WO2019100732A1 - 煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法 - Google Patents

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刘震
亓冠圣
李金亮
孙东玲
程卫民
王栋
秦传睿
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of coal seam gas pressure measurement, in particular to a coal seam gas pressure measuring dynamic self-balancing pressure sealing device and method.
  • coal seam gas pressure is one of the most important coal seam gas parameters, and it has core for mine disaster classification, gas emission forecast and gas outburst prevention.
  • Guidance role and is the key judgment parameter.
  • the accuracy of coal seam gas pressure measurement is directly related to mine design, construction and safe production. Therefore, coal seam gas pressure measurement before and during coal mining has become an essential part of ensuring mine safety production.
  • the “Provisions for Prevention of Coal and Gas Outburst” stipulates: “Drilling and plugging must be strict.”
  • the traditional sealing method uses a solid (including cement-based and polyurethane-based) sealing, and uses solid sealing liquid, liquid sealing gas, etc.
  • the object of the present invention is to provide a dynamic self-balancing pressure sealing device and method for coal seam gas pressure measurement, which solves the problem that the coal seam drilling sealing effect currently used for coal seam gas pressure measurement is inaccurate and the gas pressure measurement is inaccurate.
  • front sealing air bag and the rear sealing air bag are disposed on one side of the inflating air bag with an annular baffle surrounding the pressure measuring tube.
  • the diameter of the tube on the pressure measuring tube surrounded by the inflated airbag is smaller than the diameter of the portion of the airbag that is not surrounded by the inflated airbag.
  • coal seam gas pressure measuring dynamic self-balancing pressure sealing device and method of the invention has the following characteristics and advantages:
  • FIG. 1 is a schematic structural view of a dynamic self-balancing pressure sealing device for measuring coal seam gas pressure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic structural view of a coal seam gas pressure measurement dynamic self-balancing pressure sealing device before an expansion airbag is pressurized according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic structural view of a coal seam gas pressure measurement dynamic self-balancing pressure sealing device after an inflation balloon is pressurized according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the coal seam gas pressure measurement dynamic self-balancing pressure sealing device before the inflation airbag is pressurized according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing the coal seam gas pressure measurement dynamic self-balancing pressure sealing device after the expansion airbag is pressurized according to an embodiment of the present invention
  • the embodiment provides a dynamic self-balancing pressure sealing device for coal seam gas pressure measurement, comprising a pressure measuring tube 10 disposed in the borehole 12, and one end of the pressure measuring tube 10 is provided with a test.
  • the pressure unit, the pressure measuring unit of the embodiment is a pressure gauge 15, and the pressure gauge 15 is used for measuring the gas pressure.
  • One end of the piezometer tube 10 is also provided with a cork 1 to better fix the piezometer tube 10 to the borehole 12.
  • the other end of the pressure measuring tube 10 is connected with a screen 5, the end of the screen 5 is provided with a plurality of screen holes for entering the gas, and the end of the screen 5 is provided with a cone cap covering the screen hole, so that when measuring the gas pressure Avoid coal dust entering the screen 5.
  • the pressure measuring tube 10 is provided with a pressure introduction hole 11 through which the pressure introduction hole 11 communicates, and a part of the gas discharged from the coal layer is introduced into the inflation balloon 9 through the pressure introduction hole 11.
  • the pressure introduction hole 11 can communicate with the inflation balloon 9 via a gas supply line.
  • the portion of the pressure measuring tube 10 that is surrounded by the inflated airbag 9 is provided with a pressure introducing hole 11 to realize the communication between the pressure introducing hole 11 and the inflating airbag 9, simplifying the structure, and avoiding the connection at the joint through the gas pipeline. Air leakage due to weak connection.
  • the pressure measuring tube 10 is a reducing tube.
  • the diameter of the tube on the pressure measuring tube 10 surrounded by the inflated airbag 9 is smaller than the diameter of the tube surrounded by the inflated airbag 9.
  • the diameter of the tube on the piezometer 10 surrounded by the inflated balloon 9 is 1/3 of the diameter of both ends.
  • the pressure measuring tube 10 is surrounded on both sides of the inflated airbag 9 with an annular front sealing airbag 2 and an annular rear sealing airbag 4, respectively.
  • the inner diameters of the front sealing airbag 2 and the annular rear sealing airbag 4 are determined according to the diameters of the two sides of the sealing section of the pressure measuring tube 10, and the outer diameters of the front sealing airbag 2 and the annular rear sealing airbag 4 are drilled.
  • the pore size of the pores 12 is determined to be generally 0.8-1 times the pore size.
  • the front sealing airbag 2 and the rear sealing airbag 4 are each provided with an annular baffle 8 surrounding the pressure measuring tube 10 toward the side of the inflating airbag 9.
  • the front sealing air bag 2 and the rear sealing air bag 4 are fixed to both ends of the pressure measuring tube 10 through the baffle 8, and the sealing colloid 3 in the injection cavity is not pressed to the front sealing air bag 2, and the rear sealing air bag 4 places, affecting the airtightness of the borehole 12.
  • the front sealing air bag 2 (or the baffle 8 at the front sealing air bag 2), the rear sealing air bag 4 (or the baffle 8 at the rear sealing air bag 4), the inflating air bag 9 and the drilling hole There is a glue injection cavity between the inner walls of the 12, and the glue injection cavity is filled with a sealing gel 3.
  • the sealant 3 is a mixture of a water glass gel and a super absorbent resin, and has a certain fluidity and stickiness, and its water retention property lasts for more than one month in the coal seam environment.
  • the front sealing airbag 2 and the rear sealing airbag 4 are connected to the inflating unit located outside the borehole 12 via the inflation line 7, and the inflating unit of the present embodiment is the inflator pump 13.
  • the glue injection chamber is connected to the glue injection unit located outside the drill hole 12 via the glue injection line 6.
  • the glue injection unit of the embodiment is the glue injection pump 14.
  • Step 2 Inflating the front sealing air bag 2 and the rear sealing air bag 4 by using the air pump 13 to form a preliminary seal to the drilling hole 12, and after sealing the front sealing air bag 2 and the rear sealing air bag 4, the front sealing air bag 2 (or It is said that the baffle 8) at the front sealing air bag 2, the rear sealing air bag 4 (or the baffle 8 at the rear sealing air bag 4), the inflated air bag 9 and the inner wall of the drilling hole 12 are glued. The cavity is also sealed to form a closed space.

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Abstract

一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法，煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置包括布置于钻孔(12)内的测压管(10)，测压管(10)的一端设置有用于测量瓦斯压力的测压单元，测压管(10)上环绕包裹有膨胀气囊(9)，测压管(10)上开设有压力导入孔(11)，压力导入孔(11)连通膨胀气囊(9)，测压管(10)上于膨胀气囊(9)的两侧分别环绕包裹有前封孔气囊(2)和后封孔气囊(4)，前封孔气囊(2)、后封孔气囊(4)、膨胀气囊(9)三者与钻孔(12)内壁之间留有注胶腔体，注胶腔体内充填有密封胶体(3)，前封孔气囊(2)、后封孔气囊(4)均经充气管路(7)连接位于钻孔(12)外的充气单元，注胶腔体经注胶管路(6)连接位于钻孔(12)外的注胶单元；该煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法能够有效提高用于煤层瓦斯压力测量的煤层钻孔密封效果，实现动态自平衡的封孔效果，提高对煤层瓦斯压力测量的准确性。

Description

煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法 技术领域
本发明涉及煤层瓦斯压力测量技术领域，特别是涉及一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法。
背景技术
近年来，随着煤矿开采深度的增加，煤层瓦斯压力不断增大，煤层瓦斯压力作为最重要的煤层瓦斯参数之一，对矿井灾害等级划分、瓦斯涌出量预测及瓦斯突出防治等具有核心的指导作用，并是关键的判断参数。煤层瓦斯压力测量的准确性直接关系到了矿井设计、建设和安全生产。因此，煤层开采前和开采过程中进行煤层瓦斯压力测量已经成为保证矿井安全生产必不可少的一个关键环节。同时，《防治煤与瓦斯突出规定》中规定：“钻孔封堵必须严密”。但是目前在进行瓦斯测量钻工封孔作业时，传统的封孔方法是使用固体(包括水泥基和聚氨酯类等)封孔，采用固体封闭液体、液体封闭气体等方法和手段进行封孔，也有采用一个固定压力对封孔胶体加压进行密封的。使用上述两种封孔方式时，都是采用一种静态的封孔方式，不能满足在测量过程中钻孔内由于各种应力和煤本身的物理化学变化作用形成新的裂隙，导致钻孔封闭不严，压力泄露，从而造成所测瓦斯压力或多或少低于实际真实的煤层瓦斯压力，从而导致对瓦斯压力和瓦斯赋存量的误判，造成重大的瓦斯隐患和事故，对安全生产和生命安全造成重大威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法，解决目前用于煤层瓦斯压力测量的煤层钻孔密封效果差导致对瓦斯压力测量不准确的问题。
本发明提供一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，包括布置于钻孔内的测压管，测压管的一端设置有用于测量瓦斯压力的测压单元，测压管上环绕包裹有膨胀气囊，测压管上开设有压力导入孔，压力导入孔连通膨胀气囊，测压管上于膨胀气囊的两侧分别环绕包裹有前封孔气囊和后封孔气囊，前封孔气囊、后封孔气囊、膨胀气囊三者与钻孔内壁之间留有注胶腔体，注胶腔体内充填有密封胶体，前封孔气囊、后封孔气囊均经充气管路连接位于钻孔外的充气单元，注胶腔体经注胶管路连接位于钻孔外的注胶单元。
进一步的，前封孔气囊、后封孔气囊朝向膨胀气囊的一侧均设置有环绕测压管的环形挡板。
进一步的，测压管的另一端连接有筛管，筛管的末端开设有多个筛孔。
进一步的，筛管的末端设置有遮盖筛孔的锥形帽。
进一步的，测压管上被膨胀气囊环绕包裹部分的管径小于未被膨胀气囊环绕包裹部分的管径。
进一步的，测压管上被膨胀气囊环绕包裹部分开设压力导入孔。
进一步的，密封胶体由水玻璃凝胶和高吸水性树脂混合而成。
进一步的，测压管的一端设置有木塞。
本发明还提供一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔方法，应用上述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，包括以下步骤：
步骤一、将膨胀气囊经压力导入孔与测压管连通，在测压管上于膨胀气囊的内侧装配挡板和后封孔气囊，在测压管上于膨胀气囊的外侧装配挡板和前封孔气囊，将前封孔气囊、后封孔气囊经充气管路连接位于钻孔外的充气单元，将注胶腔体经注胶管路连接位于钻孔外的注胶单元，将测压管的一端连接测压单元，将测压管的另一端连接筛管，将测压管放置于钻孔内；
步骤二、利用充气单元对前封孔气囊、后封孔气囊充气以对钻孔形成密封，前封孔气囊、后封孔气囊的充气压力大于钻孔内预估瓦斯压力，利用注胶单元对注胶腔体注入密封胶体，注入密封胶体的注胶压力大于钻孔内预估瓦斯压力；
步骤三、随着钻孔内瓦斯压力的升高，大量瓦斯气体从钻孔持续涌入测压管，部分瓦斯气体通过压力导入孔进入膨胀气囊使膨胀气囊膨胀，膨胀气囊的膨胀不断挤压注胶腔体中的密封胶体，使密封胶体进入钻孔周围煤岩体裂孔隙中，实现动态加压密封。
进一步的，还包括步骤四、通过测压单元监测钻孔内瓦斯压力不明显变化时，利用注胶单元再一次对注胶腔体注入密封胶体，注胶压力大于钻孔内瓦斯压力。
与现有技术相比，本发明的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法具有以下特点和优点：
本发明的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法，有效提高用于煤层瓦斯压力测量的煤层钻孔密封效果，对煤层瓦斯压力测量准确；不需要提供外在持续加压压力源，达到瓦斯气体压力越大，密封胶体挤压进入煤岩体裂孔隙的压力越大，使煤层钻孔的气密性越好，实现动态自平衡的封孔效果。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
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为本发明实施例煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置的结构示意图；
图2为本发明实施例煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置膨胀气囊加压前的结构示意图；
图3为本发明实施例煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置膨胀气囊加压后的结构示意图；
图4为本发明实施例煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置膨胀气囊加压前的剖视图；
图5为本发明实施例煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置膨胀气囊加压后的剖视图；
其中，1、木塞，2、前封孔气囊，3、密封胶体，4、后封孔气囊，5、筛管，6、注胶管路，7、充气管路，8、挡板，9、膨胀气囊，10、测压管，11、压力导入孔，12、钻孔，13、充气泵，14、注胶泵，15、测压表，16、裂孔隙，17、煤岩体。
具体实施方式
如图1至图5所示，本实施例提供一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，包括布置于钻孔12内的测压管10，测压管10的一端设置有测压单元，本实施例的测压单元为测压表15，测压表15用于测量瓦斯压力。测压管10的一端还设置有木塞1，以使测压管10更好地固定在钻孔12口。测压管10的另一端连接有筛管5，筛管5的末端开设有使瓦斯进入的多个筛孔，筛管5的末端设置有遮盖筛孔的锥形帽，使在测量瓦斯压力时避免煤屑进入筛管5中。
测压管10上的封孔段环绕包裹有环状的膨胀气囊9，膨胀气囊9具有完全气密性，质地较柔软，具有可膨胀变形性。膨胀气囊9的内径根据测压管10封孔段管径确定，膨胀气囊9完全粘附在测压管10封孔段上，膨胀气囊9的外径按照钻孔12的孔径确定，一般为孔径的0.8-1.2倍。
测压管10上开设有压力导入孔11，压力导入孔11连通膨胀气囊9，使煤层释放出的部分瓦斯气体通过压力导入孔11导入到膨胀气囊9内。压力导入孔11可以经输气管路连通膨胀气囊9。本实施例中，测压管10上被膨胀气囊9环绕包裹的部分开设压力导入孔11，实现压力导入孔11与膨胀气囊9的连通，简化了结构，且避免通过输气管路连接在连接处因连接不牢固易导致漏气。
测压管10为变径管，测压管10上被膨胀气囊9环绕包裹部分的管径小于未被膨胀气囊9环绕包裹部分的管径。测压管10上被膨胀气囊9环绕包裹部分的管径为两端管径的1/3。 测压管10上于膨胀气囊9的两侧分别环绕包裹有环状的前封孔气囊2和环状的后封孔气囊4。前封孔气囊2和环状的后封孔气囊4的内径根据测压管10封孔段两侧的管径确定，前封孔气囊2和环状的后封孔气囊4的外径按照钻孔12的孔径确定，一般为孔径的0.8-1倍。
前封孔气囊2、后封孔气囊4朝向膨胀气囊9的一侧均设置有环绕测压管10的环形挡板8。前封孔气囊2、后封孔气囊4通过挡板8固定于测压管10的两端，且注胶腔体内的密封胶体3不会被挤压到前封孔气囊2、后封孔气囊4处，影响钻孔12的气密性。前封孔气囊2(或者说是前封孔气囊2处的挡板8)、后封孔气囊4(或者说是后封孔气囊4处的挡板8)、膨胀气囊9三者与钻孔12内壁之间留有注胶腔体，注胶腔体内充填有密封胶体3。密封胶体3由水玻璃凝胶和高吸水性树脂混合而成，具有一定的流动性和粘沾性，其保水性在煤层环境中持续1个月以上。前封孔气囊2、后封孔气囊4均经充气管路7连接位于钻孔12外的充气单元，本实施例的充气单元为充气泵13。注胶腔体经注胶管路6连接位于钻孔12外的注胶单元，本实施例的注胶单元为注胶泵14。
本实施例还提供一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔方法，应用上文所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，包括以下步骤：
步骤一、将膨胀气囊9经压力导入孔11与测压管10连通，在测压管10上于膨胀气囊9的内侧装配挡板8和后封孔气囊4，在测压管10上于膨胀气囊9的外侧装配挡板8和前封孔气囊2，将前封孔气囊2、后封孔气囊4经充气管路7连接位于钻孔12外的充气泵13，将注胶腔体经注胶管路6连接位于钻孔12外的注胶泵14，将测压管10的一端连接测压表15，将测压管10的另一端连接筛管5，将测压管10放置于钻孔12内，在测压管10的一端卡合木塞1。
步骤二、利用充气泵13对前封孔气囊2、后封孔气囊4充气以对钻孔12形成初步密封，前封孔气囊2、后封孔气囊4充气后，前封孔气囊2(或者说是前封孔气囊2处的挡板8)、后封孔气囊4(或者说是后封孔气囊4处的挡板8)、膨胀气囊9三者与钻孔12内壁之间的注胶腔体也被密封形成封闭空间，前封孔气囊2、后封孔气囊4的充气压力大于钻孔12内预估瓦斯压力0.5MPa以上；利用注胶泵14对注胶腔体注入密封胶体3，密封胶体3将膨胀气囊9中的气体完全挤压出，且有部分密封胶体3渗入煤岩体17裂孔隙16中，实现钻孔12的初步密封，注入密封胶体3的注胶压力大于钻孔12内预估瓦斯压力1MPa以上。
步骤三、随着钻孔12内瓦斯压力的升高，大量瓦斯气体从钻孔12持续涌入测压管10，部分瓦斯气体通过压力导入孔11进入膨胀气囊9使膨胀气囊9膨胀，膨胀气囊9的膨胀不断挤压注胶腔体中的密封胶3体，使密封胶体3缓慢进入钻孔12周围煤岩体17的裂孔隙16中，截断所测瓦斯压力区域的瓦斯通过裂孔隙16泄漏泄压，避免所测瓦斯压力偏低，随着煤岩体 17的变化其不间断地产生新的裂孔隙16，密封胶体3又会被缓慢地挤压进入新的裂孔隙16，实现动态加压密封的目的。
步骤四、通过测压表15监测钻孔12内瓦斯压力不明显变化时，利用注胶泵14再一次对注胶腔体注入密封胶体3，注胶压力大于钻孔12内瓦斯压力1MPa以上，完全挤出膨胀气囊9内的气体，以保证后续瓦斯压力继续通过膨胀气囊9挤压密封胶体3，从而保证动态加压密封效果更为理想，直到瓦斯压力达到最大值不再发生明显变化，从而通过测压表15得到最准确的煤层瓦斯压力值。
本实施例的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置及方法，有效提高用于煤层瓦斯压力测量的煤层钻孔12的密封效果，对煤层瓦斯压力测量准确；不需要提供外在持续加压压力源，达到瓦斯气体压力越大，密封胶体3挤压进入煤岩体17裂孔隙16的压力越大，使煤层钻孔12的气密性越好，实现动态自平衡的封孔效果。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

  1. 一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：包括布置于钻孔内的测压管，测压管的一端设置有用于测量瓦斯压力的测压单元，测压管上环绕包裹有膨胀气囊，测压管上开设有压力导入孔，压力导入孔连通膨胀气囊，测压管上于膨胀气囊的两侧分别环绕包裹有前封孔气囊和后封孔气囊，前封孔气囊、后封孔气囊、膨胀气囊三者与钻孔内壁之间留有注胶腔体，注胶腔体内充填有密封胶体，前封孔气囊、后封孔气囊均经充气管路连接位于钻孔外的充气单元，注胶腔体经注胶管路连接位于钻孔外的注胶单元。
  2. 根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：前封孔气囊、后封孔气囊朝向膨胀气囊的一侧均设置有环绕测压管的环形挡板。
  3. 根据权利要求1或2所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：测压管的另一端连接有筛管，筛管的末端开设有多个筛孔。
  4. 根据权利要求3所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：筛管的末端设置有遮盖筛孔的锥形帽。
  5. 根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：测压管上被膨胀气囊环绕包裹部分的管径小于未被膨胀气囊环绕包裹部分的管径。
  6. 根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：测压管上被膨胀气囊环绕包裹部分开设压力导入孔。
  7. 根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：密封胶体由水玻璃凝胶和高吸水性树脂混合而成。
  8. 根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于：测压管的一端设置有木塞。
  9. 一种煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔方法，应用权利要求1至8任一项所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔装置，其特征在于，包括以下步骤：
    步骤一、将膨胀气囊经压力导入孔与测压管连通，在测压管上于膨胀气囊的内侧装配挡板和后封孔气囊，在测压管上于膨胀气囊的外侧装配挡板和前封孔气囊，将前封孔气囊、后封孔气囊经充气管路连接位于钻孔外的充气单元，将注胶腔体经注胶管路连接位于钻孔外的注胶单元，将测压管的一端连接测压单元，将测压管的另一端连接筛管，将测压管放置于钻孔内；
    步骤二、利用充气单元对前封孔气囊、后封孔气囊充气以对钻孔形成密封，前封孔气囊、后封孔气囊的充气压力大于钻孔内预估瓦斯压力，利用注胶单元对注胶腔体注入密封胶体，注入密封胶体的注胶压力大于钻孔内预估瓦斯压力；
    步骤三、随着钻孔内瓦斯压力的升高，大量瓦斯气体从钻孔持续涌入测压管，部分瓦斯 气体通过压力导入孔进入膨胀气囊使膨胀气囊膨胀，膨胀气囊的膨胀不断挤压注胶腔体中的密封胶体，使密封胶体进入钻孔周围煤岩体裂孔隙中，实现动态加压密封。
  10. 根据权利要求9所述的煤层瓦斯压力测量动态自平衡加压封孔方法，其特征在于：还包括步骤四、通过测压单元监测钻孔内瓦斯压力不明显变化时，利用注胶单元再一次对注胶腔体注入密封胶体，注胶压力大于钻孔内瓦斯压力。
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