一种瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置及测定方法

摘要

本发明公开了一种瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置及测定方法，测定装置包括煤芯夹持器、瓦斯注入部分、瓦斯模拟抽采部分和压力测试部分。本发明仅需在原始煤层内施工一个取芯钻孔后收集煤芯试样，在实验室内进行测定，而不需要在煤层内施工一系列瓦斯抽采钻孔和压力观测钻孔，工程量大大降低，而且测试成功率较传统的测定方法高；煤芯试样的煤质及孔隙和裂隙相对比较均匀，可避免瓦斯地质赋存变化给测定带来的误差，且煤芯试样密闭在煤芯夹持器内、不存在暴露时间长的问题，测定准确率较高；能够实现在未达到抽采时间的中间过程的跟踪监测，进而可保证测定的准确性，测定结果能够为煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置提供理论依据及数据支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定装置及测定方法，具体是一种适用于瓦斯抽采钻孔的有效影响半径进行测定的装置及测定方法，属于煤矿瓦斯灾害的防治与高效开发技术领域。

背景技术

通过在煤层中布置瓦斯抽采钻孔以进行瓦斯的抽放，是目前我国煤矿企业进行瓦斯灾害治理和瓦斯抽采利用的主要手段。煤层瓦斯抽采钻孔设计的重要工作之一就是确定抽采钻孔的间距，即相邻两个钻孔之间的距离。若瓦斯抽采钻孔的间距过小，则会造成钻孔工程量大、成本高、经济效益低下；若瓦斯抽采钻孔的间距过大，则瓦斯抽采效果不佳，容易在煤层中遗留抽采空白带，进而在后期掘进或回采到该区域时易出现瓦斯超限事故。因此，在钻孔设计前，需要提前测试并确定瓦斯抽采钻孔的合理有效影响半径。

目前，瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定普遍采用压降法或残余瓦斯含量测定法。压降法的基本方法原理是：首先在煤层内施工一个抽放钻孔，然后在该钻孔两侧布置间距不等的若干压力观测孔(大部分的设计方法是两侧个3个钻孔)，如果观测孔的压力下降到预期的数值时(通常为原始煤层瓦斯压力的50％左右)，则认为该钻孔到抽采孔的距离为瓦斯抽采有效影响半径。压降法的缺点是：①由于煤层瓦斯抽采钻孔的有效影响半径通常较小(3m以内)，因此布置在抽放孔两侧的压力观测钻孔与瓦斯抽采钻孔之间的间距较近，容易发生串孔，进而导致测压失败；②由于煤层是高度非均质的岩石材料，煤层内部孔隙、裂隙丰富且赋存不均匀，加上煤层中还存在很多小的构造裂隙等，进而会导致每个钻孔测到的压力并不一致，可靠性较差、不方便进行对比分析；③现场瓦斯压力的测试成功率不高，要保证每个钻孔都有压力，实际上很难。因此，采用压降法进行现场有效影响半径的测试成功率都很低，通常至少要施工3组以上，施工工程量大，观测周期长。

残余瓦斯含量测定法的钻孔布置方法与压降法基本相同，区别在于先进行瓦斯抽采，然后再在两侧施工取样钻孔，测定其残余瓦斯含量，并与煤层原始瓦斯含量对比，来判定取样位置是否在瓦斯抽采有效影响半径内。残余瓦斯含量测定法的缺点是：①由于煤层是非均质的，瓦斯含量分布也非常不均匀，所以很难确定瓦斯含量较低的取样钻孔到底是受抽采的影响还是当地瓦斯含量本来就低；②取样过程中煤样暴露时间过长，误差较大；③与压降法相比，残余瓦斯含量测定法并不能每天实施观测含量变化情况，只能预定达到抽采时间后取样一次，在未达到抽采时间的中间过程无法跟踪观测。

鉴于压降法和残余瓦斯含量测定法的缺点，最近又有研究人员提出了数值模拟方法以排除了上述的影响因素，但同样需要现场测试大量的参数作为模型输入，也并不是一个经济可行的方案。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置及测定方法，能够高效准确测定瓦斯抽采钻孔的有效影响半径，进而为煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置提供理论依据及数据支持。

为了实现上述目的，本瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置包括煤芯夹持器、瓦斯注入部分、瓦斯模拟抽采部分和压力测试部分；

所述的煤芯夹持器包括筒体、堵头和环形密封垫组件；筒体是筒型结构，筒型结构沿其轴向方向的两端是稳压端和负压端，筒型结构的筒型外表面上沿其轴向方向设有多个均布设置的测压口，测压口沿筒型结构的径向方向贯穿筒型结构的筒壁；堵头设置为两件，两件堵头分别密封固定安装在稳压端和负压端上，堵头沿其轴向方向上设有贯穿堵头的瓦斯进出通道；环形密封垫组件对应堵头的数量设置为两套，环形密封垫组件设置在堵头面向筒体内腔的端部；

所述的瓦斯注入部分设置为两套，两套瓦斯注入部分分别对应稳压端和负压端设置，瓦斯注入部分包括瓦斯压力气瓶，对应稳压端的瓦斯压力气瓶的输出口通过稳压阀门与位于稳压端上的堵头的瓦斯进出通道连接，对应负压端的瓦斯压力气瓶的输出口通过三通阀门与位于负压端上的堵头的瓦斯进出通道连接；

所述的瓦斯模拟抽采部分包括真空泵，真空泵与三通阀门的另一通路安装连接；

所述的压力测试部分包括压力传感器和监测计算机；压力传感器对应筒体的测压口的数量设置，压力传感器的压力输入端通过测压阀门与筒体的测压口连接，多个压力传感器分别与监测计算机电连接。

作为本发明的进一步改进方案，瓦斯注入部分还包括恒压输送泵，对应稳压端的恒压输送泵的输入端和输出端分别与对应稳压端的瓦斯压力气瓶和稳压阀门连接，对应负压端的恒压输送泵的输入端和输出端分别与对应负压端的瓦斯压力气瓶和三通阀门连接。

作为本发明的进一步改进方案，稳压阀门、三通阀门和测压阀门均是电磁控制阀，稳压阀门、三通阀门和测压阀门分别与监测计算机电连接。

作为本发明环形密封垫组件的一种实施方式，环形密封垫组件是组合密封垫结构，包括自内向外依次设置的橡胶垫圈、铜垫圈和聚四氟乙烯密封圈。

作为本发明的进一步改进方案，聚四氟乙烯密封圈是外大内小的锥形结构，堵头的内侧端设置成与聚四氟乙烯密封圈的锥形结构配合的锥面结构。

作为本发明的进一步改进方案，测压口的数量不少于5个。

一种瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定方法，包括以下步骤：

a.在待测定瓦斯抽采影响半径的区域，施工瓦斯压力测定钻孔，测定原始煤层瓦斯压力并记录；

b.在该区域的本煤层或穿层施工一个取芯钻孔并取出煤芯试样，将煤芯试样装入瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置的煤芯夹持器中，并通过环形密封垫组件和堵头进行稳固定位，封堵堵头的瓦斯进出通道对煤芯试样进行密闭封存后，将封装有煤芯试样的筒体运输至地面实验室；

c.将封装有煤芯试样的筒体与瓦斯注入部分、瓦斯模拟抽采部分和压力测试部分安装连接，然后调节恒压输送泵的定压输出压力为原始煤层瓦斯压力并打开瓦斯压力气瓶，然后依次开启对应稳压端的恒压输送泵和稳压阀门，并控制三通阀门使对应负压端的恒压输送泵与对应负压端的堵头的瓦斯进出通道连通，瓦斯气体自筒体两端同时注入煤芯试样；

d.打开全部的测压阀门，监测计算机对各个压力传感器反馈的压力数值进行统计并记录，当压力传感器的数值达到煤层原始瓦斯压力时保持稳压阀门的开启状态，设置真空泵的抽放压力后三通阀门使对应负压端的真空泵与对应负压端的堵头的瓦斯进出通道连通，开启真空泵进行模拟抽采；

e.控制监测计算机间歇统计并记录各个压力传感器反馈的压力数值，直至达到预定的抽采天数；

f.监测计算机根据内置程序将各个压力传感器的压力数值用指数函数拟合，然后将达到抽采影响半径所需的压力数值带入拟合后获得函数公式，求得原始煤层的瓦斯抽采影响半径。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a中瓦斯压力测定钻孔至少施工两个、且对瓦斯压力测定钻孔分别测定原始煤层瓦斯压力，步骤c中调节恒压输送泵的定压输出压力为原始煤层瓦斯压力值中的最大值。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b中煤芯试样的长度不低于3m，且煤芯试样的端面打磨平整。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b中煤芯试样是整块一体结构、或是由若干不同长度的试样段共同组成的结构，且煤芯试样或试样段的端面均打磨平整。

与现有技术相比，本瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置及测定方法，仅需在原始煤层内施工一个取芯钻孔后收集煤芯试样，在实验室内进行测定，而不需要在煤层内施工一系列瓦斯抽采钻孔和压力观测钻孔，工程量大大降低，而且测试成功率较传统的测定方法高；此外，本测定方法只需要一根尺度较小的煤芯，其煤质及煤芯中的孔隙和裂隙相对比较均匀，可避免瓦斯地质赋存变化给测定带来的误差，且煤芯试样密闭在煤芯夹持器内、不存在暴露时间长的问题，测定准确率较高；本测定方法采用持续监测的方式，能够实现在未达到抽采时间的中间过程的跟踪监测，进而可保证测定的准确性，测定结果能够为煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置提供理论依据及数据支持。

附图说明

图1是本发明瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例指数函数拟合曲线图。

图中：1、煤芯试样，2、筒体，3、橡胶垫圈，4、铜垫圈，5、聚四氟乙烯密封圈，6、堵头，7、瓦斯压力气瓶，8、恒压输送泵，9、稳压阀门，10、三通阀门，11、压力传感器，12、监测计算机，13、测压阀门，14、真空泵，15、稳压端，16、负压端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置包括煤芯夹持器、瓦斯注入部分、瓦斯模拟抽采部分和压力测试部分。

所述的煤芯夹持器包括筒体2、堵头6和环形密封垫组件；筒体2是筒型结构，筒型结构沿其轴向方向的两端是稳压端15和负压端16，筒型结构的筒型外表面上沿其轴向方向设有多个均布设置的测压口，测压口沿筒型结构的径向方向贯穿筒型结构的筒壁，为了保证测压在准确性，测压口的数量不少于5个；堵头6设置为两件，两件堵头6分别密封固定安装在稳压端15和负压端16上，堵头6沿其轴向方向上设有贯穿堵头6的瓦斯进出通道；环形密封垫组件对应堵头6的数量设置为两套，环形密封垫组件设置在堵头6面向筒体2内腔的端部，环形密封垫组件可以采用橡胶密封垫结构、也可以采用骨架密封等组合密封垫结构，作为本发明环形密封垫组件的一种实施方式，环形密封垫组件是组合密封垫结构，包括自内向外依次设置的橡胶垫圈3、铜垫圈4和锥形聚四氟乙烯密封圈5。

所述的瓦斯注入部分设置为两套，两套瓦斯注入部分分别对应稳压端15和负压端16设置，瓦斯注入部分包括瓦斯压力气瓶7，对应稳压端15的瓦斯压力气瓶7的输出口通过稳压阀门9与位于稳压端15上的堵头6的瓦斯进出通道连接，对应负压端16的瓦斯压力气瓶7的输出口通过三通阀门10与位于负压端16上的堵头6的瓦斯进出通道连接。

所述的瓦斯模拟抽采部分包括真空泵14，真空泵14与三通阀门10的另一通路安装连接。

所述的压力测试部分包括压力传感器11和监测计算机12；压力传感器11对应筒体2的测压口的数量设置，压力传感器11的压力输入端通过测压阀门13与筒体2的测压口连接，多个压力传感器11分别与监测计算机12电连接。

在测定过程中，为了便于恒压控制瓦斯注入部分的瓦斯输入压力，作为本发明的进一步改进方案，瓦斯注入部分还包括恒压输送泵8，对应稳压端15的恒压输送泵8的输入端和输出端分别与对应稳压端15的瓦斯压力气瓶7和稳压阀门9连接，对应负压端16的恒压输送泵8的输入端和输出端分别与对应负压端16的瓦斯压力气瓶7和三通阀门10连接。

以下以某煤矿煤层布置瓦斯抽采钻孔抽放瓦斯为例来描述采用本瓦斯抽采钻孔有效影响半径的测定装置的测定方法：

首先在待测定瓦斯抽采影响半径的区域施工瓦斯压力测定钻孔三个，测定得到原始煤层瓦斯压力分别为1.8MPa、1.0MPa和1.6Mpa；

然后在该区域的本煤层或穿层施工一个取芯钻孔，取长度为3.6m、外径尺寸与筒体2的内径尺寸配合的煤芯试样1，再将该煤芯试样1分为两段，每段长1.8m，然后将四个端面全部用1000目的水砂纸打磨平整、并保证两段煤芯试样1的长度之和与筒体2的内腔长度尺寸配合，然后将两段煤芯试样1依次置入筒体2内；在稳压端15和负压端16依次垫入橡胶垫圈3和铜垫圈4后将锥形聚四氟乙烯密封圈5套在堵头6上，然后将堵头6分别拧紧安装在筒体2的两端，煤芯试样1即在堵头6和环形密封垫组件的夹持作用下稳固定位在筒体2内，封堵堵头6的瓦斯进出通道即完成煤芯试样1的密闭封存，最后将封装有煤芯试样1的筒体2运输至地面实验室；

将封装有煤芯试样1的筒体2与瓦斯注入部分、瓦斯模拟抽采部分和压力测试部分安装连接，其中将压力传感器11之间的间距设定为40cm、位于筒体2最外侧的压力传感器11距稳压端15和负压端16的距离各设定位10cm，然后调节恒压输送泵8的定压输出压力为1.8MPa(最大煤层瓦斯压力)，打开瓦斯压力气瓶7，然后依次开启对应稳压端15的恒压输送泵8和稳压阀门9，并控制三通阀门10使对应负压端16的恒压输送泵8与对应负压端16的堵头6的瓦斯进出通道连通，瓦斯气体即自筒体2两端同时注入煤芯试样1；

然后打开全部的测压阀门13，监测计算机12即对各个压力传感器11反馈的压力数值进行间歇统计并记录；

经过7天饱和后，所有压力传感器11的数值从OMPa上升到1.8MPa，然后保持稳压阀门9的开启状态并设置真空泵14的抽放压力为-13KPa，将三通阀门10旋转连接至真空泵14后开启真空泵14进行模拟抽采；

控制监测计算机12每隔24小时统计并记录一次各个压力传感器11反馈的压力数值，达到预定的抽采天数(30天)后各个压力传感器11的压力数值如下表所示，

序号距离d(cm)压力p(MPa)10-0.0132100.183500.554900.951301.1861701.4172101.5682501.6892901.75103001.8

监测计算机12根据内置程序将各个压力传感器11的压力数值用指数函数拟合，如图2所示，指数函数公式为p＝1.8-0.184e^d/110，p为瓦斯压力，d为距离稳压端的距离；此次测定认为30天瓦斯压力下降到原始瓦斯压力的50％(0.9MPa)，代入拟合后获得函数公式，求得对应煤层的瓦斯抽采影响半径为0.81m。

为了实现测定过程的自动化操作，作为本发明的进一步改进方案，稳压阀门9、三通阀门10和测压阀门13均是电磁控制阀，稳压阀门9、三通阀门10和测压阀门13分别与监测计算机12电连接，通过控制监测计算机12可以实现各个阀门的自动启闭。

为了实现煤芯试样1更好的密闭封存效果，作为本发明的进一步改进方案，聚四氟乙烯密封圈5是外大内小的锥形结构，堵头6的内侧端设置成与聚四氟乙烯密封圈5的锥形结构配合的锥面结构。