CN114251087B - 基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法与装置，其中测试方法包括：在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境，测量钻进位置的瓦斯流量和瓦斯浓度，根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数反算煤层瓦斯压力的步骤。本发明所述基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，能够根据煤层相关参数和随钻测定的钻孔瓦斯流量快速反算煤层瓦斯压力，从而实现实时快速得到钻孔前方煤层瓦斯压力。

Description

基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法与装置

技术领域

本发明属于矿井瓦斯防治技术领域，尤其涉及一种基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法与装置。

背景技术

煤层瓦斯压力作为煤层突出危险性鉴定的一项重要指标，其测定结果直接影响鉴定结果的准确性。目前常用的煤层瓦斯压力测定是依据AQ/T 1047-2007确定的煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法，也可根据煤层瓦斯含量进行反算得到煤层瓦斯压力。井下煤层瓦斯压力直接测定存在测压时间周期长，压力测定结果受封孔质量影响较大等问题，而根据煤层瓦斯含量反算瓦斯压力受瓦斯含量测定结果影响很大，目前常用的钻孔取屑测定煤层瓦斯含量法存在取样定点性差、测定周期长等问题。

因此，研究一种可以快速得到钻孔前方煤层瓦斯压力的方法十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，能够根据煤层相关参数和随钻测定的钻孔瓦斯流量快速反算煤层瓦斯压力，从而实现实时快速得到钻孔前方煤层瓦斯压力。

本发明的第二个目的在于提出一种具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，包括：在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境，测量钻进位置的瓦斯流量和瓦斯浓度，根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数反算煤层瓦斯压力的步骤；相关煤层参数包括封闭空间内的瓦斯涌出量、钻进位置到钻孔封闭段底部的长度、钻孔周围破裂带的半径、钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离、钻孔周围破裂带内煤体透气性系数。

本发明实施例的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，能够根据煤层相关参数和随钻测定的钻孔瓦斯流量快速反算煤层瓦斯压力，从而实现实时快速得到钻孔前方煤层瓦斯压力。

另外，根据本发明上述实施例提出的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数，采用式(1)反算煤层瓦斯压力的步骤；

式中：

P——反算的煤层瓦斯压力，单位为MPa；

Q——封闭空间内的瓦斯涌出量，单位为m³/d；

L——钻进位置到钻孔封闭段底部的长度，单位为m；

R_P——钻孔周围破裂带的半径，单位为m；

r——钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离，单位为m；

λ——钻孔周围破裂带内煤体透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)；

π——圆周率。

在本发明的一个实施例中，所述的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，还包括在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境的步骤之前，进行钻孔排渣的步骤。

在本发明的一个实施例中，在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境的方法为填充密封钻孔和钻杆主体之间的间隙并封闭钻杆主体的排渣通道。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，包括钻杆主体和钻头；所述钻杆主体为中空柱状，钻杆主体的中空部位安装有用于打开和关闭中空部位的第一开关、舱体、瓦斯流量测定与定位模块；钻杆主体壁上开有若干气孔，每个气孔位于钻杆主体外表面的位置处均安装有一个第二开关；每个气孔均连通一个膨胀囊袋，膨胀囊袋设在舱体内；每个膨胀囊袋所对应的钻杆主体壁位置处均设有一个通孔和一个第三开关，每个膨胀囊袋在其所对应的第二开关和第三开关的作用下，可经其所对应的通孔收缩至舱体内或膨胀至钻杆主体外对钻孔进行封闭；所述钻头安装在钻杆主体底部。

本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，膨胀囊袋在其所对应的第二开关和第三开关的作用下，可经其所对应的通孔收缩至舱体内或膨胀至钻杆主体外对钻孔进行封闭，实现对钻孔的自动密封和解封；结合第一开关和瓦斯流量测定与定位模块，可快速准确的测定瓦斯流量；整个装置结构简单，操作方便。

另外，根据本发明上述实施例提出的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，第一开关、若干气孔、舱体、瓦斯流量测定与定位模块四者自上而下设置。

在本发明的一个实施例中，第一开关可在来自钻杆主体中空部位下端的流体作用下打开和关闭钻杆主体的中空部位。

在本发明的一个实施例中，所述流体为风流。

在本发明的一个实施例中，第二开关为电磁阀。

在本发明的一个实施例中，所述第一开关为合页开关。

在本发明的一个实施例中，所述合页开关包括安装在钻杆主体内壁上的固定片和两个位于固定片上方的第一挡片；两个第一挡片对称安装在钻杆主体的中空部位内，且自然状态下两者与钻杆主体壁呈垂直状态，并构成一个可以遮挡整个钻杆主体中空部位横截面的整体挡片；两个第一挡片靠近钻杆主体内壁一侧下表面均通过合页与固定片转动连接。

在本发明的一个实施例中，所述瓦斯流量测定与定位模块包括流量传感器、浓度传感器、位置传感器、电池和信号发射模块。

在本发明的一个实施例中，第二开关为弹簧开关，其包括壳体、第二挡片和第一弹性件；所述壳体自底部至顶部开有槽孔，壳体安装在钻杆主体上；第二挡片一端与壳体内底部转动连接，另一端伸出槽孔；第二挡片远离槽孔一侧通过第一弹性件与壳体内连接，且第二挡片可在槽孔内向靠近和远离壳体底部的方向转动，对气孔进行关闭和打开。

在本发明的一个实施例中，舱体的数量至少为2个；每个舱体内均设有一个膨胀囊袋。

在本发明的一个实施例中，多个舱体沿钻杆周向均匀分布在钻杆主体的中空部位内。

在本发明的一个实施例中，所述钻杆主体壁上每个通孔上方均设有中空槽位，中空槽位、通孔和其所对应的舱体相连通；每个中空槽位中均安装有一个第三开关，第三开关可在该中空槽位和其下方的通孔内向上或向下移动，使舱体处于打开或关闭状态。

在本发明的一个实施例中，第三开关包括舱盖、拨片和第二弹性件；所述舱盖上端位于中空槽位内，其顶部通过第二弹性件与中空槽位顶部固定连接；所述舱盖下端延伸至通孔内，且其底部与通孔底部之间留有一定间距；所述舱盖下端位于通孔内的位置安装拨片，所述拨片一端延伸至钻杆主体壁外表面以外；所述舱盖可在中空槽位和通孔内向上或向下移动，对舱体进行打开和关闭。

在本发明的一个实施例中，拨片与舱盖垂直设置，舱盖与钻杆主体平行设置。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置的剖面示意图(未画钻头)。

图2是根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置在第一开关打开、第二开关和第三开关均关闭时的工作状态示意图。

图3是根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置在第一开关关闭、第二开关和第三开关均打开时的一个工作状态示意图。

图4是根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置在第一开关关闭、第二开关和第三开关均关闭时的另一个工作状态示意图。

图5是根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置的第二开关采用弹簧开关时的结构示意图。

图6为根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置中第一开关打开时的结构示意图。

图7为根据本发明一个实施例的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法的测试原理示意图。

附图标记：

1-钻杆主体；2-钻杆主体壁；3-舱体；4-膨胀囊袋；5-连通气路；6-第二开关；601-第二挡片；602-第一弹性件；603-壳体；6031-第一子壳体；6032-第二子壳体；604-转动底座；605-垫片；606-槽孔；7-舱盖；8-拨片；9-第一开关；901-第一挡片；902-固定片；903-合页；10-瓦斯流量测定与定位模块；11-气孔；12-中空槽位；13-通孔；14-限位板；15-钻孔；16-第二弹性件；17-钻头；18-煤层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置、基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法。

图1是根据本发明一个实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置的剖面示意图。

如图1所示，本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，包括：钻杆主体1和钻头17；钻杆主体1为中空柱状，钻杆主体1的中空部位安装有用于打开和关闭中空部位的第一开关9、舱体3、瓦斯流量测定与定位模块10；钻杆主体壁2上开有若干气孔11，每个气孔11位于钻杆主体1外表面的位置处均安装有一个第二开关6；每个气孔11均连通一个膨胀囊袋4，膨胀囊袋4设在舱体3内；每个膨胀囊袋4所对应的钻杆主体壁2位置处均设有一个通孔13和一个第三开关，每个膨胀囊袋4在其所对应的第二开关6和第三开关的作用下，可经其所对应的通孔13收缩至舱体3内或膨胀至钻杆主体1外对钻孔15进行封闭；钻头17安装在钻杆主体1的底部。

可以理解的是，钻杆主体壁具有一定厚度，中空柱状可以是中空的圆柱或中空的棱柱，优选中空的圆柱。舱体2是用来放置膨胀囊袋的，因此，它是一个容纳腔，具体可以是成壳状的容纳腔，比如呈半圆柱体壳状，其圆柱面与钻杆主体中空部位的内表面圆柱面半径相当。一种可选的实施方式，舱体采用金属壳，比如铁壳，其焊接在钻杆主体壁上。

需要说明的是，膨胀囊袋4为具有一定弹性和强度的囊袋，当膨胀囊袋完全膨胀后能够将钻杆主体与钻孔之间的空隙完全填充，形成密闭环境。

本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，膨胀囊袋在其所对应的第二开关和第三开关的作用下，可经其所对应的通孔收缩至舱体内或膨胀至钻杆主体外对钻孔进行封闭，实现对钻孔的自动密封和解封；结合第一开关和瓦斯流量测定与定位模块，可快速准确的测定瓦斯流量；整个装置结构简单，操作方便。

在一些实施例中，如图1所示，第一开关9、若干气孔11、舱体3、瓦斯流量测定与定位模块10四者自上而下设置，且相邻两者之间均留有间距。

在一些实施例中，第一开关9可在来自钻杆主体中空部位下端的流体作用下打开和关闭钻杆主体1的中空部位。

在一些实施例中，流体为风流，但不局限于风流，还可以是水流等。

在一些实施例中，第一开关9为合页开关。如图6所示，合页开关包括安装在钻杆主体内壁上的固定片902和两个位于固定片902上方的第一挡片901；两个第一挡片901对称安装在钻杆主体1的中空部位内，且自然状态下两个第一挡片901与钻杆主体壁呈垂直状态，并构成一个可以遮挡整个钻杆主体中空部位横截面的整体挡片(可以理解为如图3和图4所示，遮挡整个钻杆主体1内中空部位的整个横截面)，在钻杆主体内部形成一个密闭空间，当钻孔流体作用力较大时，推动合页开关的两个第一挡片901向上运动，流体能够携带钻屑通过钻杆主体1的中空部位。两个第一挡片901靠近钻杆主体内壁一侧下表面均通过合页903与固定片902转动连接。需要说明的是，这里的合页就是普通的合页，即通过转轴将两个带若干安装孔的金属片连接在一起的结构。

可选的，两个第一挡片901均为金属材质，比如铁片或钢片等。固定片通过铆钉固定在钻杆主体1中空部位的内壁上。固定片可以是两个独立的分别用于安装两个第一挡片的薄板，也可以是一个整体薄板，用来统一连接两个第一挡片。

可以理解的是，每个第一挡片901的形状和大小均与钻杆主体1中空部位横截面的一半相当，比如当钻杆主体的中空部位为圆柱状时，第一挡片为半圆柱形，其半径与中空部位的半径相当。为了可以使两个第一挡片在流体作用下打开或在自然状态下形成一个整体封闭钻孔内部，两个第一挡片与钻杆主体壁之间光滑接触。

在一些实施例中，瓦斯流量测定与定位模块10包括流量传感器、浓度传感器、位置传感器、电池和信号发射模块，其能够测量钻孔中的瓦斯流量和瓦斯浓度值，定位钻杆主体所在位置，并传输数据。流量传感器、浓度传感器、位置传感器均与电池通过电缆电连接，流量传感器、浓度传感器、位置传感器均与信号发射模块通过无线连接或5G信号连接，信号发射模块与现场控制系统通过无线连接或5G信号连接。本发明的实施例中，流量传感器、浓度传感器、位置传感器、信号发射模块均可采用现有常规的流量传感器、瓦斯浓度传感器、位置传感器、信号发射模块。可以理解的是，为了避免钻井内环境的影响，瓦斯流量测定与定位模块10外需要安装防护罩，防护罩与钻杆主体中空部位内壁密封连接，比如防护罩采用铁或铝合金等金属网壳，其通过螺栓、密封垫等与钻杆主体中空部位内壁密封固定连接。

在一些实施例中，第二开关6安装在钻杆主体外表面上位于气孔上方的位置处。

在一些实施例中，第二开关6为电磁阀，比如采用矿用防爆电磁阀等。当第二开关采用电磁阀时，其与现场控制系统通过无线连接或5G信号连接。

在另一些实施例中，第二开关6为弹簧开关，如图5所示，其包括壳体603、第二挡片601和第一弹性件602；壳体603自底部至顶部开有槽孔606，壳体603安装在钻杆主体1上；第二挡片601一端与壳体603内底部转动连接，另一端伸出槽孔606；第二挡片601远离槽孔606一侧通过第一弹性件602与壳体603内连接，且第二挡片601可在槽孔606内向靠近和远离壳体603底部的方向转动，对气孔11进行关闭和打开。

可以理解的是，当没有其他外力时，第二挡片在第一弹性件的拉力作用下，可以相对固定在壳体和槽孔中；而当来自第一弹性件侧的压力大于第一弹性件的拉力时，第二挡片会在槽孔中向远离第一弹性件、靠近壳体底部的方向转动移动。

可选的，第二挡片601为具有一定硬度的金属片，比如铁片、钢片等。可以理解的是，第二档片材质的选择需要具有一定的硬度，确保其不至于在流体(比如风压)作用下弯折或者损毁，以保证其在流体作用下可以起到关闭和打开钻杆上的气孔的作用。同时，第二挡片也不能太厚或太薄，太厚浪费材料，也不容易在流体下作用，太薄容易弯折，故可选的，第二挡片601厚度在5-10mm之间。第二挡片宽度和长度根据钻杆上的所开的气孔大小设计，以能覆盖钻杆上的所开的气孔为宜，同时，还需兼顾槽孔的尺寸，保证其可以在槽孔内转动。

可选的，第二挡片601与壳体603内底部通过转动底座604转动连接。具体的，转动底座焊接在壳体底部，转动底座上设有一第一通孔，第一通孔内设有一插杆，插杆直径小于第一通孔，插杆两端伸出第一通孔插入第二挡片下端的插孔中，并通过螺母紧固。这样即可实现第二挡片与转动底座的转动连接，同时在第一弹性件的共同作用下，实现对第二挡片的相对固定。较佳的，转动底座可以分为第一子转动底座和第二子转动底座，其与第二挡片的连接方式与转动底座作为整体时的连接方式类似。

可选的，为了方便安装在钻杆主体上，本发明实施例的第二开关还包括设在壳体603底部的垫片605。垫片可以是整体固定在壳体底部、边缘伸出壳体预留安装孔位的这种形式，也可以是由多个设有预留安装孔位且固定在壳体底部外侧的子垫片构成的这种形式。较佳的，垫片分为四个子垫片，分别固定(可以是焊接或螺栓连接)在壳体底部四个角的外侧，且四个子垫片与壳体底部处在同一平面内，每个子垫片上均设有预留安装孔位，使用时可通过插入预留安装孔位的铆钉将第二开关固定在钻杆主体上。

可选的，第一弹性件602为弹簧或弹簧绳，优选弹簧。

可选的，为了方便拆卸和维修，壳体603由相互对称的第一子壳体6031和第二子壳体6032可拆卸连接而成，可拆卸连接的具体方式可以是螺栓连接、卡扣连接等。

可选的，槽孔606纵截面为L形，更具体的，槽孔606自壳体603底部延伸至壳体603顶部上第二挡片601可以穿过的位置。

可选的，第二挡片601上焊接有用于和第一弹性件602连接的金属环(比如铁环等)，壳体603内也焊接有用于和第一弹性件602连接的金属环(比如铁环等)，当第一弹性件602选择弹簧时，弹簧两端分别和第二挡片以及壳体的金属环连接，使弹簧具有一定的拉力。

当第二开关采用弹簧开关时，通过铆钉将垫片605固定在钻杆主体壁2上，进而实现整个第二开关在钻杆主体上的安装。当进入钻孔的流体的压力(比如气流压力)大于第一弹性件602的拉力时，第二挡片601在流体压力作用下，在槽孔606中自壳体603顶部转动移动至壳体603底部，也即第二挡板601向气孔方向运动，从而盖住钻孔主体壁上的气孔11，将钻杆主体壁2上的气孔11覆盖关闭；当流体压力降低至小于第一弹性件602的拉力时，第二挡片601受第一弹性件602拉力作用远离钻杆主体壁2一侧，也即远离气孔11，气孔11打开，流体进入膨胀囊袋4，膨胀囊袋4膨胀。

可以理解的是，气孔的数量、膨胀囊袋的数量、第二开关的数量、通孔的数量和第三开关的数量均相当。

可以理解的是，在本发明的实施例中，舱体的数量可以是1个或多个。当舱体数量为1个时，沿钻杆主体内壁周向整体设置，各个膨胀囊袋均放置在该舱体内，只是每个膨胀囊袋分别对应一个气孔、第二开关、通孔和第三开关，各膨胀囊袋膨胀至钻杆主体外共同对钻孔和钻杆之间的空隙进行封闭。而当舱体的数量为多个时，其至少为2个，舱体3的数量与膨胀囊袋4的数量相当，且位置一一对应；每个舱体3内均设有一个膨胀囊袋4。此时，每个膨胀囊袋分别对应一个气孔、第二开关、通孔、第三开关和舱体。

当舱体3的数量与膨胀囊袋4的数量相当时，钻杆主体壁2上每个通孔13上方均设有中空槽位12，中空槽位12、通孔13和其所对应的舱体3相连通；每个中空槽位12中均安装有一个第三开关，第三开关可在该中空槽位12和其下方的通孔13内向上或向下移动，使舱体3处于打开或关闭状态。

可以理解的是，中空槽位可以看成是钻杆主体壁上自通孔顶部端面向上开设的盲孔。

在本发明的实施例中，第三开关结构不限，只要能实现在该中空槽位和其下方的通孔13内向上或向下移动，对舱体进行打开和关闭的功能即可。一种较佳的第三开关结构可以是：第三开关包括舱盖7、拨片8和第二弹性件16；舱盖7上端位于中空槽位12内，其顶部通过第二弹性件16与中空槽位12顶部固定连接；舱盖7下端延伸至通孔13内，且其底部与通孔13底部之间留有一定间距；舱盖7下端位于通孔13内的位置安装拨片8，拨片8一端延伸至钻杆主体壁2外表面以外；舱盖7可在中空槽位12和通孔13内向上或向下移动，对舱体3进行打开和关闭。

可以理解的是，舱盖底部与通孔底部之间留有一定间距，说明第二弹性件的拉力大于舱盖的重力。假设第二弹性件拉力为F₁，舱盖重力为G，第二弹性件拉力大于舱盖重力G，舱盖在第二弹性件拉力作用下固定在钻杆主体壁的中空槽位中，钻进过程中当流体的作用力大于第二弹性件拉力F1和舱盖重力G之和时，流体压动拨片，舱盖向下运动将舱体盖住，膨胀囊袋在舱体中无法弹出，当流体的作用力小于第二弹性件拉力F₁和舱盖重力G之和时，舱盖向上弹起，膨胀囊袋能够从舱体中弹出，将钻孔15和钻杆主体1之间的空隙填满。

可以理解的是，舱盖可在中空槽位和通孔内向上或向下移动的实现方式有多种，比如：在一些实施例中，舱盖7与其所在的中空槽位12内壁通过光滑面接触；在另一些实施例中，舱盖7与其所在的中空槽位12内壁两者之间留有间隙；等等。舱盖要对舱体进行关闭和打开，则其形状尺寸也应当与舱体形状尺寸相当，或形状相当，尺寸略大于舱体开口一侧的尺寸，比如当舱体开口一侧为半圆柱面时，舱盖也最好呈半圆柱状，且两个同轴设置，舱盖的柱面高度和弧长均与舱体的柱面高度或弧长相当或略大于舱体的柱面高度或弧长。

在一些实施例中，舱盖7为具有一定厚度的金属片，比如钢片或铁片等，其厚度以能实现在中空槽位内上下滑动为宜。

在一些实施例中，为了使拨片与钻孔中的流体有最大的作用面，拨片8与舱盖7垂直设置，舱盖7与钻杆主体1平行设置。此外，较佳的，为了限制在流体作用下，拨片带动舱盖下移的位置，在钻杆主体壁2外表面安装有限位板14，且使限位板14上表面与通孔13底部平齐，限位板14与拨片8的上下位置相对应。更佳的，拨片8下表面设有凹槽，限位板14上表面设有与该凹槽卡合的凸起。可以理解的是，考虑到流体压力较小时，拨片带动舱盖上移，故凹槽和凸起卡合属于自然接触卡合但不至于锁死的情形。

在一些实施例中，第二弹性件16为弹簧或弹力绳，优选弹簧。

在一些实施例中，每个舱体3上均设有舱体气孔，且该舱体气孔一端通过连通气路5与钻杆主体壁2的气孔11连通，另一端连通舱体3内膨胀囊袋4的进出气口。

在一些实施例中，多个舱体3沿钻杆周向均匀分布在钻杆主体1的中空部位内。舱体3的数量可以根据需要设置，只要能使膨胀囊袋膨胀时对钻杆主体和钻孔之间的空隙进行密封即可。但考虑到结构简单、成本降低、对钻杆主体强度影响小等因素，较佳的，舱体3的数量为2个。可选的，为了使膨胀囊袋能尽快从舱体中膨胀伸出，对钻杆主体和钻孔间的空隙进行密封，通孔13的高度与舱体3的高度相当，且最好宽度也相当。

第三开关的工作原理为：正常钻进过程中，当钻孔中的流体压力大于第二弹性件16的拉力时，拨片8在流体压力作用下带动舱盖7向下运动，舱盖7将舱体3关闭；当钻进到测量的位置后，减小流体压力并小于第二弹性件16，舱盖7在第二弹性件16的拉力作用下向上拉起，舱体3处于打开状态，膨胀囊袋4在风流的作用下打开并膨胀至舱体3外，将钻孔15和钻杆主体1之间的空隙填满。

本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置工作时，以钻孔内进入的流体为风流为例，如图2所示，钻孔风流沿钻孔15与钻杆主体1的空隙压入，携带钻屑从钻杆主体的中空部位排出，当钻孔风流的压力为p₁时，第二开关6、舱盖7在风压作用下关闭，第一开关9在风压作用下打开，此时气体不能进入膨胀囊袋4中，打钻正常进行。如图3所示，当钻杆主体1到达指定位置后，降低钻孔风流的压力至p₂，第二开关6、舱盖7打开，气体沿气体通路进入膨胀囊袋4中，膨胀囊袋4膨胀从舱体3中弹出，将钻杆主体1和钻孔15之间的空隙封闭，同时第一开关9闭合，形成密闭空间，钻进前方的瓦斯进入钻杆主体的中空部位中，通过瓦斯流量测定与定位模块10中的流量传感器测量并传输瓦斯流量数据，通过瓦斯流量测定与定位模块10中的浓度传感器测量并传输瓦斯浓度数据。如图4所示，测量完成后继续降低钻孔风流压力至0，膨胀囊袋4中的气体在压差作用下排至外界，膨胀囊袋4收缩至舱体3中，随后增大风流至p₁，舱盖7、第二开关6重新关闭，第一开关9重新打开，开始新一轮钻进测量工作。整个工作过程中，通过瓦斯流量测定与定位模块10的位置传感器实时监测钻杆主体进入钻孔的位置。

如图7所示，基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，包括：在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境，测量钻进位置的瓦斯流量和瓦斯浓度，根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数反算煤层瓦斯压力的步骤；相关煤层参数包括封闭空间内的瓦斯涌出量、钻进位置到钻孔封闭段底部的长度、钻孔周围破裂带的半径、钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离、钻孔周围破裂带内煤体透气性系数。

需要说明的是，封闭空间内的瓦斯涌出量、钻进位置到钻孔封闭段底部的长度，也即测量段瓦斯涌出量、测量段长度，测量段具体是指钻进位置到钻孔封闭段底部之间的一段密封空间，如图7所示。

本发明实施例的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，能够根据煤层相关参数和随钻测定的钻孔瓦斯流量快速反算煤层瓦斯压力，从而实现实时快速得到钻孔前方煤层瓦斯压力。

在本发明的一些实施例中，根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数，采用式(1)反算煤层瓦斯压力的步骤；

式中：

P——反算的煤层瓦斯压力，单位为MPa；

Q——封闭空间内的瓦斯涌出量，单位为m³/d；

L——钻进位置到钻孔封闭段底部的长度，单位为m；

R_P——钻孔周围破裂带的半径，单位为m；

r——钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离，单位为m；

λ——钻孔周围破裂带内煤体透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)；

π——圆周率，可以取3.14或根据需要取小数点后多位小数。

其中，封闭空间内的瓦斯涌出量Q按式(2)计算：

Q＝qφ 式(2)

式中：

q——钻孔流量，单位为m³/d；

φ——瓦斯浓度，单位为％。

其中，钻孔周围破裂带的半径R_P按式(3)计算：

式中：

R_P——钻孔周围破裂带的半径，单位为m；

R——钻孔半径，单位为m；

σ——无限远处单位煤体面上受到的应力，单位为MPa，通过地压测量获得；

c——煤体粘聚力，单位为MPa，可通过试验获得；

——煤体内摩擦角，单位为(°)，可通过试验获得。

其中，当R≤r≤R_P时，钻孔周围破裂带内煤体透气性系数λ按式(4)计算：

λ＝λ_be-^ξr 式(4)

式中：

λ——钻孔周围破裂带内煤体透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)；

λ_b——钻孔壁煤体透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)；

ξ——钻孔周围破裂带内煤体透气性系数衰减系数，通过现场实测或试验获得；

r——钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离，单位为m。

当r≥R_P时，λ＝λ₀。λ₀为煤层原始透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)。

在本发明的一些实施例中，基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，还包括在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境的步骤之前，进行钻孔排渣的步骤。

在本发明的一些实施例中，在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境的方法为填充密封钻孔和钻杆主体之间的间隙并封闭钻杆主体的排渣通道。需要说明的是，填充密封钻孔和钻杆主体之间的间隙的填充密封方式可以采用膨胀囊袋填充，但不限于膨胀囊袋密封，可以采用其他密封方式和密封材料代替，比如普通囊袋。

下面以借助本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，来进行基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法为例，来进一步说明本发明实施例的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法。

如图1-7所示，本发明实施例的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，该方法包括以下步骤：

1)将钻机移动至钻孔位置后连接好钻杆主体，打开瓦斯流量测定与定位模块的相关传感器，据设计的钻孔参数开始钻进。

2)通过位置传感器确定钻头17钻进到测量位置后，记录钻进时间、钻孔长度、钻进具体位置，停止向前钻进，继续保持当前风压通风排渣一段时间。

3)降低钻孔中的进风压力，通过调节风压的方法打开膨胀囊袋4填充钻杆主体和钻孔之间的空隙，并使第一开关9闭合，膨胀囊袋和第一开关共同在钻杆主体和钻孔之间形成密封环境，瓦斯气流由钻头前方的破裂带涌向钻杆主体的中空部位，通过瓦斯流量传感器(也即前述流量传感器)和瓦斯浓度传感器(也即前述浓度传感器)自动监测钻孔中的瓦斯流量和浓度，并将数据传输至数据分析分站上。

4)数据分析分站根据接收到的数据并结合式(1)计算钻头前方的煤层瓦斯压力p。

其中，钻孔流量q、瓦斯浓度φ通过流量传感器和浓度传感器测得；测量段长度L(也即钻进位置到钻孔封闭段底部的长度L)为膨胀囊袋封闭后从钻进位置处(也即钻头在煤层中钻出的钻孔的最底部)到膨胀囊袋段底部的长度；煤体粘聚力c和内摩擦角通过试验获得；σ通过地压测量获得；ξ通过现场实测或试验获得。

综上，本发明实施例的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，配合本发明实施例的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，通过随钻实时测量钻孔中的瓦斯流量、瓦斯浓度参数以及其他钻孔相关参数能够快速随钻获取钻孔前方煤层瓦斯压力，解决了目前煤层瓦斯压力参数测试周期长、过程复杂的问题，该方法具有能够实时快速准确测量全钻孔各段煤层瓦斯压力的优点，整个方法简单易操作，适应煤矿智能化、无人化的发展趋势，能够快速判断采掘工作面前方煤层的突出危险性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，其特征在于，包括：在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境，测量钻进位置的瓦斯流量和瓦斯浓度，根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数反算煤层瓦斯压力的步骤；

相关煤层参数包括封闭空间内的瓦斯涌出量、钻进位置到钻孔封闭段底部的长度、钻孔周围破裂带的半径、钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离、钻孔周围破裂带内煤体透气性系数；

根据瓦斯流量和瓦斯浓度，结合相关煤层参数，采用式(1)反算煤层瓦斯压力的步骤；

式中：

P——反算的煤层瓦斯压力，单位为MPa；

Q——封闭空间内的瓦斯涌出量，单位为m³/d；

L——钻进位置到钻孔封闭段底部的长度，单位为m；

R_P——钻孔周围破裂带的半径，单位为m；

r——钻孔周围破裂带内煤体距钻孔中心的距离，单位为m；

λ——钻孔周围破裂带内煤体透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)；

π——圆周率。

2.根据权利要求1所述的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法，其特征在于，还包括在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境的步骤之前，进行钻孔排渣的步骤；

和/或，在钻孔和钻杆主体之间形成封闭环境的方法为填充密封钻孔和钻杆主体之间的间隙并封闭钻杆主体的排渣通道。

3.一种用于权利要求1或2所述的基于钻孔瓦斯流量反演煤层瓦斯压力的测试方法的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，包括钻杆主体和钻头；

所述钻杆主体为中空柱状，钻杆主体的中空部位安装有用于打开和关闭中空部位的第一开关、舱体、瓦斯流量测定与定位模块；钻杆主体壁上开有若干气孔，每个气孔位于钻杆主体外表面的位置处均安装有一个第二开关；每个气孔均连通一个膨胀囊袋，膨胀囊袋设在舱体内；每个膨胀囊袋所对应的钻杆主体壁位置处均设有一个通孔和一个第三开关，每个膨胀囊袋在其所对应的第二开关和第三开关的作用下，可经其所对应的通孔收缩至舱体内或膨胀至钻杆主体外对钻孔进行封闭；

所述钻头安装在钻杆主体底部。

4.根据权利要求3所述的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，第一开关、若干气孔、舱体、瓦斯流量测定与定位模块四者自上而下设置；

和/或，第一开关可在来自钻杆主体中空部位下端的流体作用下打开和关闭钻杆主体的中空部位；所述流体为风流；

和/或，第二开关为电磁阀。

5.根据权利要求3所述的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，所述第一开关为合页开关；

和/或，所述合页开关包括安装在钻杆主体内壁上的固定片和两个位于固定片上方的第一挡片；两个第一挡片对称安装在钻杆主体的中空部位内，且自然状态下两者与钻杆主体壁呈垂直状态，并构成一个可以遮挡整个钻杆主体中空部位横截面的整体挡片；两个第一挡片靠近钻杆主体内壁一侧下表面均通过合页与固定片转动连接。

6.根据权利要求3所述的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，所述瓦斯流量测定与定位模块包括流量传感器、浓度传感器、位置传感器、电池和信号发射模块。

7.根据权利要求3所述的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，第二开关为弹簧开关，其包括壳体、第二挡片和第一弹性件；所述壳体自底部至顶部开有槽孔，壳体安装在钻杆主体上；第二挡片一端与壳体内底部转动连接，另一端伸出槽孔；第二挡片远离槽孔一侧通过第一弹性件与壳体内连接，且第二挡片可在槽孔内向靠近和远离壳体底部的方向转动，对气孔进行关闭和打开。

8.根据权利要求3所述的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，舱体的数量至少为2个；每个舱体内均设有一个膨胀囊袋；

和/或，多个舱体沿钻杆周向均匀分布在钻杆主体的中空部位内；

和/或，所述钻杆主体壁上每个通孔上方均设有中空槽位，中空槽位、通孔和其所对应的舱体相连通；每个中空槽位中均安装有一个第三开关，第三开关可在该中空槽位和其下方的通孔内向上或向下移动，使舱体处于打开或关闭状态。

9.根据权利要求8所述的具有定位功能的随钻测量钻孔瓦斯流量浓度的装置，其特征在于，第三开关包括舱盖、拨片和第二弹性件；所述舱盖上端位于中空槽位内，其顶部通过第二弹性件与中空槽位顶部固定连接；所述舱盖下端延伸至通孔内，且其底部与通孔底部之间留有一定间距；所述舱盖下端位于通孔内的位置安装拨片，所述拨片一端延伸至钻杆主体壁外表面以外；所述舱盖可在中空槽位和通孔内向上或向下移动，对舱体进行打开和关闭；

和/或，拨片与舱盖垂直设置，舱盖与钻杆主体平行设置。