WO2023202372A1 - 一种煤层远距离瓦斯含量测定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤层远距离瓦斯含量测定方法及系统，方法包括：钻孔施工到目标煤层，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；利用所述密闭取芯装置进行取芯操作并记录取芯时间t1及取芯解析时间t2，据以获取测定煤样，采集并保存所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21；采集并保存所述测定煤样的粉碎前瓦斯解析量W22；粉碎处理所述测定煤样，据以解析并保存粉碎瓦斯解析量W3；以预置逻辑处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21、所述粉碎前瓦斯解析量W22及所述粉碎瓦斯解析量W3，据以测定瓦斯含量。本发明解决了瓦斯含量测定误差大以及测量距离较短的技术问题。
Description
本发明涉及一种瓦斯防治技术，具体涉及一种煤层远距离瓦斯含量测定方法及系统。
煤层瓦斯含量是煤层瓦斯含量计算和煤层突出危险性预测、评价的基本参数,也是瓦斯防治措施效果检验的主要指标。煤层瓦斯含量的快速准确测定对于煤矿瓦斯防治工作具有重要的意义。
申请号为的发明专利《CN201611155209.0》一种煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法利用近水平本煤层探查定向孔查明取样区域内煤层起伏变化规律，完成取样点和取样定向孔设计；然后分段进行定向钻进确保定向孔沿设计轨迹钻进至取样点，再利用保压密闭取样钻具进行取样钻进和煤样保压采取，直至完成所有取样点煤样采取。该现有专利的通过取样区域的探查，确定所需的取样定向孔，所述取样定向孔沿煤层起伏延伸，呈近水平布置，所述取样定向孔由套管孔段、定向孔段和取样孔段组成，所述套管孔段靠近孔口，所述套管孔段后以定向孔段和取样孔段依次交替设置。该现有专利的取样定向孔的轨迹设置与本申请不同，且该现有专利并未披露本申请中的游离瓦斯损失量及吸附瓦斯损失量的具体处理逻辑，与本申请的技术方案存在显著区别，同时该现有申请的说明书中披露的利用了定向孔钻孔轨迹实时测控和长距离钻进优点及保压密闭取样装置耐压密封特性提高测定精度，与本申请采用定点密闭取样装置，配合密闭取样的瓦斯含量测定方法，计算瓦斯损失量以提高检测距离及检测精度的技术实现方式迥异。此外，目前国内瓦斯含量测定取样方法主要有孔口接渣、双管双动、压风引射等方法。孔口接渣操作简单所以用的最多，但是不能实现定点取样，且随时时间较长。双管双动方法可以保证样品的质量，但取样时间很长，取样过程中损失瓦斯含量多，测定误差大。压风引射既可以保证样品质量也可以满足瓦斯含量测定时间要求，但对于超过100米的长钻孔不能使用。
国内很多专家、学者通过瓦斯解析、吸附实验发现单一的瓦斯含量计算模型很难计算取样过程中的瓦斯损失量。目前的模型损失量计算时没有考虑取样过程中游离瓦斯损失量，导致测定结果普遍偏低。据相关部分统计，国内瓦斯含量测定的误差达到30％左右。
综上现有技术存在瓦斯含量测定误差大以及测量距离较短的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何解决瓦斯含量测定误差大以及测量距离较短的技术问题。
本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种煤层远距离瓦斯含量测定方法包括：
S1、钻孔施工到目标煤层，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；
S2、利用所述密闭取芯装置进行取芯操作并记录取芯时间t1及取芯解析时间t2，据以获取测定煤样，采集并保存所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21；
S3、采集并保存所述测定煤样的粉碎前瓦斯解析量W22；
S4、粉碎处理所述测定煤样，据以解析并保存粉碎瓦斯解析量W3；
S5、以预置逻辑处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21、所述粉碎前瓦斯解析量W22及所述粉碎瓦斯解析量W3，据以测定瓦斯含量，所述步骤S5还包括：
S51、获取并利用预置瓦斯解析模型处理预置取样参数，以得到煤样游离瓦斯损失量W11；
S52、利用所述预置瓦斯解析模型解析所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及粉碎前瓦斯解析量W22，以得到所述吸附瓦斯损失量W12；
S53、根据所述煤样游离瓦斯损失量W11及所述吸附瓦斯损失量W12处理得到取样损失量W1；
S54、求和处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及所述粉碎前瓦斯解析量W22，以得到粉碎前自然解析量W2；
S55、获取并处理煤样工业分析参数，以得到常压吸附瓦斯量WC；
S56、处理所述取样损失量W1、所述粉碎前自然解析量W2、所述粉碎瓦斯解析量W3及所述常压吸附瓦斯量WC，以得到所述瓦斯含量。
本发明采用定向钻机施工、定点密闭取样、煤样粉碎、计算瓦斯含量4个步骤实现超过100m的远距离煤层瓦斯含量测定。本发明通过计算由取样损失量、粉碎前自然解析量、粉碎解析量和常压吸附瓦斯量，以测定瓦斯含量，提高了瓦斯测定的精度。本发明采用密闭取芯装置进行取样，取样过程煤样暴露时间短、瓦斯损失量小。
在更具体的技术方案中，所述步骤S1中钻孔施工操作采用定向钻孔施工。
在更具体的技术方案中，所述步骤S2还包括：
S21、从所述密闭取芯装置送入孔底并开始定点密闭取样时开始计时；
S22、以所述密闭取芯装置进行密闭取芯操作，记录所述取芯时间t1；
S23、打开所述密闭取芯装置前，记录所述取芯解析时间t2。
在更具体的技术方案中，所述密闭取芯操作包括：钻进、取芯及密闭。
在更具体的技术方案中，所述步骤S3还包括：
S31、打开所述密闭取芯装置，以取出所述测定煤样；
S32、对所述测定煤样采集并保存所述粉碎前瓦斯解析量W22。
在更具体的技术方案中，所述步骤S51还包括：
S511、测试获取煤层原始瓦斯压力p，并获取孔隙率V孔；
S512、以所述预置瓦斯解析模型中的下述逻辑处理所述煤层原始瓦斯压力p及孔隙率V孔，以得到所述煤样游离瓦斯损失量W11：
，其中，p0为井下大气压、T0为巷道温度、T为煤层温度、p为煤层瓦斯压力、V孔为煤层孔隙率。
本发明通过定点密闭取芯装置对煤样进行封装，减小样品中瓦斯损失量，将取样过程中的损失量降到最小，然后通过煤层瓦斯压力、瓦斯解析模型等计算出损失量。
在更具体的技术方案中，所述步骤S52中，以所述预置瓦斯解析模型中的下述逻辑解析所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及粉碎前瓦斯解析量W22，以得到所述吸附瓦斯损失量W12：
，其中，t1为取芯钻进时间、t2为取芯装置开始取芯到取出密闭取芯装置打开时间、吸附瓦斯解析时间为
本发明通过瓦斯解析模型计算得出游离瓦斯损失量以及吸附瓦斯损失量，通过计算游离瓦斯损失量以及吸附瓦斯损失量获取补偿数据，该瓦斯含量计算模型引入了游离瓦斯补偿使测定结果更准确。通过定向钻孔施工、定点密闭取样、取样损失量模型优化，可以准确测量煤层瓦斯含量。
在更具体的技术方案中，所述步骤S53中通过下述逻辑对所述煤样游离瓦斯损失量W11及所述吸附瓦斯损失量W12求和：
以得到所述取样损失量W1。
在更具体的技术方案中，所述步骤S55中的所述煤样工业分析参数包括：吸附常数a、吸附常数b、灰分。
在更具体的技术方案中，一种煤层远距离瓦斯含量测定系统包括：
取芯装置送入设备，用以钻孔施工到目标煤层，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；
密闭取芯装置，用以进行取芯操作并记录取芯时间t1及取芯解析时间t2，据以获取测定煤样，采集并保存所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21，所述密闭取芯装置与所述取芯装置送入设备连接；
粉碎前瓦斯解析设备，用以采集并保存所述测定煤样的粉碎前瓦斯解析量W22，所述粉碎前瓦斯解析设备与所述密闭取芯装置连接；
粉碎解析设备，用以粉碎处理所述测定煤样，据以解析并保存粉碎瓦斯解析量W3，所述粉碎解析设备与所述粉碎前瓦斯解析设备连接；
瓦斯含量测定设备，以预置逻辑处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21、所述粉
碎前瓦斯解析量W22及所述粉碎瓦斯解析量W3，据以测定瓦斯含量，所述瓦斯含量测定设备与所述粉碎解析设备连接，所述瓦斯含量测定设备还包括：
游离瓦斯损失处理单元，用以获取并处理预置取样参数，以得到煤样游离瓦斯损失量W11；
吸附瓦斯损失量单元，用以解析所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及粉碎前瓦斯解析量W22，以得到所述吸附瓦斯损失量W12；
取样损失量处理单元，用以根据所述煤样游离瓦斯损失量W11及所述吸附瓦斯损失量W12处理得到取样损失量W1，所述取样损失量处理单元与所述游离瓦斯损失处理单元及所述吸附瓦斯损失量单元连接；
粉碎前自然解析单元，用以求和处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及所述粉碎前瓦斯解析量W22，以得到粉碎前自然解析量W2；
常压吸附瓦斯处理单元，用以获取并处理煤样工业分析参数，以得到常压吸附瓦斯量WC；
粉碎瓦斯处理单元，用以处理所述取样损失量W1、所述粉碎前自然解析量W2、所述粉碎瓦斯解析量W3及所述常压吸附瓦斯量WC，以得到所述瓦斯含量，所述粉碎瓦斯处理单元与所述取样损失量处理单元、所述粉碎前自然解析单元、所述粉碎解析设备及所述常压吸附瓦斯处理单元分别连接。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用定向钻机施工、定点密闭取样、煤样粉碎、计算瓦斯含量4个步骤实现超过100m的远距离煤层瓦斯含量测定。本发明通过计算由取样损失量、粉碎前自然解析量、粉碎解析量和常压吸附瓦斯量，以测定瓦斯含量，提高了瓦斯测定的精度。本发明采用密闭取芯装置进行取样，取样过程煤样暴露时间短、瓦斯损失量小。
本发明通过定点密闭取芯装置对煤样进行封装，减小样品中瓦斯损失量，将取样过程中的损失量降到最小，然后通过煤层瓦斯压力、瓦斯解析模型等计算出损失量。
本发明通过瓦斯解析模型计算得出游离瓦斯损失量以及吸附瓦斯损失量，通过计算游离瓦斯损失量以及吸附瓦斯损失量获取补偿数据，该瓦斯含量计算模型引入了游离瓦
斯补偿使测定结果更准确。通过定向钻孔施工、定点密闭取样、取样损失量模型优化，可以准确测量煤层瓦斯含量。本发明解决了现有技术中存在的瓦斯含量测定误差大以及测量距离较短的技术问题。
图1为本发明实施例1的煤层远距离瓦斯含量测定方法基本流程示意图；
图2为本发明实施例2的煤层远距离瓦斯含量测定方法细化流程示意图；
图3为本发明实施例2的瓦斯含量组成示意图。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
实施例1
如图1所示，瓦斯含量测定流程分为4步：
S1、定向钻孔施工；在本实施例中，施工定向钻孔到目标煤层，退钻安装定点密闭取芯装置，送至孔底开始取芯开始计时。
S2、定点密闭取样；在本实施例中，按照定点密闭取芯装置使用方法进行钻进、取芯、密闭，记录取芯时间t1，取出取芯装置。
S3、煤样粉碎；在本实施例中，打开密闭取芯装置前记录时间t2，记录取芯装置内瓦斯解析量W21；将样品粉碎，记录粉碎前的瓦斯解析量W22和粉碎瓦斯解析量W3
S4、计算瓦斯含量Wa。
实施例2
如图2所示，煤层远距离瓦斯含量测定方法细化流程包括以下步骤：
S1’、钻孔施工到目标煤层；
S2’、退钻安装取芯装置送入孔底；
S3’、开始取芯；
S4’、保存取芯时间t1；
S5’、保存样品解析时间t2；
S6’、取芯结束关闭取芯装置；
S7’、从钻孔取出取芯装置；
S8’、打开取芯装置记录解析量W21；
S9’、解析获取粉碎前记录解析量W21；
S10’、解析获取样品粉碎记录解析量W3；
S11’、计算瓦斯含量Wa。
如图3所示，在本实施例中，测定的瓦斯含量种类包括：
瓦斯含量Wa：
瓦斯含量Wa共由取样损失量W1、粉碎前自然解析量W2、粉碎解析量W3和常压吸附瓦斯量Wc四个部分构成。
取样损失量W1：
取样损失量W1由取样过程中煤样游离瓦斯损失量W11与吸附瓦斯损失量W12之和，在本实施例中，给出了瓦斯损失量W1的计算方法为上述W11与W12之和：
以得到瓦斯损失量W1。
游离瓦斯损失量W11通过测试的煤层原始瓦斯压力p和煤样工业分析的孔隙率V孔等参数计算得出。W12通过瓦斯解析模型计算得出。
式中：W11为游离瓦斯损失量、p0为井下大气压、T0为巷道温度、T为煤层温度、p为煤层瓦斯压力、V孔为煤层孔隙率。
式中：W12为吸附瓦斯损失量、W21为取芯装置内瓦斯解析量、t1为取芯钻进时间、t2为取芯装置开始取芯到取出密闭取芯装置打开时间。由于在取样过程中煤样是逐步剥离，因此样品取样过程中吸附瓦斯解析时间为
粉碎前自然解析量W2：
粉碎前自然解析量W2由密闭取芯装置W21与粉碎前瓦斯自然解析量W22之和。
粉碎解析量W3：
在井下或者地面对样品进行粉碎，解析出的瓦斯量。
常压吸附瓦斯量WC：
通过煤样工业分析的吸附常数a、吸附常数b、灰分等参数计算得出。
通过采用定点密闭取样装置，配合密闭取样的瓦斯含量测定方法，在潘一东井底车场考察地面钻孔压裂效果期间，共成功取样测定瓦斯含量24个，实测13-1煤层原始区域最大瓦斯含量24.8m3/t，明显高于采用传统瓦斯含量测量方法测值17m3/t，提高了瓦斯含量测量准确性，具有较高的先进性和推广使用价值。
综上，本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用定向钻机施工、定点密闭取样、煤样粉碎、计算瓦斯含量4个步骤实现超过100m的远距离煤层瓦斯含量测定。本发明通过计算由取样损失量、粉碎前自然解析量、粉碎解析量和常压吸附瓦斯量，以测定瓦斯含量，提高了瓦斯测定的精度。本发明采用密闭取芯装置进行取样，取样过程煤样暴露时间短、瓦斯损失量小。
本发明通过定点密闭取芯装置对煤样进行封装，减小样品中瓦斯损失量，将取样过程中的损失量降到最小，然后通过煤层瓦斯压力、瓦斯解析模型等计算出损失量。
本发明通过瓦斯解析模型计算得出游离瓦斯损失量以及吸附瓦斯损失量，通过计算游离瓦斯损失量以及吸附瓦斯损失量获取补偿数据，该瓦斯含量计算模型引入了游离瓦斯补偿使测定结果更准确。通过定向钻孔施工、定点密闭取样、取样损失量模型优化，可以准确测量煤层瓦斯含量。本发明解决了现有技术中存在的瓦斯含量测定误差大以及测量距离较短的技术问题。解决了现有技术中存在的瓦斯含量测定误差大以及测量距离
较短的技术问题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
- 一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述方法包括：S1、钻孔施工到目标煤层，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；S2、利用所述密闭取芯装置进行取芯操作并记录取芯时间t1及取芯解析时间t2，据以获取测定煤样，采集并保存所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21；S3、采集并保存所述测定煤样的粉碎前瓦斯解析量W22；S4、粉碎处理所述测定煤样，据以解析并保存粉碎瓦斯解析量W3；S5、以预置逻辑处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21、所述粉碎前瓦斯解析量W22及所述粉碎瓦斯解析量W3，据以测定瓦斯含量，所述步骤S5还包括：S51、获取并利用预置瓦斯解析模型处理预置取样参数，以得到煤样游离瓦斯损失量W11；S52、利用所述预置瓦斯解析模型解析所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及粉碎前瓦斯解析量W22，以得到所述吸附瓦斯损失量W12；S53、根据所述煤样游离瓦斯损失量W11及所述吸附瓦斯损失量W12处理得到取样损失量W1；S54、求和处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及所述粉碎前瓦斯解析量W22，以得到粉碎前自然解析量W2；S55、获取并处理煤样工业分析参数，以得到常压吸附瓦斯量WC；S56、处理所述取样损失量W1、所述粉碎前自然解析量W2、所述粉碎瓦斯解析量W3及所述常压吸附瓦斯量WC，以得到所述瓦斯含量。
- 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述步骤S1中钻孔施工操作采用定向钻孔施工。
- 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：S21、从所述密闭取芯装置送入孔底并开始定点密闭取样时开始计时；S22、以所述密闭取芯装置进行密闭取芯操作，记录所述取芯时间t1；S23、打开所述密闭取芯装置前，记录所述取芯解析时间t2。
- 根据权利要求3所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述密闭取芯操作包括：钻进、取芯及密闭。
- 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：S31、打开所述密闭取芯装置，以取出所述测定煤样；S32、对所述测定煤样采集并保存所述粉碎前瓦斯解析量W22。
- 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述步骤S51还包括：S511、测试获取煤层原始瓦斯压力p，并获取孔隙率V孔；S512、以所述预置瓦斯解析模型中的下述逻辑处理所述煤层原始瓦斯压力p及孔隙率V孔，以得到所述煤样游离瓦斯损失量W11：
，其中，p0为井下大气压、T0为巷道温度、T为煤层温度、p为煤层瓦斯压力、V孔为煤层孔隙率。 - 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述步骤S52中，以所述预置瓦斯解析模型中的下述逻辑解析所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及粉碎前瓦斯解析量W22，以得到所述吸附瓦斯损失量W12：
，其中，t1为取芯钻进时间、t2为取芯装置开始取芯到取出密闭取芯装置打开时间、吸附瓦斯解析时间为 - 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述 步骤S53中通过下述逻辑对所述煤样游离瓦斯损失量W11及所述吸附瓦斯损失量W12求和：，以得到所述取样损失量W1。
- 根据权利要求1所述的一种煤层远距离瓦斯含量测定方法，其特征在于，所述步骤S55中的所述煤样工业分析参数包括：吸附常数a、吸附常数b、灰分。
- 一种煤层远距离瓦斯含量测定系统，其特征在于，所述系统包括：取芯装置送入设备，用以钻孔施工到目标煤层，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；密闭取芯装置，用以进行取芯操作并记录取芯时间t1及取芯解析时间t2，据以获取测定煤样，采集并保存所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21，所述密闭取芯装置与所述取芯装置送入设备连接；粉碎前瓦斯解析设备，用以采集并保存所述测定煤样的粉碎前瓦斯解析量W22，所述粉碎前瓦斯解析设备与所述密闭取芯装置连接；粉碎解析设备，用以粉碎处理所述测定煤样，据以解析并保存粉碎瓦斯解析量W3，所述粉碎解析设备与所述粉碎前瓦斯解析设备连接；瓦斯含量测定设备，以预置逻辑处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21、所述粉碎前瓦斯解析量W22及所述粉碎瓦斯解析量W3，据以测定瓦斯含量，所述瓦斯含量测定设备与所述粉碎解析设备连接，所述瓦斯含量测定设备还包括：游离瓦斯损失处理单元，用以获取并处理预置取样参数，以得到煤样游离瓦斯损失量W11；吸附瓦斯损失量单元，用以解析所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及粉碎前瓦斯解析量W22，以得到所述吸附瓦斯损失量W12；取样损失量处理单元，用以根据所述煤样游离瓦斯损失量W11及所述吸附瓦斯损失量W12处理得到取样损失量W1，所述取样损失量处理单元与所述游离瓦斯损失处理单元及所述吸附瓦斯损失量单元连接；粉碎前自然解析单元，用以求和处理所述密闭取芯装置内瓦斯解析量W21及所述粉碎前瓦斯解析量W22，以得到粉碎前自然解析量W2；常压吸附瓦斯处理单元，用以获取并处理煤样工业分析参数，以得到常压吸附瓦斯量WC；粉碎瓦斯处理单元，用以处理所述取样损失量W1、所述粉碎前自然解析量W2、所述粉碎瓦斯解析量W3及所述常压吸附瓦斯量WC，以得到所述瓦斯含量，所述粉碎瓦斯处理单元与所述取样损失量处理单元、所述粉碎前自然解析单元、所述粉碎解析设备及所述常压吸附瓦斯处理单元分别连接。
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