高压瓦斯压力

高压瓦斯压力（精选7篇）

高压瓦斯压力 篇1

煤与瓦斯突出是我国煤矿生产中最严重的灾害之一, 给矿井的安全生产和矿工的生命安全造成重大威胁。煤层瓦斯压力是衡量煤与瓦斯突出危险性的重要指标之一, 准确快速地测定煤层瓦斯压力, 对评价与研究瓦斯储量、瓦斯抽采和煤与瓦斯突出均有重要意义[1]。

1 煤层瓦斯压力测定封孔工艺现状

测定煤层瓦斯压力时, 通常是从围岩巷道向煤层施工钻孔, 孔中布置连接压力表的测压管路, 将钻孔密封, 进行瓦斯压力直接测定[2]。测压封孔方法分填料法和封孔器法2类。

(1) 填料封孔法包括水泥砂浆、聚氨酯和黄土封孔法等, 适用于岩层较致密、钻孔倾角较大的情况。优点是工艺简便。缺点为: (1) 不适合对倾角较小的钻孔封孔; (2) 封孔时间较长; (3) 在岩层裂隙发育条件下, 黏土、水泥砂浆不能封堵裂隙, 导致钻孔漏气; (4) 如果岩层有水, 填料法则不能封堵裂隙水, 且填充材料易被水稀释不易凝固。

(2) 根据封孔器的结构特点, 封孔器封孔法有胶圈—黏液、胶囊—黏液2种。该方法适用于成孔较好、无裂隙或有微裂隙的岩 (煤) 层封孔测压, 具有封孔简便、可靠、封孔器可重复使用的优点。其缺点是价格较高, 且在松软岩层或煤层封孔时, 封孔器会被压死而无法回收, 更重要的是, 若岩 (煤) 层裂隙较发育时, 黏液不能封堵裂隙, 造成测压失败[3,4]。

总之, 上述封孔方法均不能适应复杂地质条件, 尤其在煤层或裂隙发育的岩层中直接测压成功率极低。

2 问题提出及施工工艺

针对传统测压方法受复杂地质条件影响、封孔质量差、无法保证测压成功率的情况, 提出利用套管高压注浆封孔法严密封堵钻孔和裂隙, 提高封孔质量, 并使用主动测压法补偿气体, 缩短瓦斯压力平衡时间, 实现煤层瓦斯压力快速准确测定[5]。

2.1 基本工艺

(1) 测压钻孔采用大直径钻头开孔, 将外端有法兰盘的套管送进孔内, 并注浆加固套管; (2) 用小一号钻头沿原钻孔中心钻进, 距煤层一定距离时停止, 进行全孔段注浆加固, 高压注浆可有效封堵钻孔周边大小裂隙及裂隙水, 保证封孔质量; (3) 用小直径钻头再次透孔, 直至钻孔穿透煤层; (4) 利用套管外端法兰盘连接压力表、充入补偿气体, 定期观察和记录瓦斯压力。

2.2 实施方式

(1) 采用113 mm的钻头开孔, 在钻进5 m后退出钻杆, 扫净孔内钻屑。

(2) 将108 mm套管送进孔内, 套管长度不少于5.5 m, 露出孔口长度不小于300 mm。

(3) 安装法兰盘及压力表 (量程4~10 MPa) , 孔内注入膨胀水泥 (凝固后回缩量小) , 注浆压力不小于3.0 MPa, 加固套管护住孔口。

(4) 耐压试验合格待水泥凝固后, 采用93 mm的钻头沿原钻孔中心钻进, 终孔位置距煤层1 m。

(5) 通过法兰盘全孔段注膨胀水泥, 注浆压力不低于3.0 MPa。高压注浆应有效封堵钻孔内裂隙及微裂隙, 保证封孔质量。

(6) 耐压试验合格待水泥凝固后, 采用75 mm的钻头沿原钻孔中心重新钻进, 钻孔穿过煤层进入顶 (底) 板1.5 m。

(7) 钻孔施工完毕及时退钻, 更换压力表 (压力表精度等级应优于1.5, 最大量程4~10 MPa) 。

(8) 为有效缩短瓦斯压力平衡时间, 可以通过补气接口向测压室充入高压氮气, 根据煤层埋深及瓦斯压力梯度推测瓦斯压力确定补气量, 补气时间不少于30 min。

(9) 定期观察和记录瓦斯压力。若瓦斯压力连续3 d无变化, 则可认为该稳定压力即为煤层瓦斯压力。

(10) 测压结束后, 回收压力表。测压钻孔封孔如图1所示。

3 现场应用

焦煤公司九里山矿位于焦作矿区东部, 瓦斯地质条件和水文地质条件极其复杂, 属严重的煤与瓦斯突出矿井。该矿二水平正处于开拓阶段, 根据二水平轨道、胶带暗斜井岩柱探测资料, 在二水平胶带暗斜井通尺240~320 m段, 二1煤层呈变缓趋势。根据相关规定以及矿井生产需要, 为了获得该地区二1煤层瓦斯参数, 选在二水平胶带暗斜井通尺309m处进行瓦斯压力测定。

3.1 测压地点概况

测压地点所在层位为粉砂岩, 且揭露一层厚约0.4 m的煤线, 岩石层理稳定清晰, 节理发育。根据巷道掘进过程中实揭及附近已知地质资料分析, 该区域煤层倾角约8°, 煤层厚4.0~7.5 m, 测压地点在Feh-4和Feh-5断层之间, 且Feh-4断层穿过二1煤层, 落差约0.5 m。测压地点剖面如图2所示。

该区域地质条件十分复杂, 二水平向下延伸穿过马坊泉大断层, 巷道顶底板岩层破碎严重, 测压地点距马坊泉断层仅135 m, 且处于Feh-4和Feh-5断层之间, 测压孔更是穿过Feh-4断层。由此可判断, 测压地点岩层裂隙十分发育, 采用常规测压封孔方法不能保证对钻孔周围裂隙进行较好封堵, 也无法准确测定煤层瓦斯压力。

且该地区直接充水含水层为L8灰岩含水层, 距巷道底板约46 m处水压约2.3 MPa, 经计算, 突水系数为0.05 MPa/m, 虽小于地质构造块段突水系数0.06 MPa/m, 无底板突水危险, 但裂隙水发育将直接影响钻孔封孔及测压效果。

3.2 钻孔参数及技术要求

根据矿井生产需要, 为了进一步探明该区域煤层地质情况、煤层瓦斯参数, 设计于二水平胶带暗斜井通尺309 m处施工地质取心钻孔, 并使用套管高压封孔法进行煤层瓦斯压力测定。测压钻孔参数见表1。

(1) 用113 mm钻头按照设计方向、倾角施工至套管设计位置以下0.5~1.0 m, 下入108 mm套管; (2) 进行注浆固管, 注浆固管压力不小于3.0MPa, 凝固时间不少于24 h (浆液中加水玻璃时要达到8 h) ; (3) 用75 mm钻头透孔钻进至二1煤, 钻孔见煤后进行注浆封堵, 注浆压力应保持在1.0~1.5MPa, 凝固时间不少于24 h (浆液中加水玻璃时要达到8 h) ; (4) 注浆结束且凝固时间达到要求后, 采用75 mm钻头进行透孔试压, 钻孔透至煤层以上1.0 m后, 进行压水耐压试验, 耐压试验压力必须在1.0 MPa以上, 持续时间达到30 min, 孔壁周围不漏水为合格, 否则须重新封固;在试压合格后, 采用75 mm取心钻头钻进进行岩石取心, 钻孔终孔应穿透煤层底板0.5 m。钻孔施工完毕及时退钻, 更换压力表, 并通过补气接口向测压室充入高压氮气, 补气时间不少于30 min。测压的前3 d, 需要每8 h记录1次压力表的指示值;以后每天记录一次压力表的指示值, 直至压力读数稳定为止。

3.3 数据观测分析

根据已开采深度范围内瓦斯压力与开采深度之间的关系, 直接按式 (1) 估算未知深度处的煤层瓦斯压力值[6]:

式中, H为距地表垂深;B为系数。

根据于不凡等人的研究结果, 对于我国煤层而言, B=0.001 5~0.015 0 MPa/m, 其中, 高瓦斯煤层推算系数B=0.006 4 MPa/m。参照九里山矿16采区测压结果 (表2) , 考虑到断层等地质构造等因素对煤层影响, 推测该区域煤层瓦斯压力1.14~1.82 MPa, 向测压室补气压力确定为2 MPa。

经过高压注浆封堵测压钻孔附近岩层裂隙, 主动补气后压力表指示值先下降, 后缓慢回升, 3 d后指示值稳定在1.39 MPa。充分说明测压室密闭不漏气, 钻孔封孔效果符合测压要求。瓦斯压力恢复曲线如图3所示。

3.4 效果检验

采用DGC型瓦斯直接测定装置及WS-G808型煤层工业分析装置进行瓦斯参数测定, 结果见表3。

煤层瓦斯含量X与瓦斯压力P满足郎格谬尔吸附方程, 煤层瓦斯含量与瓦斯压力的关系可描述为[7]:

式中, X为纯煤 (煤中可燃质) 的瓦斯含量;P为煤层瓦斯压力;a为吸附常数, 试验温度下煤的极限吸附量;b为吸附常数;Aab为煤中灰分含量;Mab为煤中水分含量;K为煤的孔隙体积;γ为煤的视密度。

利用煤层瓦斯含量间接计算法计算出煤层瓦斯压力, 对套管高压封孔法测定煤层瓦斯压力进行检验。计算结果为1.42 MPa, 与测定结果 (1.39 MPa) 基本相符。因此, 可以判断利用套管高压封孔法测定煤层瓦斯压力能够在裂隙发育区域准确测定煤层瓦斯压力。

4 结论

(1) 利用套管高压注浆封孔法, 可以有效封堵钻孔和裂隙, 提高封孔质量, 消除传统测压方法受复杂地质条件影响、无法保证测压成功率的现象。

(2) 矿井可根据实际生产需要选取测压地点, 同时该方法对测压钻孔倾角设计没有限制, 可根据需要合理选择。

(3) 该测压方法操作简单, 使用材料均为矿井生产常用材料, 可降低测压成本, 便于推广应用。

摘要：针对传统测压方法受复杂地质条件影响封孔质量差、无法保证测压成功率的情况, 提出利用套管高压注浆封孔法严密封堵钻孔和裂隙, 以提高封孔质量, 并使用主动测压法补偿气体, 以缩短瓦斯压力平衡时间, 实现煤层瓦斯压力的快速准确测定。该技术已在焦煤各矿进行试验, 并取得了良好的效果。

关键词：测压,套管,高压注浆,封孔,瓦斯压力

参考文献

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992.

[2]国家安全生产监督管理总局.AQ1047—2007煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定[S].北京:煤炭工业出版社, 2007.

[3]王轶波, 陈彦飞, 王凯, 等.煤层瓦斯压力测定钻孔新型封孔技术[J].煤炭科技, 2003 (2) :17-19.

[4]杨晓亮, 古兴龙.煤层瓦斯压力测定封孔新工艺[J].中州煤炭, 2009 (3) :17-19.

[5]何书建, 张仁贵, 王凯.新型封孔技术在煤层瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术, 2003 (10) :33-35.

[6]曲荣飞, 兰泽全.间接法测算煤层瓦斯压力现状[J].煤矿安全, 2009 (8) :86-89.

[7]李波, 李长松, 魏建平.套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术, 2009 (3) :34-37.

煤层瓦斯压力快速测定技术 篇2

为此, 笔者提出了煤层瓦斯压力快速测定技术, 其目的在于全面夯实瓦斯治理基础, 抓好瓦斯基础参数测定工作, 提高瓦斯治理措施的针对性、有效性、科学性, 进一步规范煤层瓦斯压力测定工作, 快速、准确测定煤层瓦斯压力。

1 煤层瓦斯压力快速测定技术

1.1 技术原理

煤层瓦斯压力快速测定技术, 是通过向钻孔内全程下套管, 并向钻孔周围裂隙内注水泥浆封堵钻孔周边裂隙。由于钻孔内全程下套管, 且注浆时达到一定的注浆压力, 使钻孔与其周边通道隔离开, 测压时不受煤岩层水及裂隙导通的影响, 达到准确测定煤层瓦斯压力的目的。

1.2 测压孔施工及封孔工艺流程

1.2.1 测压孔施工

①开孔使用127mm钻头带压水 (风) 钻进8m停, 退出钻杆, 扫净孔内岩粉, 把8m套皮管 (108mm) 送入孔内, 孔口管外露0.3m, 并加上法兰盘, 用锚杆将法兰盘固定在巷帮上。在孔壁与套皮管间的缝隙用麻绳堵住, 并浇注聚氨酯。然后向孔内注浆, 注浆压力不低于4MPa。

②待水泥浆凝固24h后, 改用94mm钻头压力 (风) 水排渣钻进8.5m, 进行试压, 压力不小于4MPa, 时间不少于30min。

③改用94mm钻头压力 (风) 水排渣钻进至见煤前1m, 再次向孔内注浆, 注浆压力达到6MPa, 并稳定不少于30min, 注浆钻孔注浆完毕。

④再次采用直径94mm钻头施工至穿透施工钻孔超过煤层底板1.5m (用于储渣、积水) 停钻, 并用压风吹尽孔内钻屑, 全程带压风起钻, 钻孔施工完毕。

1.2.2 封孔工艺

①按图1要求放入测压管, 做好准备工作, 跟入4分管 (高压胶管耐12MPa压力) 至孔底。前端2m采用带尖头的花管, 所有接头缠生料带, 用牙钳拧紧。

②座底 (第一堵) 。在送入4分钢管前, 将1m长白布袋裹在4分管上, 两端用铁丝扎紧, 将注浆液倒入白布袋内, 然后快速将4分管送入孔内。

③第二堵 (堵孔口段) 。下入1根注浆管至孔内, 采用聚氨酯+白布袋封孔 (长度不小于1m) 。

④第一注前, 聚氨酯充分凝固后, 注入少许水泥浆 (形成1m水泥柱) 即可。用水泥∶水 (重量比) =1∶0.7的水泥浆, 增强一堵强度。凝固后24小时开始第一注工序。

⑤第一注。聚氨酯充分凝固后, 从注浆管注入水泥浆至返浆管返浆为止。

⑥第二注。关闭返浆管口阀门, 继续注浆。终孔注浆压力达到6MPa。水泥:水 (重量比) =1:0.7的水泥浆。

钻孔施工及封孔工艺如图1。

1.3 测压装置安装

(1) 注浆封孔结束, 应凝固24h后安装压力表。

(2) 测压装置现场安装前必须经气密性试验, 管路连接处用生料带缠绕密闭。

(3) 与测压气室内花眼管连接并引出至压力表的测压管必须采用内径5mm~8mm的整根高压软管 (承受内压≥12MPa) 。测压管路系统的连接头耐压应≥12MPa。

(4) 测压管路系统安装后, 必须通过肥皂水来进行气密性检查。

1.4 瓦斯压力测定

(1) 用压风注入空气待注入气体压力稳定后关闭球阀。

(2) 现场测压装置必须悬挂警示牌或设置保护栅栏, 定期巡查。

(3) 安排专人负责瓦斯压力测定观察记录, 建立台账。

(4) 瓦斯压力曲线趋向稳定、压力值变化连续48小时小于5KPa/d时测压结束。

(5) 同一测压地点以最高瓦斯压力测定值作为测定结果。

2 现场应用

2.1 测压地点选择

测定地点的选择原则[4]如下:

(1) 测定地点应优先选择在石门或岩巷中, 选择岩性致密的地点, 且无断层、裂隙等地质构造处布置测点, 其瓦斯赋存状况要具有代表性。

(2) 测压钻孔应避开含水层、溶洞, 并保证测压钻孔与其距离不小于50m。

(3) 对于测定煤层原始瓦斯压力的测压钻孔应避开采动、瓦斯抽采及其他人为卸压影响范围, 并保证测压钻孔与其距离不小于50m。

(4) 对于需要测定煤层残存瓦斯压力的测压钻孔则根据测压目的的要求进行测压地点选择。

(5) 选择测压地点应保证测压钻孔有足够的封孔深度 (穿层测压钻孔的见煤点或顺层测压钻孔的测压气室应位于巷道的卸压圈之外) , 采用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5°。

(6) 同一地点应设置两个测压钻孔, 其终孔见煤点或测压气室应在相互影响范围外, 其距离除石门测压外应不小于20m。

(7) 瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统, 行人少且便于安设保护栅栏的地方。

根据上述原则, 瓦斯压力测定地点选择在陶二煤矿-711m北大巷和首采辅助回风上山。

2.2 测压孔布置

陶二煤矿-711北大巷为开拓大巷, 为矿井开拓新采区使用, 巷道位于1#煤层上部约19m处掘进。为收集瓦斯基础参数, 做好下一步矿井生产准备, 进一步的掌握瓦斯赋存的规律及赋存情况, 需进行瓦斯压力测定工作。钻孔设计见图2。钻孔严格按照图1进行施工及封孔作业。

2.3 测压效果

(1) 使用一根抗压胶管, 可以有效地减少接头, 减少漏气点;使测压封孔过程简单, 孔口连接方便, 便于设置测压表, 有利于观察及检查孔口漏气。

(2) 实现了快速测定煤层瓦斯压力。-711北大巷瓦斯压力测定时间为8~9天, 见图3。根据1#孔和2#孔瓦斯压力测定结果, 确定-711m北大巷处测得1#煤层瓦斯压力为0.25MPa。

(3) 采用新技术前, 瓦斯压力测定时间一般在15-20天, 瓦斯压力数据偏低, 在北大巷以前测定的煤层瓦斯压力中最大的仅为0.13MPa。

3 结束语

(1) 煤层瓦斯压力是最重要的瓦斯基础参数之一, 准确测定煤层瓦斯压力对于采取有效措施防治瓦斯事故具有重要意义。

(2) 通过孔内全程下套管并进行带压封孔技术封堵钻孔周围裂隙, 使钻孔与周边裂隙隔离开, 避免了裂隙水及漏气对测压的影响。

(3) 采用新的封孔工艺进行测压, 取得了良好效果, 测压时间由原来的15~20天缩短至8~9天。

参考文献

[1]贾金峰.测压封孔技术在桃园矿的推广与应用[J].陕西煤炭, 2008, 06:83-84+70.

[2]李波, 等.套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术, 2009, 03:34-37.

顺煤层精确测瓦斯压力法 篇3

煤层瓦斯压力是瓦斯涌出和突出的动力, 也是煤体瓦斯含量多少的标志。准确获取煤层原始瓦斯压力是有效开展瓦斯预测和防治工作的重要技术保障, 有着极其重要的意义。但是目前通常采用的瓦斯压力测定法, 在遇到含水量大的煤岩层时, 受静水压的影响, 测定的结果偏差很大。基于此, 为了提高煤层瓦斯压力的测试精度, 笔者在祁南矿716底板抽放巷、726底板抽放巷及34下采区测压过程中, 针对区域内构造、裂隙发育、含水丰富的特点, 尝试了放水测瓦斯压力, 并改进了钻孔封孔工艺。现场试验和应用结果表明, 使用该工艺可以很好地封堵与测压钻孔沟通的渗水裂隙, 保证测压过程的顺利和成功, 并最终获取了比较准确、可靠的煤层瓦斯压力。

1 矿井概况

祁南矿隶属淮北矿业集团公司, 位于宿南向斜转折端, 含煤地层属二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组, 可采或局部可采煤层10层, 分为上、中、下三个煤组, 自上而下依次为上煤组23、32煤层, 中煤组61、62、63、71、72、8和9煤层, 下煤组10煤层, 可采煤层平均总厚度为16.84m, 其中32、72、10煤层为矿井主要可采煤层。32、10煤层为高瓦斯煤层, 71、72煤层为突出煤层, 高瓦斯、突出煤层占矿井可采储量的85.8%。煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高, 治理难度大, 严重威胁着我矿的安全生产。

2 测压试验过程

2.1 测压钻孔设计选取测压地点时, 为了最大限度反应煤层原始状态下的瓦斯压力, 需遵循以下原则:

2.1.1 煤层致密完整、无破碎, 50m范围内无断层和大的裂隙;

2.1.2 如果必须在断层、裂隙带或破碎带地段施工测压孔时, 首

先必须对测压孔周围50m范围内注水泥浆或其它封堵材料, 封堵围岩裂隙;

2.1.3 岩层无淋水, 岩柱 (垂高) 至少大于10m;目标煤层周围无采空区, 尽量选取近几年开拓的岩石巷道;

2.1.4 如果选取顺煤层施工测压孔, 钻孔长度不小于40m, 选取构造简单, 有利于施工的最近开掘的煤巷。

此次测压试验, 选取了101东翼轨道大巷、725底板抽放巷及34下轨道巷三个地点, 每个试验地点设计两组测压钻孔, 两组之间距离为30~40m之间, 每组为两个测压钻孔, 孔间距2.5m。钻孔的开孔位置均选择在岩石比较完整的位置。

2.2 钻工施工钻孔施工应严格按设计钻孔参数进行, 并保证钻孔平直、孔形完整, 穿透被测煤层。

在钻孔施工中, 应准确记录钻孔参数、钻孔见煤深度, 煤层厚度, 以及钻孔开孔时间、见煤时间及结束时间。

遇含水层或破碎带时可采用如下钻孔施工工艺:

2.2.1 选好开孔位置后, 选用Ф113m m钻头钻进5~6m深停止, 退出钻杆。

2.2.2 扫净孔内岩屑后, 将Ф108m m带法兰盘的孔口管送进孔内, 孔口管露出钻孔外长度100~300mm左右为宜。

2.2.3 先用木楔、棉纱、快干水泥把孔口管固定好, 再用水泥浆 (水:

水泥=1:1.5) 加固孔口管;对于40°以上的仰孔, 在孔壁和孔口管之间插入4分铁管, 采用外壁注浆;40°以下仰孔及俯孔采用孔内注浆, 将孔口管外端加上法兰盘向孔内注浆, 直到孔口管外不再漏浆为止。

2.2.4 待加固孔口管的水泥浆液凝固24~48小时后, 用Ф75mm钻头扫孔到6.5m处停止钻进, 退出钻杆。

2.2.5 用注浆泵注水对孔口管做耐压试验。要求孔口管耐压

8MPa, 耐压稳定时间不少于10m in。

2.2.6 耐压试验合格方可钻进, 不合格则须重新注浆加固, 重新耐压实验, 直至孔口管耐压试验合格。

2.2.7 孔口管耐压实验合格后, 用Ф75m m钻头继续钻进。

2.2.8 钻孔施工到接近煤层时停钻, 退出钻杆。注意不要钻入煤层。

2.2.9 孔口管接上法兰盘, 再次试压。

2.2.1 0 根据钻孔大小和钻孔深度, 确定注入水泥浆液的量。

2.2.1 1 试压合格后, 利用高压注浆泵向孔内注入水泥浆填满整个钻孔。

注浆堵水压力不小于8MPa。水泥浆配比为, 水:水泥=1:0.5~1:1.5。水泥浆浓度可逐渐增加, 初期用清水或稀水泥浆冲开裂隙通道。

2.2.1 2 待水泥浆充分凝固后, 以原孔 (轴心) 为中心通过扫孔, 二次施工小孔径 (一般为Φ75mm) 至接近煤层处。

2.2.1 3 退钻观察孔口是否有水流出或渗出30m in。如果仍旧有水则需重复上面步骤, 直至孔口不出水为止。

2.2.1 4 确定堵水成功后, 继续钻孔施工至穿透煤层0.5m终孔。

2.3 具体的封孔、测试过程

2.3.1 在钻孔下内径5m m的高压胶管, 用于测定瓦斯压力。

瓦斯管的总长度由钻孔长度确定。瓦斯管最前端用纱布包裹, 防止煤渣进入瓦斯管。

2.3.2 在测压室内下二趟测压管, 根据积水特点确定其中用于泄水压管的管口位置。

在泄水压管接0.3m的透明胶管以便于观测放水情况。在透明胶管口加控制闸阀。

2.3.3 用木楔、棉纱、快干水泥将钻孔口密封, 防止注入的浆液流出钻孔, 使注浆的全过程在承压状态下进行。

2.3.4 待快干水泥凝固后, 用注浆泵把水泥浆通过注浆管注入钻孔, 待回浆管有浆液流出后停止注浆, 并关闭注浆管上的阀门。

配制浆液:425硅酸盐水泥, 加入适量膨胀剂、速凝剂等。其质量配比为:特种水泥:水=110:80。

2.3.5 安装压力表, 观察读数。

定期通过放水阀放水, 放水时要仔细观察, 一旦发现气泡露出水快放完时及时关闭放水闸阀, 从而不影响测瓦斯压力。

3 试验效果

经现场观测记录, 各地点瓦斯压力测定数据分析可以发现, 每一组的两个两个孔瓦斯压力测量值基本相同, 每一地点的两组瓦斯压力测量值基本吻合, 而且与先前在本区域内无水条件下的测试值非常接近。从而证明, 采用本文介绍的封孔材料和改进的封孔工艺测试瓦斯压力合理、可行, 结果可靠。

4 结论

4.1 选择合适的测压位置及施工工艺, 是影响瓦斯压力测定成功的关键因素。

4.2 封孔质量和封孔长度是影响是否成功的决定性因素。应合理选择封孔材料、封孔工艺有利于准确测压。

4.3 从某种意义上讲, 测试方法是内因, 测试条件是外因, 两者

互相密切配合, 才能提高测试效果和成功率, 取得正确的瓦斯压力参数。

参考文献

[1]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论[M].北京:煤炭工业出版社, 1990.

[2]何书建.煤层瓦斯压力测定新技术[J].矿山压力与顶板管理, 2003 (3) .

[3]于不凡, 王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2005:30-37.

瓦斯压力测定钻孔封孔工艺优化 篇4

1 影响测压成功的因素

(1) 测压地点选择[1]:测压地点地质情况对测定结果有很大影响, 根据行业规范《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》 (AQ/T1047—2007) 规定, 应优先选择在石门或岩巷中岩性致密且无构造、裂隙等地质构造的地点。

(2) 测压钻孔必须有足够的封孔深度, 穿层测压钻孔的见煤点或顺层测压钻孔的测压气室应位于巷道的卸压圈之外。

(3) 采用注浆封孔时, 应防止水泥浆凝固后因收缩产生裂隙。根据封孔深度, 在水泥浆中加入一定比例的膨胀剂, 膨胀剂 (膨胀率不小于0.02%) 的掺量为水泥的12%。

2 瓦斯测压钻孔封孔工艺研究

根据现场地质情况, 封孔工艺可以归纳为5类:孔口岩石破碎型、注浆段煤层松软型、小倾角或近水平型、封孔段长度过长型、和俯孔型。

2.1 孔口岩石破碎型

实际工作中, 在运用穿层孔测压时经常遇到孔口段岩石较破碎情况, 加之矿井在加固巷道时施工的大量锚杆、锚索等, 封孔时容易造成漏浆现象, 甚至导致钻孔报废。经过现场实际工作中观察, 漏浆段岩层厚度往往不超过3 m (即小于巷道卸压圈的裂隙带高度) , 如果能避开这段再向上就进入了岩层致密段。针对这种情况, 提出“聚氨酯+水泥浆”的封孔方法。即按照水泥浆封孔方法连接好注浆管和测压管后, 首先用聚氨酯封堵孔口的2～3 m较为破碎岩层段, 然后再用水泥浆注浆密封剩余段。封孔情况如图1所示。注浆封孔设备为:额定压力4 MPa的注浆泵;高精度气体压力表 (额定压力4 MPa、最小刻度0.1 MPa) ;内径25 mm、额定压力32 MPa的高压胶管;Ø22 mm白铁管作为测压管。

2.2 注浆段煤层松软型

目前, 绝大多数地方煤矿采掘巷道越来越多地选择在煤层中布置, 多数情况下矿井测定煤层压力时不具备从底板或顶板岩石巷向待测煤层打穿层测压钻孔的条件, 而当煤层倾角较小, 并且煤层较松软时封孔较为困难。按照传统的注浆封孔方法, 经常造成注浆管堵塞、钻孔塌孔, 后果是封孔长度不能准确估计或者封孔失败。因此有必要研究针对上述特殊情况下的注浆封孔工艺。经过分析, 造成封孔困难的原因主要是当煤层较松软时, 遇到水泥浆时往往会形成糊状沉淀物使钻孔中某一段堵塞, 进而造成后续注浆过程中压力过大、高压管损坏等情况。因此提出改变注浆管的安装方式, 将传统的从下向上注浆改为从上向下注浆, 使钻孔中形成的糊状物随着后续注入水泥浆的冲击下沉至孔口, 经实践检验效果较好。封孔效果如图2所示。

2.3 小倾角或近水平型

根据目前测压规范[2], 测压孔的最小倾角必须大于5°, 并且封孔深度不小于L封=L1+Dcot θ。其中, L封为钻孔实际封孔深度, m;D为钻孔直径, m;θ为钻孔的倾角, (°) 。

如果按照上述公式, 较小倾角的测压钻孔封孔深度将非常大, 并且按照通常的封孔方法, 钻孔封孔后孔上部将形成较大的三角空体积。为减小小倾角下钻孔中的三角空体积, 经分析, 决定采用“加堵浆板”的封孔方法。即在按照正常注浆法封孔前, 首先在筛孔管尾部添加堵浆板, 然后在堵浆板周围用破布条或棉纱捆扎一圈形成倒扫帚形, 将改装后的测压管安装到位后使堵浆板和棉纱相互作用与孔壁间密封, 保证后续注入的水泥浆不会充满整个钻孔木塞与堵浆板之间的空间。这种方法经过现场试验, 取得了良好效果。普通的注浆封孔和加堵浆板后的注浆封孔效果对比如图3所示。

2.4 封孔长度过长型

当遇到矿井开采煤层群时, 巷道布置在下部煤层中, 需要测定上部煤层瓦斯压力, 而层间距较大, 此时一个测压钻孔深度往往达到60 m以上甚至更长。在采用注浆封孔时普通功率的注浆泵难以满足现场要求, 因此, 如何能利用普通的设备密封较长的测压孔, 成为困扰现场施工人员的难题。经过分析研究, 在注浆封孔时所需要的压力为注浆管口到孔底间所形成的高差的水泥浆产生的压力, 在钻孔长度不能改变的前提下, 通过增加注浆管的长度也能达到降低注浆泵输出压力的要求。如图4所示, 该法经现场测验, 是可行的。

2.5 俯斜且长度较大型

在以往测压过程中, 经常遇到新建矿井的主要巷道均布置在待测煤层上方, 要想准确测定煤层瓦斯压力, 下向孔的封孔质量显得尤为重要。但是, 下向孔封孔因为排渣困难, 存在瓦斯气、煤层水等多种因素影响, 一直是被动法测压的难点。通过对下向孔封孔技术难点的分析, 探索了适用于穿松软煤层、易垮孔、涌水的下向钻孔测压工艺技术, 并在现场测试过程中取得了成功。

下向孔施工时要注意, 首先应优先选择大直径钻孔;其次在从煤层顶板钻进后, 不需钻进到煤层底板, 因为在钻进过程中钻屑从钻进位置运移到孔口需要一定时间。因此, 在钻头进入煤层底板之前应停钻进行封孔。

封孔之前, 首先用压风将钻孔内的水和残渣排出孔外, 然后同步下放测压管、注浆管, 根据煤层厚度在测压管端部一根以上位置安装堵漏塞, 然后交替下放测压管和注浆管直到孔口。安装测压管结束后, 堵住孔口并安装排水管和阀门。在注浆过程中观察排水管排水情况, 直到排水管排出的全为水泥浆为止。管路安装方式如图5所示。

3 现场试验验证

3.1 孔口岩石破碎型测压钻孔

同鑫煤矿位于贵州省桐梓县楚米镇, 为测定C3煤层的原始瓦斯压力, 施工穿层测压钻孔, 钻孔参数及测定结果见表1[3]。由表1可知, 3-6号孔由于封孔过程中出现漏气而影响测定结果。

3.2 松软煤层中顺煤层测压钻孔

林华二矿位于贵州省金沙县, 由于矿井无底板巷道, 因此为测定9#煤层瓦斯压力的测压钻孔均为顺层钻孔, 钻孔参数及测定结果见表2[4]。

3.3 小倾角或近水平测压孔

玖园煤矿位于贵州省沙土镇, 测定5#煤层原始瓦斯压力的测压钻孔均为顺层测压钻孔, 钻孔参数及测定结果见表3[5]。

3.4 封孔长度过长测压孔

中岭煤矿位于贵州省六盘水市, 测定1#煤层的原始瓦斯压力的穿层测压钻孔总孔长超过了55 m, 钻孔参数及测定结果见表4[6]。

3.5 俯斜且长度较大测压孔

那罗寨煤矿位于贵州省六盘水市, 由于井下巷道条件限制, 为了测定13#煤层的原始瓦斯压力, 需要采用俯斜穿层测压钻孔, 钻孔参数及测定结果见表5[7]。

4 结论

根据实际情况, 可将测压钻孔分为:孔口岩石破碎型、注浆段煤层松软型、小倾角或近水平型、封孔段长度过长型、俯孔型5类情况。对于不同类型的封孔条件提出了有针对性的解决方案。通过实践验证, 上述方法效果较好。

摘要：煤层瓦斯压力是瓦斯基本参数中关键的参数之一。通过总结不同条件下的封孔工艺及方法, 针对不同条件选用合理的封孔方法, 解决了复杂地质条件下测压钻孔因漏浆、垮孔等原因导致测压钻孔报废的问题, 提高了封孔成功率。

关键词：测压,地质条件,封孔工艺

参考文献

[1]何书建, 张仁贵, 王凯, 等.新型封孔技术在煤层瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术, 2003 (10) :33-35.

[2]国家安全生产监督管理总局.AQ/T 1024—2007煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法[S].北京:煤炭工业出版社, 2007.

[3]肖文江, 冯康武, 刘志伟, 等.贵州同鑫煤矿C3、C4、C5、C6煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2010.

[4]冯康武, 张淑同, 李秋林, 等.林华二矿4号、5号、9号煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2006

[5]万振亚, 冯康武, 霍永明, 等.贵州玖园煤矿5号、8号煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2008.

[6]田景岗, 杜昌华, 冯康武, 等.贵州中岭矿业有限公司一井、二井煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2006.

高压瓦斯压力 篇5

在我国, 煤矿开采过程中使用的相关技术还不够先进, 所以无法对矿井内部的瓦斯进行有效的控制, 所以在煤矿开采过程中出现大量的瓦斯事故, 严重威胁到采矿人员的生命安全, 不能够持续地从矿井中开采出足够的煤矿, 安全生产的口号难以得到实施, 一旦采矿人员因瓦斯事故献出鲜活的生命, 会给采矿人员的家属带来心理上的创伤, 增加了采矿人员家属的经济负担。另外, 如果矿主没有向采矿人员的家属提供足额的赔偿金, 就会引发采矿人员家属与矿主之间的矛盾, 不利于实现社会的和谐与稳定, 因而阻碍了经济的快速发展。

1 采场矿山压力变化与瓦斯涌出关系的研究现状

在研究采场瓦斯涌出的时候, 大多数研究人员将注意力集中在采场瓦斯涌出、瓦斯的分布地点、瓦斯事故的形成、瓦斯事故带来的影响以及防止瓦斯事故发生的方法方面, 并没有对采场矿山压力的变化进行研究, 因而没有找出瓦斯涌出的具体原因, 所以瓦斯事故仍然时有发生, 难以得到有效的解决。近几年来, 随着相关技术的进步, 研究人员已经注意到采场矿井压力变化对瓦斯涌出的影响, 并加强了研究力度。

国外的W.H.Somerton在研究瓦斯涌出的时候, 将采场矿山的压力变化考虑在内, 证明了采场矿山压力与瓦斯涌出呈指数关系, 如果采矿压力越大, 瓦斯的渗透性越差。一些学者为了深入了解采场矿山压力变化与瓦斯涌出的关系, 对地球上含有气体的煤样进行力学性质研究, 还对采矿区的煤岩体和瓦斯涌出进行固气力学研究, 奠定了采场矿井压力变化与瓦斯涌出关系研究的理论基础。随着研究人员的深入研究, Enever学者得到了采场矿山压力变化与瓦斯涌出呈指数关系。

随着时代的进步, 我国的采矿事业得到迅速的发展, 但同时还出现大量的瓦斯事故, 为了贯彻落实以人为本的科学发展观, 国家有关部门越来越重视采矿人员的安全问题, 为了避免瓦斯事故的发生, 我国的一些学者对采场矿山压力变化与瓦斯涌出关系进行了大量的研究。研究人员李树刚通过对煤矿综采面采动与瓦斯的流动进行研究, 得出了采场矿山的总方面支撑压力与瓦斯涌出的定性和定量分析。其他的一些研究人员也都得到了采场矿山压力变化与瓦斯涌出的密切关系, 因而在矿区可以根据这些研究的相关数据来对矿井内部的瓦斯进行控制, 防止瓦斯浓度过高而发生瓦斯事故。这些研究理论的提出给采矿人员带来了福音, 为采矿人员提供了一定的安全保障, 还可以实现矿井持续、稳定的产出, 促进了采矿事业的发展, 为国家经济的发展做出了突出贡献。

2 采场瓦斯简介

要想对采场的瓦斯进行控制, 采矿的安全管理人员就要对瓦斯进行深入的研究, 从根本上控制瓦斯的浓度, 为采矿人员提供安全的工作环境, 实现矿井的持续生产, 促进采矿事业的发展, 加快国家经济发展的步伐。

2.1 采场瓦斯的主要来源

正所谓“知己知彼, 百战不殆”, 要想降低矿井内部瓦斯的浓度, 就必须熟知瓦斯的主要来源。采场瓦斯主要有三个来源, 下面就让我们来了解一下。

1) 从煤壁涌出的瓦斯。在进行煤矿开采的时候, 采煤机会不断地对煤壁进行切割, 因而出现了大量新的煤壁, 受到采场矿区压力的影响, 煤体的形态发生了新的变化, 并且新的煤壁前方的压力也产生了变化, 此处成为卸压带, 因而新的煤壁内部的瓦斯就会渗透到卸压带, 增加煤体的破坏程度。随着施工时间的延长, 瓦斯就会不断地从新的煤壁渗透到卸压带, 慢慢地工作区域的瓦斯浓度增加, 如果浓度过高就会引发瓦斯事故。

2) 对煤进行粉碎而增加瓦斯涌出的量。当采矿人员使用采煤机对煤块进行处理的时候, 成为颗粒状的煤就会涌出大量的瓦斯, 随着时间的延长, 瓦斯涌出的数量逐渐减少。

3) 暴露的煤块和煤层也会涌出大量的瓦斯。随着开采的进行, 会产生大量的采空区, 因而会暴露出大量的煤块和煤层, 瓦斯会从煤块和煤层中涌出。开始的时候, 瓦斯会大量涌出, 随着时间的延长, 瓦斯的涌出量会逐渐减少, 如果老顶发生垮落, 瓦斯涌出量仍会进行上述周期性变化。

2.2 采场中瓦斯的移动规律

由于矿井内部的环境较为复杂, 因而采场中的瓦斯会受到环境的影响而发生移动, 导致矿井个别区域的瓦斯浓度升高, 容易发生瓦斯事故。根据研究可知, 采场瓦斯的移动主要受到煤体结构和瓦斯在煤层中存在的状态的影响。

1) 煤体结构对瓦斯移动的影响。在进行煤矿开采的时候, 煤体结构会发生变化, 煤层主要由煤块和裂隙组成, 在开采过程中, 裂隙会增加, 开采的力度过大, 就会暴露出更多新的煤壁, 因而会渗透出大量的瓦斯, 由于工作面会出现卸压带, 从新煤壁渗透出来的瓦斯就会受到压力的影响而发生移动, 因而增加工作区域的瓦斯浓度, 如果不及时排出瓦斯, 就会发生爆炸, 威胁采矿人员的生命, 无法继续矿井的生产, 不利于经济的快速发展。

2) 瓦斯的存在形式对瓦斯移动的影响。瓦斯在煤层中可以以游离状态存在于煤层之中, 还可以吸附在煤层之中, 一般情况下, 游离状态的瓦斯和吸附状态的瓦斯会不断进行交换, 并实现动态平衡, 两种状态的瓦斯量不会发生太大的变化, 但是当采矿人员进行开采时, 处于游离状态的瓦斯会从煤层裂缝中渗透到工作区域, 因而游离状态的瓦斯和吸附状态的瓦斯之间的平衡交换就会被打破, 瓦斯会向瓦斯浓度较低的地区移动。

3 采场矿山压力变化与瓦斯涌出关系的研究

3.1 工作面超前支撑压力对瓦斯涌出的影响

在进行煤矿开采的时候, 工作面会产生超前支撑压力, 超前支撑压力发生改变就会改变瓦斯在煤层中的存在状态, 还会对瓦斯的渗透性产生影响。超前支撑压力越大, 会减少煤层的裂缝, 将煤层的孔缝压缩, 因而瓦斯的涌出量就会降低。对此, 矿区的安全管理人员必须适当增加超前支撑压力, 从而达到降低瓦斯浓度的作用。

3.2 采空区老顶垮落与瓦斯涌出之间的关系

当采空区的老顶发生垮落, 新的煤壁就会涌出大量的瓦斯, 为了避免采矿人员工作区域的瓦斯浓度过高而发生瓦斯事故, 安全管理人员应对老顶进行加固处理, 防止老顶跨落释放大量的瓦斯。

3.3 采场周期来压对瓦斯涌出的影响

采矿人员在矿井内进行采矿工作的时候, 采空区的顶板岩会发生周期性断裂的现象, 因而产生采场周期来压, 导致大量的瓦斯涌出。对此, 矿区的安全管理人员必须对采空区的顶板岩进行周期性固定, 从而减少瓦斯的含量。

4 结语

在采矿过程中管理人员并没有加强采矿工作的安全管理, 因而出现了大量的瓦斯事故, 很多采矿人员因此献出宝贵的生命, 引起一系列的社会问题, 对此, 矿区的安全管理者必须加强对采场矿山压力变化与瓦斯涌出关系的研究, 从采场矿山压力的角度出发, 降低工作时的瓦斯浓度, 为采矿人员提供安全的工作环境。

摘要：为了实现采矿事业的快速发展, 矿产资源丰富的地区要进行大量的开矿工作, 在此过程中发生了大量的瓦斯事故, 威胁或夺取了采矿人员的生命, 给采矿人员的家属带来心理上的伤害, 增加了采矿人员家属的经济负担, 不利于和谐社会的建立。文章主要对采场矿山压力变化与瓦斯涌出关系进行研究, 并探讨降低矿井内部瓦斯浓度的有效方法, 从而为采矿人员提供安全的工作环境, 避免采矿人员献出鲜活的生命。

关键词：采场矿山压力变化,瓦斯涌出,应用

参考文献

高压瓦斯压力 篇6

瓦斯扩散规律是煤层瓦斯含量测定、煤与瓦斯突出预测预报、采落煤瓦斯涌出和煤层气开发等方面的关键问题之一[1],研究不同主控因素下的瓦斯扩散规律具有重要意义。扩散系数是研究煤层瓦斯扩散规律的重要参数,其反映了瓦斯在煤的微小孔隙中运移快慢的能力。参考文献[2-3]采用瓦斯吸附解吸法测定扩散系数,然而该方法局限于对颗粒煤的瓦斯扩散规律进行研究,属于开放性实验,仅研究不同含水率、温度条件下的瓦斯扩散规律,无法对实验煤样施加围压且气体压力为恒定大气压而不能任意设定。本文采用规则块煤结合气相色谱分析法测定瓦斯在煤体中的扩散系数,研究不同压力、温度下瓦斯扩散规律。

1 实验装置

压力、温度条件下扩散系数测定实验装置主要由围压控制单元、温度控制单元、气体压力控制单元和瓦斯扩散测定单元组成,其结构如图1所示。该装置的工作原理:将制备的块煤装入煤样罐岩心夹持器中,将CH4引入气室1,将N2引入气室2,调节2个气室压力使之平衡,然后利用气相色谱测定2个气室CH4和N2的浓度作为初始浓度,经过一定扩散时间后再次利用气相色谱测定2个气室CH4 和N2浓度,得到气体组分浓度与扩散时间的关系。

(1)围压控制单元主要由围压泵、岩心夹持器、中间容器及压力表等组成。围压泵采用液压原理设计而成。岩心夹持器内分为岩心室与环压室,由密封套隔绝。被测煤样将岩心室分隔成2个扩散气室,用于充装不同气体以满足扩散系数测定需求。岩心夹持器设计最大压力为70MPa,最小分辨率为0.1 MPa,岩心室密封岩心所用的密封套采用硅橡胶压制,最高耐温为270℃。

(2)温度控制单元采用外加热套方式控制岩心夹持器温度,温度控制精度可达0.3℃,设计最高温度为160℃。该方式克服了采用干燥恒温箱外加热方式升温慢及无法实现内部岩心温度检测的弊端, 同时避免了采用内加热方式的岩心夹持器体积大、样品装卸不方便的缺点。

(3)气体压力控制单元主要包括气体增压泵、阀门开关、压力表与压差计等部件。气体增压泵在测试气源压力较低的情况下提供气源压力。非稳态扩散系数的测定要求不同扩散气室气体具有相同的 初始压力,通过调节阀门开关使流向扩散气室的气体产生稳定流速,最终稳定在所需测试压力上。该测试压力控制精度为0.1kPa。

(4)瓦斯扩散测定单元主要由不同气体的扩散气室、气体自动进样器、气相色谱等装置组成。在不同扩散气室的气体压力平衡后采集气样,利用气相色谱分析气体浓度,根据气体组分浓度与扩散时间的关系计算扩散系数。

另外,对测试气路管线、扩散气室抽真空,提高扩散气体的浓度,防止空气的干扰。

2 煤样制备及扩散系数计算

2.1 煤样制备

以鹤壁矿区煤样为实验对象,考察不同气体压力、温度条件下块煤瓦斯扩散规律。采用统一直径为2.5cm、厚度为1.2cm的圆盘煤样,通过烘干和抽真空,排除其内孔隙水和残留气体,以免影响实验精度。

2.2 扩散系数计算

若煤样两端气室的CH4浓度差为C,小孔平均长度为h,则浓度梯度为C/h。采用煤样两端扩散气室中游离CH4浓度为扩散浓度[4],则由菲克定律可得扩散系数为

式中:A为孔片的面积;n为CH4扩散量;t为扩散时间。

假定煤样厚度为L,面积为S,则求得的扩散系数为有效扩散系数,将式(1)经过积分整理得

式中:C10,C20分别为第1次测定时气室1和气室2的CH4浓度;C1t,C2t分别为t时刻测定时气室1和气室2的CH4浓度;分别为气室1和气室2的体积。

3 不同压力、温度下的瓦斯扩散规律

3.1 实验数据

分2组进行实验,所用气体 纯度≥99.995%。第1组温度和围压分别设定为25℃,20 MPa,在不同气体压力(6.5,8.5,10.5,12.5 MPa)条件下进行扩散系数测定;第2组气体压力和围压分别设定为5,15 MPa,在不同温度(20,30,40,50℃)条件下进行扩散系数测定。不同实验条件下CH4扩散系数测定结果见表1。

3.2 实验结果

3.2.1 压力对块煤瓦斯扩散规律的影响

保持温度为25℃、围压为20 MPa不变的条件下,气体压力与扩散系数关系如图2所示。随着压力由6.5 MPa升至12.5 MPa,扩散系数由2.11×10-8cm2/s减少至1.14×10-8cm2/s,即随着气体压力的增大,瓦斯扩散系数减小。压力对瓦斯扩散的影响主要体现在其对扩散介质和扩散物质的影响:1压力对扩散介质的影响。随着气体压力的增加,煤对CH4的吸附性增强,煤基质吸附气体时发生内向膨胀变形,从而孔隙减小,扩散阻力增大,扩散系数降低,与实验结果相对应。2压力对扩散物质的影响。气体分子在多孔介质中的扩散与分子的平均自由程有关。由热力学可知[5,6],当温度不变、气体压力增加时,分子的平均自由程减小,而减小CH4分子的平均自由程可增加CH4气体的扩散能力[6],则扩散系数增大,与实验现象矛盾。但最终气体压力与扩散系数的关系受主控因素制约。实验结果表明,压力对扩散系数影响的主控因素为煤基质的收缩、膨胀变形。

3.2.2 温度对块煤瓦斯扩散规律的影响

保持气体压力为5 MPa、围压为15 MPa不变的条件下,温度与扩散系数关系如图3所示。随着温度由20℃逐渐增大至50℃,扩散系数相应地由1.21×10-8cm2/s增至2.23×10-8cm2/s,即随着温度的增加,扩散系数增大。扩散的实质是分子在浓度梯度下的运动,分子运动论阐明了气体的温度为分子平均动能大小的标志[7],随着温度升高,分子运动速度增大,扩散速度增加,扩散系数变大。

图2 恒定温度、围压下气体压力与扩散系数关系

图3 恒定气体压力、围压下温度与扩散系数关系

4 结论

(1)随着气体压力的增大,煤基质吸附气体增加,煤基质发生内向膨胀变形,扩散介质通道变狭窄,使扩散阻力增大,扩散系数呈下降趋势。

(2)随着温度的升高,扩散物质本身获得能量, 扩散动力增强,扩散系数变大。

摘要：针对瓦斯吸附解吸法测定瓦斯扩散系数时局限于颗粒煤、无法施加围压且气体压力不能任意设定等问题,采用规则块煤结合气相色谱分析法测定瓦斯在块煤中的扩散系数,分析了不同气体压力、温度下块煤瓦斯扩散规律。实验结果表明,随着气体压力的增大,煤基质吸附气体增加且发生膨胀变形,从而孔隙减小,扩散阻力增大,扩散系数减小;随着温度的升高,气体分子运动速度增大,扩散动力增强,扩散系数变大。

煤层瓦斯压力测定方式及新的探索 篇7

瓦斯灾害事故的防治是煤矿安全工作的重中之重[1], 要有效的对瓦斯事故的预防与治理, 首先必须做好对瓦斯压力进行准确测量的工作。准确测量出煤层的瓦斯压力是一切瓦斯防治措施的基础, 具有不可替代的重要地位。瓦斯压力值的准确性不但制约矿井瓦斯危险程度预测的可靠性, 而且将影响以此为依据而制定的瓦斯防治措施的有效性与经济性。

1 当前瓦斯压力测量的方法

目前, 人们对煤层瓦斯压力的测量方法进行了大量的研究, 并付诸于煤层瓦斯压力测定的工作当中, 其中被认为最常用和最可靠的方法还是直接测定法, 即用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定测量煤层瓦斯压力的地点打一钻孔, 然后在钻孔中引出测压管, 再将钻孔严密封闭堵塞, 通过读取测压管上压力表的读数确定出瓦斯压力。由于测压管伸出钻孔, 因此瓦斯压力能否被准确测定, 很大程度上要取决于钻孔的封孔工艺。

当前测压管封孔方法有[2]:固体材料封孔和封孔器法两大类。根据封孔器的结构特点, 封孔器分为胶圈、胶囊、胶圈-粘液和聚氨酯泡沫-压力粘液等几种类型。

1.1 填料封孔法

填料是应用最为广泛的一种测压封孔方式。采用该方法时, 在打完孔后, 放置测压管, 最后用填充材料 (粘土、水泥砂浆) 封孔, 人工填料法封孔示意原理图如图1所示。为防止测压管堵塞, 在测压管前端焊接一段直径略大于测压管的筛管, 或直接在测压管壁上打筛孔。同时在测压管前端后部焊一挡料圆盘, 目的是防止填充材料堵塞测压前端。

采用固体封孔方法封孔时, 若封孔段岩层为松软的砂岩、钻孔周围存在微裂隙或直接在煤层打测压钻孔时, 固体物不能严密封闭钻孔周边的裂隙, 易于漏气, 测出的瓦斯压力值往往低于真实的煤层瓦斯压力。

1.2 封孔器封孔

1.2.1 胶圈封孔

胶圈封孔是一种简便的封孔方式。封孔器由内外套管、挡圈和胶圈组成, 内套管即为测压管。当拧紧螺帽时, 外套管移动压缩胶圈, 达到封孔目的, 胶圈封孔器结构示意图如图2所示。钻孔的密封是依靠长度不大 (0.2~0.3 m) 的胶圈组, 此处如有裂隙或残留岩屑则易造成漏气, 这种方法要求岩石必须致密、完整。

1.2.2 胶圈-粘液封孔器[3]

1980年中国矿业大学周世宁教授等研制成功胶圈粘液封孔器, 其结构如图3所示。它的封孔原理是用膨胀着的胶圈对高压粘液进行封堵, 而高压瓦斯则由高压粘液封进行封堵, 瓦斯压力值由伸出钻孔上的压力表读出。这种测压方法的要点在于测压过程中要始终保持粘液的压力大于瓦斯压力, 从而消除瓦斯向外泄漏, 能比较准确地测定瓦斯压力。

当封孔段岩层为松软的砂岩、钻孔周围存在微裂隙或直接在煤层打测压钻孔时, 这种测压方式可以比固体封孔方法更有效更准确测出瓦斯压力。但是造价高, 而且在松软岩层或煤层打测压钻孔时出现塌孔, 糊孔时, 测压封孔设备会被埋入孔中, 无法回收, 必然会导致测压钻孔成本上升。

1.2.3 聚氨酯封孔

聚氨酯封孔技术其原理与胶圈-粘液封孔器相同, 即“固体封液体, 液体封气体”, 其封孔结构示意图如图4所示。利用两个聚氨酯泡沫段密封钻孔, 同时用粘液泵将压力粘液压入粘液封孔段, 并使粘液压力高于预计的瓦斯压力, 使之向钻孔周边裂隙渗透, 增强密封效果。

2 新型煤层瓦斯压力测量方式

由于有测压管的存在, 填料未充满钻孔空间造成封孔介质和测压管之间存在微间隙, 导致封孔不严, 测压的时间较长, 可能导致煤层瓦斯压力的测量值与真实压力值有很大误差。鉴于此我们提出了研究并采用一种新型无线数显瓦斯测压仪直接对煤层瓦斯压力进行测定。该测压仪利用压力传感器将测压孔底部的瓦斯压力值直接转化为压力信号, 利用无线通信技术将信号传输出来, 再由外部的接收仪器接收处理后以数字化的形式显示出来。

2.1 系统硬件组成

新型瓦斯压力测定仪由测压系统和显示系统两部分组成。测压系统主要由压力传感器、A/D转换模块、微功耗单片机、大功率发射模块和发射天线组成。显示系统主要由接收模块、单片机、显示模块和通信接口组成。

2.2 测压系统工作原理

测压系统采用高灵敏度、宽测量范围的压力传感器测量瓦斯压力, 压力传感器对测压孔底部的瓦斯压力进行采样, 并把采样值转化为电信号。电信号经放大校正处理后转化为模拟信号输出给A/D转换器, A/D转换器将模拟信号转化为标准数字信号输送至单片机, 单片机利用求平均技术, 计算出数字信号的平均值。再经无线发射模块将数字信号值加上前导码和CRC地址码以形成数据包, 并转化为ISM频段的载波信号通过发射天线发射给接收模块。

2.3 显示系统工作原理

显示系统的无线接收模块时刻都在检测空中的信息, 当检测到相同频率的载波时, 接收模块将载波信号转化为数据包并对前导码和CRC地址码信息进行校验, 当校验无误后接收模块即把平均数字信号值和地址值送至单片机。单片机首先把数字信号值转化为标准压力值, 并通过地址值判断该标准压力值是属于哪一个测压系统所提供的压力信号, 同时把当前的压力值和相应的地址值传给显示模块。显示模块将各个测压系统的当前压力值和压力曲线提供给检测者。另外, 为便于远距离监控, 单片机还配置了与安全检测系统相连接的无线通信接口或485接口, 确保与现有矿井安全监测系统具有适配性。

2.4 新型瓦斯压力测定仪使用方法

如图5所示, 煤层瓦斯压力测定仪由信号发射器1和便携式可移动接收器2构成。其测定方法:采用小钻头, 由岩石Y向着煤层方向钻一小孔, 直至钻到煤层M为止, 抽出钻杆;用钢管将信号发射器1拥入小孔底部煤层;再用孔径大于小孔径的钻头对小孔进行扩孔;用砂浆或封孔器对扩孔进行封孔, 并用硅橡胶进行密封, 以保证瓦斯不外溢;将便携式可移动接收器2悬挂在巷道H内或手持距离钻孔封孔最近的位置, 即可接收信号发射器1发出的瓦斯压力数据。

3 结论

采用这种新型无线数显瓦斯测压仪进行瓦斯压力测定, 不存在测压管, 能根本消除填料和测压管之间因存在微间隙导致封孔不严、测压的时间较长等问题。利用无线测压, 封孔将更加简单严密, 对工人的技术要求降低, 整个操作过程耗时将缩短, 会大大提高工作效率, 同时与安全检测系统连接, 可对测压过程进行远距离监控。使得煤层瓦斯含量和煤层突出危险性进行预测和评价结果将更加准确。笔者认为研究无线数显瓦斯测压仪具有重要的实际意义, 这种新的瓦斯压力测定方式在不久的将来会得到广泛的应用。

参考文献

[1]卢鉴章, 刘见中.煤矿灾害防治技术现状与发展[J].煤炭科学技术, 2006, (5) :1-2.

[2]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.