一項(xiàng)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(gè)點(diǎn)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(jìn)行煤層瓦斯壓力和含量測定。
該項(xiàng)目圍繞煤層瓦斯壓力與含量測定方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，創(chuàng)造性的提出了復(fù)用型主動(dòng)式封孔測壓、真空卸壓防瓦斯漏失及反轉(zhuǎn)密封定點(diǎn)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(dòng)式測壓封孔機(jī)理的復(fù)用型主動(dòng)式封孔測壓裝置、固液耦合一次性主動(dòng)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(zhǔn)確性與靈活性。
復(fù)用型主動(dòng)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(chǔ)能罐、手動(dòng)試壓泵、高壓氮?dú)馄浚蛇x）、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(shí)現(xiàn)可靠自密封。中間連接支撐套管有兩個(gè)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(gè)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(dòng)式封孔測壓裝置實(shí)物
該裝置對(duì)測壓鉆孔的主動(dòng)式密封主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(duì)鉆孔進(jìn)行主動(dòng)式支護(hù)密封；二是中間護(hù)管支撐煤巖體不發(fā)生大的變形，其中的壓力粘液主動(dòng)密封鉆孔周邊產(chǎn)生的微裂隙。復(fù)用型主動(dòng)式測壓裝置可多次使用，適用于煤巷兩幫及掘進(jìn)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(shí)間是常規(guī)測壓的1/10-1/5。
固液耦合一次性主動(dòng)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(diǎn)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(shí)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(qiáng)、操作便捷、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。
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(dòng)試壓泵等組成。（圖3）此測壓封孔裝置的顯著特點(diǎn)體現(xiàn)在兩次主動(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)一段密封液空腔，取芯前預(yù)先在空腔內(nèi)注滿密封液，當(dāng)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(dòng)到斷面上，在整個(gè)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(jì)一段真空卸壓室，取芯鉆頭在鉆進(jìn)過程中，隨著煤芯逐漸進(jìn)入煤芯筒，煤芯筒中的活塞會(huì)慢慢地被擠向真空卸壓室側(cè)，當(dāng)煤芯筒裝滿煤芯或煤樣后，依靠鉆進(jìn)時(shí)煤體產(chǎn)生的反作用力，煤芯筒中的煤樣會(huì)強(qiáng)烈地?cái)D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(fù)壓，因此煤芯中的高壓瓦斯會(huì)迅速地向真空室中釋放，直到達(dá)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(dāng)退鉆時(shí)煤芯從鉆孔終端被移出鉆孔過程中即使端頭未被嚴(yán)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(dāng)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(shí)間內(nèi)瓦斯基本上不會(huì)發(fā)生漏失。
雙管單動(dòng)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(dòng)、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(dòng)、真空卸壓、風(fēng)冷和粘液密封的方案，以達(dá)到盡可能減少瓦斯泄漏、保持原煤樣性質(zhì)的設(shè)計(jì)要求。
圖4 雙管單動(dòng)卸壓密閉取芯器
反轉(zhuǎn)密封定點(diǎn)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(jìn)行定點(diǎn)取樣，此過程需3~5min，在完成鉆取煤樣時(shí)，利用鉆機(jī)反轉(zhuǎn)30o以上，即可完成對(duì)所取煤樣的密封，取芯筒反轉(zhuǎn)密封后耐壓達(dá)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(jìn)行井下解吸，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)：（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(shí)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(zhǔn)確性。（2）由于采用上端、下端密封煤樣筒進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確測定瓦斯含量。（3）由于采用外擴(kuò)、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(yùn)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(shí)驗(yàn)室測試方法，消除了水分對(duì)煤吸附瓦斯的影響，提高了間接法測定煤層瓦斯含量的準(zhǔn)確性。
目前所有考慮水分對(duì)煤吸附瓦斯量影響的經(jīng)驗(yàn)公式，皆存在較大的偏差，這是因?yàn)楦鶕?jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所測定出的煤的水分可以處于不同的狀態(tài)，其對(duì)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(duì)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(duì)煤吸附性減低起主要作用。毛細(xì)水和游離水充塞在大孔隙和毛細(xì)管中，這部分水可溶解小部分瓦斯，但對(duì)吸附瓦斯量無重大影響。由于目前尚無單獨(dú)確定煤中吸附水含量的方法，故用煤水分經(jīng)驗(yàn)式確定吸附瓦斯量時(shí)，難免產(chǎn)生較大偏差。為了較準(zhǔn)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(jìn)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(shí)，專門制作加工了高壓吸附罐（圖6）。該吸附罐蓋開有三個(gè)口，一個(gè)是進(jìn)氣口，用于向吸附罐內(nèi)充入高純CH4清洗煤樣，另一個(gè)抽氣口用于抽吸煤樣混合氣體，第三個(gè)是放氣口，用于排氣。
圖6高壓吸附罐實(shí)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(jìn)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(jìn)采集煤樣；
（3）鉆取的煤粉進(jìn)入雙層套篩，兩篩之間的煤粉粒度，符合吸附試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)；
（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(dāng)用高濃度瓦斯檢定器測出清洗排出的瓦斯?jié)舛却笥?8％時(shí)，停止反復(fù)注氣清洗煤樣的工作；
（7）將瓦斯含量罐拿到實(shí)驗(yàn)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(shí)的煤層瓦斯含量。
這一做法與原有的測定計(jì)算方法比較，優(yōu)點(diǎn)是煤樣中水分與天然煤層相同，解決了因水分干擾難于準(zhǔn)確計(jì)算的困難。
三推廣應(yīng)用
研制的主動(dòng)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(zhǔn)確測定技術(shù)與裝置，將會(huì)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(huì)越來越多，對(duì)煤層瓦斯壓力與含量測定的要求也會(huì)越來越迫切，煤層瓦斯壓力與含量測定技術(shù)將會(huì)有著廣闊的應(yīng)用前景。
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