测压钻孔封闭段以及辅助钻孔内均注入半流体浆液对周围裂隙进行封堵，由于半流体浆液具有流动性，因此相较于传统的固体封孔，更容易进入微小裂隙，封堵细小的漏气通道；由于半流体浆液对辅助钻孔周围裂隙的封堵，易于在测压钻孔周围形成密闭空间，可有效减少瓦斯逸散，极大提高测定瓦斯压力的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的坐封式封隔器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的测压钻孔、辅助钻孔位置示意图；
附图标记说明：
1-实体杆件；2-控制器；3-信号线；4-注浆管；5-电阀门；6-注水管；7-水位限制器；8-液压缸；9-卡瓦；10-环形体；11-囊袋；12-囊袋进液口；13-复位弹簧；14-注浆空间；15-硬质堵头；16-智能测压芯片；17-保护罩；18-封孔段；19-框架主体；20-测压钻孔；21-辅助钻孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，具体包括以下步骤：
S1、利用50mm钻杆的钻机在巷道煤层上同一测压点并排施工两个测压钻孔20，其终孔见煤点与测压气室无相互影响，在利用100mm钻杆的钻机在50mm钻孔基础上进行扩孔；相邻测压钻孔20中心之间距离L>10m；辅助钻孔21深度大于测压钻孔20深度1～3m；
S2、在测压钻孔20周围施工四个环向阵列均布的辅助钻孔21，通过计算浆液扩散半径确定辅助钻孔21位置；
计算浆液扩散半径的公式为：
Figure BDA0003128600700000041
Figure BDA0003128600700000042
式中，t为注浆时间，τ0为浆液屈服应力，np0为流体初始粘度值，k为粘性时变性系数，r0为钻孔半径，l0为辅助钻孔注浆管路半径，
Figure BDA0003128600700000051
为孔隙率，μ为水的黏度，l1为半球体部分扩散半径，m为柱体部分扩散半径；
S3、将坐封式封隔器送进测压钻孔20中，向坐封式封隔器注水实现对测压钻孔20的初步封孔；
S4、以2～3MPa压强同时向辅助钻孔21和坐封式封隔器中注入半流体浆液对整个煤层中裂缝进行封堵，等到浆液凝固、硬化，与煤体胶结形成整体；
半流体浆液中添加的封堵材料包括主料、辅料与水，其中主料为钠基膨润土和高岭土的混合物，辅料为硅酸钠、硅酸锂、二氧化硅、氯化钠中的一种或两种以上的混合物，主料加上辅料的质量与水的质量比为1：12～1：8；
S5、坐封式封隔器上的压力表实时记录测压钻孔20内瓦斯压力数据，分析并确保瓦斯压力的准确性；坐封式封隔器上压力表所设定的初始注浆压力值为0～2.5MPa，停止注浆压力值为3.5～4Mpa；辅助钻孔21均连接带有瓦斯压力传感器的自动补浆装置，一旦监测到瓦斯压力下降到0.8MPa，即刻进行补浆作业，保持辅助钻孔21内密封严实；
S6、待煤层瓦斯压力测定结束后，取消测压钻孔20的初步封孔并取出坐封式封隔器。
辅助钻孔21均连接带有瓦斯压力传感器的自动补浆装置，一旦监测到瓦斯压力下降到0.8MPa，即刻进行补浆作业，保持辅助钻孔21内密封严实。
本实施例提供一种坐封式封隔器，包括能够深入测压钻孔20内的框架主体19，所述框架主体19的前后两端分别嵌套有囊袋11，所述囊袋11的两侧分别设有限制其横向变形的环形体10，所述环形体10嵌套固定在框架主体19上，后方囊袋11的两端分别设有用于环向封堵测压钻孔20的卡瓦装置以及控制卡瓦装置活动的液压系统；
前方囊袋11的两端分别固定有硬质堵头15，所述硬质堵头15贴紧与其相邻的环形体10，所述框架主体19内设有将其前后贯穿的实体杆件1,所述实体杆件1前端穿出前方硬质堵头16之外并连接智能测压芯片16和保护罩17；所述框架主体19内还设有注水管6和注浆管4，注水管6连通囊袋11和液压系统，注浆管4连通两个囊袋11之间的注浆空间14；
所述注水管6和注浆管4靠近测压钻孔20出口处均设有水位限制器7，所述注浆管4上还设有控制其内部浆液流通的电阀门5，所述智能测压芯片16与外部控制器2电性连接；电阀门5设有液压计，电阀门5所设定的初始注浆压力值为0～2.5MPa，停止注浆压力值为3.5～4MPa。
所述卡瓦装置包括嵌套固定在框架主体19上的楔块和能够在楔块的斜坡上滑动的卡瓦9，所述液压系统包括固定在框架主体19上的液压缸8，所述液压缸8的输出端通过复位弹簧连接卡瓦9，注水管6连通液压缸8入口。
所述框架主体19上设有用于固定液压缸8的安装座，所述安装座外径与测压钻孔20内径相同。
设在前端的所述安装座与前方的囊袋11之间形成注浆空间14。
所述实体杆件1内部设有用于连接智能测压芯片16和外部控制器2的信号线3，控制器2配备本质安全型显示屏，显示屏将以曲线的形式显示压力的变化，并且装有USB插口，可以历史数据导出。。
步骤S3中坐封式封隔器注水实现对测压钻孔20的初步封孔，具体过程为：、输水管道通过注水管6将液态水注入液压缸8，液压缸8推动将卡瓦9牢牢卡在煤层中，以不低于1.5MPa的压力注满液压缸8，推动卡瓦9牢牢卡在煤层中，部分水同时通过注水管6和囊袋进液口12使得囊袋11膨胀；当囊袋11与封孔段18啮合后，液态水将通过水位限制器7实现动态循环，利用坐封式封隔器对测压钻孔20进行初步封孔。
步骤S6中待煤层瓦斯压力测定结束后，通过注水管6将囊袋11中的水放出，通过复位弹簧13实现初始状态，即可实现将坐封式封隔器在封孔段18中取出，以便于后期瓦斯测定时重复使用。
由于半流体浆液的流动性可以进入一些微小裂隙，等浆液凝固、硬化以后，使原本充满裂隙的煤体胶结成一个整体，形成以各个测压钻孔为中心的圆形煤层区域内全部裂隙漏风通道都得到有效封堵，改善了岩石是致密性和抗渗性，封闭了煤岩裂隙与外界的沟通通道，阻止了其他含瓦斯层瓦斯通过裂隙涌入瓦斯室内，达到防堵渗漏、提高煤岩体稳定性的作用，进而达到准确测定瓦斯压力的目的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、在待测煤层并排施工测压钻孔(20)并进行扩孔，相邻测压钻孔(20)间距离为L；
S2、在测压钻孔(20)周围施工若干辅助钻孔(21)，通过计算浆液扩散半径确定辅助钻孔(21)位置；
S3、将坐封式封隔器送进测压钻孔(20)中，向坐封式封隔器注水实现对测压钻孔(20)的初步封孔；
S4、向辅助钻孔(21)和坐封式封隔器中注入半流体浆液对整个煤层中裂缝进行封堵，等到浆液凝固、硬化，与煤体胶结形成整体；
S5、坐封式封隔器上的压力表实时记录测压钻孔(20)内瓦斯压力数据，分析并确保瓦斯压力的准确性；
S6、待煤层瓦斯压力测定结束后，取消测压钻孔(20)的初步封孔并取出坐封式封隔器。
2.如权利要求1所述的一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，步骤S1中，同一测压点布置两个测压钻孔(20)，其终孔见煤点与测压气室无相互影响，并排的测压钻孔(20)中心之间距离L>10m，每个测压钻孔(20)的四周环向均布四个辅助钻孔(21)，测压钻孔(20)与辅助钻孔(21)轴向方向不相交，且辅助钻孔(21)深度大于测压钻孔(20)深度1～3m。
3.如权利要求1所述的一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，步骤S2中计算浆液扩散半径的公式为：
Figure FDA0003128600690000011
Figure FDA0003128600690000012
式中，t为注浆时间，τ0为浆液屈服应力，np0为流体初始粘度值，k为粘性时变性系数，r0为钻孔半径，l0为辅助钻孔注浆管路半径，
Figure FDA0003128600690000021
为孔隙率，μ为水的黏度，l1为半球体部分扩散半径，m为柱体部分扩散半径。
4.如权利要求1所述的一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，步骤S4中半流体浆液中添加的封堵材料包括主料、辅料与水，其中主料为钠基膨润土和高岭土的混合物，辅料为硅酸钠、硅酸锂、二氧化硅、氯化钠中的一种或两种以上的混合物，主料加上辅料的质量与水的质量比为1：12～1：8。
5.如权利要求1所述的一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，步骤S4中以2～3MPa压强同时向测压钻孔(20)以及辅助钻孔(21)中注入半流体浆液对整个煤层中裂缝进行封堵。
6.如权利要求1所述的一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，步骤S5中坐封式封隔器上压力表所设定的初始注浆压力值为0～2.5MPa，停止注浆压力值为3.5～4MPa。
7.如权利要求1所述的一种通过辅助钻孔提高瓦斯压力测定准确度的方法，其特征在于，辅助钻孔(21)均连接带有瓦斯压力传感器的自动补浆装置，一旦监测到瓦斯压力下降到0.8MPa，即刻进行补浆作业，保持辅助钻孔(21)内密封严实。
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杨志全等: "宾汉姆流体柱-半球形渗透注浆形式扩散参数的研究", 《四川大学学报(工程科学版)》 *
杨志全等: "宾汉姆流体柱-半球形渗透注浆形式扩散参数的研究", 《四川大学学报(工程科学版)》, vol. 47, no. 2, 30 June 2015 (2015-06-30), pages 47 - 53 *
杨志全等: "黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究", 《岩土力学》 *
杨志全等: "黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究", 《岩土力学》, vol. 32, no. 09, 30 September 2011 (2011-09-30) *

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