一項目背景
煤層瓦斯壓力和含量是礦井瓦斯防治的基礎(chǔ)參數(shù)。要想獲得每測一個點的瓦斯壓力與含量，都需要付出很高的人力與物力，而不同煤層、不同區(qū)域的瓦斯是不一樣的，甚至存在著根本性的差異，這就需要礦方安排大量的人力、物力來進行煤層瓦斯壓力和含量測定。
該項目圍繞煤層瓦斯壓力與含量測定方面的關(guān)鍵技術(shù)進行了研發(fā)，創(chuàng)造性的提出了復(fù)用型主動式封孔測壓、真空卸壓防瓦斯漏失及反轉(zhuǎn)密封定點保壓取樣等關(guān)鍵技術(shù)。
二關(guān)鍵技術(shù)
1.采用基于主動式測壓封孔機理的復(fù)用型主動式封孔測壓裝置、固液耦合一次性主動式封孔測壓裝置與下向穿松軟多煤巖層涌水鉆孔測壓裝置，提高了井下煤層瓦斯壓力直接測定的快捷性、準確性與靈活性。
復(fù)用型主動式封孔測壓裝置由兩段特殊的固體密封裝置、中間連接支撐套管、外部連接管、粘液罐、儲能罐、手動試壓泵、高壓氮氣瓶（可選）、各種連接管線、壓力表等組成。（圖1）固體密封裝置由三層組成，分別是流變體層、彈性體層和鋼絲層，能夠適應(yīng)鉆孔凸凹不平情況，實現(xiàn)可靠自密封。中間連接支撐套管有兩個作用，一是支撐兩段固體密封裝置中間的煤巖體不發(fā)生大的變形，保證裝置的回收；另一個重要作用是作為大顆粒密封液或三相泡沫的容器和載體，避免使用粘液管輸送能力有限和易于堵塞等缺陷。
圖1復(fù)用型主動式封孔測壓裝置實物
該裝置對測壓鉆孔的主動式密封主要體現(xiàn)在兩個方面：一是兩端固體封孔裝置在內(nèi)膨脹液壓力的作用下，膨脹變形對鉆孔進行主動式支護密封；二是中間護管支撐煤巖體不發(fā)生大的變形，其中的壓力粘液主動密封鉆孔周邊產(chǎn)生的微裂隙。復(fù)用型主動式測壓裝置可多次使用，適用于煤巷兩幫及掘進頭前方、巖巷不超過30m穿層孔的煤層瓦斯壓力測定，測定封孔快捷，可靠性高，測壓時間是常規(guī)測壓的1/10-1/5。
固液耦合一次性主動式封孔測壓裝置由兩根一次性膠囊、中間和外部連接桿、牛皮紙筒、尼龍壓力管（或紫銅管）、三通、壓力表等組成。（圖2）該裝置的測壓封孔原理仍然是“固體封液體，液體封氣體”，與復(fù)用型封孔裝置不同的是所用的固體封孔材料是能夠固化膨脹的化學(xué)材料，待在測壓地點固化后，再注入壓力液體密封完成測壓工作。該裝置適用于鉆孔成孔條件差、觀測壓力時間長、測壓鉆孔數(shù)量多的煤層瓦斯壓力測定，具有適用性強、操作便捷、價格低廉等特點。
圖2 一次性固液耦合測壓封孔裝置套件
下向穿松軟多煤巖層涌水鉆孔測壓裝置主要由瓦斯頭、內(nèi)裝單組分化學(xué)材料的橡皮套、擋盤、瓦斯管、膠囊注液管、注漿管、回漿管、4分鍍鋅連接管、孔口雙組分膨脹化學(xué)材料固定裝置、瓦斯表、手動試壓泵等組成。（圖3）此測壓封孔裝置的顯著特點體現(xiàn)在兩次主動式帶壓密封：一次是隔斷形成測壓室，一次是充填測壓室上部與孔口間的空間。由于這兩次自密封，使得鉆孔的密封更加可靠，并能適應(yīng)煤巖破碎、涌水、含有多個影響煤層的復(fù)雜測壓情況。
圖3下向穿松軟多煤巖層涌水鉆孔測壓裝置實物
2.采用取芯筒口密閉液保壓、真空室卸壓和無轉(zhuǎn)移防瓦斯漏失等技術(shù)與雙管單動卸壓密閉取芯器，最大限度地減少了取芯過程中煤芯的瓦斯漏失；利用反轉(zhuǎn)密封保壓取樣裝置，實現(xiàn)取樣結(jié)束后通過鉆孔反轉(zhuǎn)觸發(fā)取樣器密閉裝置，實現(xiàn)所取煤樣保壓密封，避免了煤樣瓦斯漏失。
取芯筒口密閉液保壓是指在煤芯筒后設(shè)計一段密封液空腔，取芯前預(yù)先在空腔內(nèi)注滿密封液，當取芯結(jié)束形成煤芯斷面后，借助一定的外力作用將空腔內(nèi)的密封液擠壓流動到斷面上，在整個斷面上形成一厚層致密的薄膜，將煤芯與周圍氣體介質(zhì)隔絕，這樣就可在很大程度上阻止煤芯瓦斯的解吸和漏失。
真空卸壓防瓦斯漏失技術(shù)是指在煤芯取樣筒的后方設(shè)計一段真空卸壓室，取芯鉆頭在鉆進過程中，隨著煤芯逐漸進入煤芯筒，煤芯筒中的活塞會慢慢地被擠向真空卸壓室側(cè)，當煤芯筒裝滿煤芯或煤樣后，依靠鉆進時煤體產(chǎn)生的反作用力，煤芯筒中的煤樣會強烈地擠壓活塞，使固定在真空卸壓室前端的尖頭頂破活塞上的薄膜，從而將煤芯筒與真空卸壓室連通。由于真空卸壓室呈負壓，因此煤芯中的高壓瓦斯會迅速地向真空室中釋放，直到達到平衡為止。通過向真空室釋放瓦斯，煤芯煤樣所含瓦斯量減少，瓦斯壓力降低，當退鉆時煤芯從鉆孔終端被移出鉆孔過程中即使端頭未被嚴密密封，也能在一定程度上減少因解吸釋放所導(dǎo)致的瓦斯漏失，從而提高測量的精度。
無轉(zhuǎn)移防瓦斯漏失技術(shù)以取芯筒本身作為煤樣筒，不需另外的專用煤樣筒或煤樣罐。當取芯結(jié)束后退出鉆桿，擰下鉆頭，然后迅速擰上密封蓋將煤芯密封，因此減少了將煤芯轉(zhuǎn)入煤樣罐這一環(huán)節(jié)。另外，在靠近真空卸壓室一端，煤芯通過向其釋放瓦斯，減小了煤芯中的瓦斯壓力；而在靠近鉆頭一端，因煤芯斷面被密封液所密封，在很大程度上阻止了瓦斯的逸散，因此從擰下鉆頭到蓋上取芯筒密封蓋這段時間內(nèi)瓦斯基本上不會發(fā)生漏失。
雙管單動卸壓密閉取芯裝置（圖4）由傳遞鉆桿鉆壓及扭矩的外管系統(tǒng)和具有單動、真空卸壓及粘液密封的內(nèi)管系統(tǒng)兩部分組成。該新型取芯器采用雙管單動、真空卸壓、風(fēng)冷和粘液密封的方案，以達到盡可能減少瓦斯泄漏、保持原煤樣性質(zhì)的設(shè)計要求。
圖4 雙管單動卸壓密閉取芯器
反轉(zhuǎn)密封定點保壓取樣技術(shù)原理為：施工鉆孔至預(yù)定深度，退出鉆桿，采用反轉(zhuǎn)密封保壓取樣器進行定點取樣，此過程需3~5min，在完成鉆取煤樣時，利用鉆機反轉(zhuǎn)30o以上，即可完成對所取煤樣的密封，取芯筒反轉(zhuǎn)密封后耐壓達到1.5MPa，退鉆過程不用考慮煤樣瓦斯漏失，井下無需轉(zhuǎn)移煤樣，直接通過煤樣筒利用快接裝置進行井下解吸，實驗室測定殘存瓦斯含量。反轉(zhuǎn)密封保壓取樣器如圖5所示，其具有以下優(yōu)點：（1）由于采用反轉(zhuǎn)密封取樣縮短了取樣過程中煤樣暴露的時間，從而極大地減少了取樣過程中的瓦斯損失量，提高了瓦斯含量測量值的準確性。（2）由于采用上端、下端密封煤樣筒進行瓦斯解吸，瓦斯含量測試過程中無需轉(zhuǎn)移煤樣筒內(nèi)的煤樣，直接通過快接裝置連接解吸設(shè)備進行瓦斯解吸，從而減少了井下解吸測試過程中瓦斯損失量，有利于準確測定瓦斯含量。（3）由于采用外擴、內(nèi)鉆組合鉆頭的形式采集煤樣，因此特別適用于中軟突出煤層直接取樣測量煤層瓦斯含量。
圖5 反轉(zhuǎn)密封保壓取樣器
3.運用保持原煤水分的煤層瓦斯含量測定問題現(xiàn)場取樣與實驗室測試方法，消除了水分對煤吸附瓦斯的影響，提高了間接法測定煤層瓦斯含量的準確性。
目前所有考慮水分對煤吸附瓦斯量影響的經(jīng)驗公式，皆存在較大的偏差，這是因為根據(jù)試驗標準所測定出的煤的水分可以處于不同的狀態(tài)，其對吸附瓦斯量的影響也不一樣。煤或煤中礦物質(zhì)所含的化學(xué)結(jié)合水對吸附瓦斯量無影響，處于微孔隙呈吸附狀態(tài)的結(jié)合水對煤吸附性減低起主要作用。毛細水和游離水充塞在大孔隙和毛細管中，這部分水可溶解小部分瓦斯，但對吸附瓦斯量無重大影響。由于目前尚無單獨確定煤中吸附水含量的方法，故用煤水分經(jīng)驗式確定吸附瓦斯量時，難免產(chǎn)生較大偏差。為了較準確地測定煤的吸附瓦斯量，應(yīng)盡量采用含天然水分的原始煤樣進行吸附等溫線測定，這就是保持原煤水分煤層瓦斯含量間接測定的基本原理。為避免煤樣接觸空氣氧化和水分損失，采集煤樣時，專門制作加工了高壓吸附罐（圖6）。該吸附罐蓋開有三個口，一個是進氣口，用于向吸附罐內(nèi)充入高純CH4清洗煤樣，另一個抽氣口用于抽吸煤樣混合氣體，第三個是放氣口，用于排氣。
圖6高壓吸附罐實物圖
保持原煤水分間接測定煤層瓦斯含量的基本步驟為：
（1）在煤巷正在掘進的新鮮煤面上打鉆孔測定煤層瓦斯壓力；
（2）在新鮮煤面上用電煤鉆鉆進采集煤樣；
（3）鉆取的煤粉進入雙層套篩，兩篩之間的煤粉粒度，符合吸附試驗的標準；
（4）迅速裝入瓦斯含量罐；
（5）向瓦斯含量罐反復(fù)注入瓦斯，注氣、排氣3-5次；
（6）當用高濃度瓦斯檢定器測出清洗排出的瓦斯?jié)舛却笥?8％時，停止反復(fù)注氣清洗煤樣的工作；
（7）將瓦斯含量罐拿到實驗室，在煤層溫度下做吸附含量測定；
（8）測定煤層的孔隙率；
（9）求得真實的煤層瓦斯含量。
這一做法與原有的測定計算方法比較，優(yōu)點是煤樣中水分與天然煤層相同，解決了因水分干擾難于準確計算的困難。
三推廣應(yīng)用
研制的主動式煤層瓦斯壓力測定儀形成了比較成熟的系列化產(chǎn)品，在淮南、淮北、陽泉、潞安、開灤、鄭州等礦區(qū)廣泛應(yīng)用。研制的卸壓密閉煤芯取樣器和反轉(zhuǎn)密封保壓取樣器在淮南、淮北、鄭州等礦區(qū)得到了推廣應(yīng)用。煤層瓦斯壓力與含量快速準確測定技術(shù)與裝置，將會大大提高煤礦瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試水平，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了煤礦生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)水平和市場競爭力。隨著煤礦開采深度的增大，高瓦斯及突出礦井會越來越多，對煤層瓦斯壓力與含量測定的要求也會越來越迫切，煤層瓦斯壓力與含量測定技術(shù)將會有著廣闊的應(yīng)用前景。
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