专利名称：富含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法
技术领域：
本发明涉及一种测试瓦斯压力的装备和方法，尤其是适用于现场测压管内有水条件下确定瓦斯压力的富含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法。
背景技术：
我国煤矿的开采条件差，开采过程中受到瓦斯、水、火、粉尘、地压及热害的影响，其中瓦斯是我国煤矿的第一杀手。现阶段，煤矿瓦斯灾害又以煤与瓦斯突出危害性最大，而煤与瓦斯突出的防治难度也是世界公认的。煤矿瓦斯灾害均是由于煤层本身瓦斯压力较大，瓦斯含量较高所造成。为有效防治煤层瓦斯，需弄清煤层瓦斯赋存情况，而煤层瓦斯压力是预测煤层突出危险性的主要参数之一，现场准确测定煤层瓦斯压力尤为重要。煤层瓦斯压力测定方法是由岩巷或煤巷向预定测量瓦斯压力的地点施工钻孔，封孔后形成测压室，用测压管沟通测压室和压力表，从而测出煤层中的瓦斯压力。如果测定中能保证钻孔封孔严密不漏气，则压力测量结果较为准确，我国常用的测定瓦斯压力的封孔方法按其工艺可以分为5种:①黄泥封孔；②普通水泥浆封孔；③胶圈-粘液封孔；④胶囊-粘液封孔；⑤聚氨酯泡沫封孔。其中方法一、二、五的主要原理是利用固体(或液体凝固)物来充填测压管和钻孔壁之间的空间，以阻止煤层瓦斯的泄漏；而方法三和四是指在封闭段的两端固体物之间，注入粘液，粘液的压力高于预计的瓦斯压力，并渗入孔壁与固体物之间的空间，以阻止煤层瓦斯的泄漏。我国矿井多数煤系地层有含水层，受水的影响，瓦斯压力测定成功率大大降低。水主要来源于煤层及围岩，尤其是煤层围岩中的砂岩水，水压相对较高，导致钻孔测压气室进水，测定出来的压力并非煤层原始瓦斯压力。针对煤系地层富含水条件下煤层瓦斯压力测定，目前国内主要采用高压注浆堵水方法来解决，但受注浆工艺因素的影响，无法完全将水堵住，特别是煤层本身含水条件下，煤层瓦斯压力测定尤为困难。在测压钻孔封孔成功后，测压室内进水的情况下，如果判定煤层瓦斯压力测试失败，则会造成严重的工程浪费，且一遇到测压钻孔含水的条件就无法判定煤层的瓦斯压力，给煤与瓦斯突出危险性的预测带来困难。瓦斯是微溶于水的，瓦斯在水中的溶解度受温度、压力、水质等因素的影响。一般情况下，井下水中富含矿物质，不同水质相同条件下对瓦斯的溶解度不同；受地温影响，不同矿井或同一矿井不同埋深，煤系地层的水温不同，在不同瓦斯压力下，钻孔内水对瓦斯的溶解度存在差异。因此，在遇到测压钻孔内含水情况，可通过测定现场环境下水对瓦斯的溶解度，结合实验室测试不同瓦斯压力下现场水样对瓦斯溶解度的测试结果，反推煤层瓦斯压力，为测定富含水煤系地层瓦斯压力提供一种新的方法。
发明内容
为了解决富含水煤系地层中的测压钻孔内有水时无法确定煤层瓦斯压力的问题，本发明提供一种富含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法，该测试装备及方法采用不同条件下瓦斯在水中溶解度的差异，通过现场测试与实验室测试反推煤层瓦斯压力，为富含水煤系地层中煤层瓦斯压力测定提供一种新途径，另外，该测试方法操作简便，节省了测试成本，并且在测压钻孔封孔成功后测压室内进水的情况下，仍然能够切实可行测试煤层瓦斯压力，为煤矿瓦斯测试人员带来了很大的便利。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该测试装备及方法所用的测试装置包括胶皮球、排气阀、脱吸罐、金属网、压力表1、针型阀、压力表I1、阀门1、乳胶膜、温度计、液位标尺；所述脱吸罐的底部竖直设有液位标尺及温度计，脱吸罐的上部侧面通过排气阀连接有胶皮球，脱吸罐的侧面上部并连通有压力表I，所述乳胶膜的边沿固定在脱吸罐的上部边沿，脱吸罐的上部罐盖上开有与外界相连的通孔，通孔中分布有金属网，脱吸罐的下部侧面通过阀门I与针型阀的侧面相连，针型阀入口通过导管与测压管相连通，针型阀与导管的连接处设有压力表II。该测试方法包括现场测试和实验室测试两部分，其具体步骤如下:
1.当瓦斯压力测试钻孔封孔成功且压力表II数值稳定后，打开压力表针型阀发现测压孔内有水，立刻关闭针形阀，则压力表II数值很快恢复至原始数值，判定该地点水压较高；
2.将脱吸罐与压力表针型阀连接，脱吸罐内乳胶膜将脱吸罐分隔为上下两个空间，采用胶皮球抽空脱吸罐下部空间气体，关闭脱吸罐与胶皮球之间的排气阀，打开压力表针形阀，则测压管内水进入脱吸罐；
3.测压管内水进入脱吸罐过程中，乳胶膜向上膨胀，脱吸罐上部空间的气体通过上部气孔排出，当脱吸罐上压力表I出现升高现象时，立即关闭脱吸罐与压力表针型阀之间的阀门I，并记录此时的水温Tl ；
4.过一段时间，待脱吸罐内气体解吸平衡后，将脱吸罐放平，记录脱吸罐内液面高度及上部气体高度，同时记录该时刻水温T2，计算水中瓦斯溶解度，则完成现场测试步骤，采集水样送实验室进行测试；
5.将现场采集水样注入实验室溶解平衡罐中，将平衡罐放入恒温水浴II中，恒温水浴II水温设置为Tl，平衡罐与甲烷钢瓶通过稳压阀连接，开启甲烷钢瓶及稳压阀，向平衡罐内注入甲烷并稳定在设定压力值P，开启恒温水浴II与搅拌机，进行溶解瓦斯平衡实验；
6.待溶解平衡后，关闭搅拌机，将现场测试所用的脱吸罐放置另外一个恒温水浴I中，水温设置为T2，将脱吸罐与平衡罐连接，打开阀门II，则平衡罐内瓦斯溶解饱和水溶液进入脱吸罐中，进行步骤3与步骤4的操作，则可得出甲烷压力为P时，现场水样对瓦斯的溶解度，改变注入平衡罐中的甲烷气体压力，重复上述操作，则可得出不同甲烷气体压力P条件下，现场水样对甲烷的溶解度；
7.根据实验室所测现场水样对瓦斯的溶解度，找出现场测试水对瓦斯溶解度值所对应的平衡甲烷气体压力，即为该测压钻孔实测的煤层瓦斯压力。本发明的有益效果是，该测试装备及方法采用不同条件下瓦斯在水中溶解度的差异，通过现场测试与实验室测试反推煤层瓦斯压力，为富含水煤系地层中煤层瓦斯压力测定提供一种新途径，另外，该测试方法操作简便，节省了测试成本，并且在测压钻孔封孔成功后测压室内进水的情况下，仍然能够切实可行测试煤层瓦斯压力，为煤矿瓦斯测试人员带来了很大的便利。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明所用测试装置的安装位置示意图。图2是本发明所用测试装置的结构原理示意图。图3是本发明所用测试装置沿1-1剖面图。图4是本发明实验室所用测试装置示意图。图中，1.水，2.瓦斯气室，3.钻孔，4.含水煤体，5.煤层，6.含水层，7.测压管，
8.水泥浆，9.回浆管，10.注浆管，11.钻场，12.胶皮球，13.排气阀，14.脱吸罐，15.金属网，16.压力表I，17.针型阀，18.压力表II，19.阀门Ι，20.乳胶膜，21.温度计，22.液位标尺，23.密封,24.恒温水浴I, 25.恒温水浴II, 26.平衡罐，27.搅拌机,28.稳压阀，29.甲烷钢瓶，30.阀门II。
具体实施例方式在图中，该测试装备及方法所用的测试装置包括胶皮球12、排气阀13、脱吸罐14、金属网15、压力表I 16、针型阀17、压力表II 18、阀门I 19、乳胶膜20、温度计21、液位标尺22 ;所述脱吸罐14的底部竖直设有液位标尺22及温度计21，脱吸罐14的上部侧面通过排气阀13连接有胶皮球12，脱吸罐14的侧面上部并连通有压力表I 16，所述乳胶膜20的边沿固定在脱吸罐14的上部边沿，脱吸罐14的上部罐盖上开有与外界相连的通孔，通孔中分布有金属网15，脱吸罐14的下部侧面通过阀门I 19与针型阀17的侧面相连，针型阀17入口通过导管与测压管7相连通，针型阀17与导管的连接处设有压力表II 18。该测试方法包括现场测试和实验室测试两部分，其具体步骤如下:
1.当瓦斯压力测试钻孔封孔成功且压力表II18数值稳定后，打开压力表针型阀17发现测压孔内有水，立刻关闭针形阀，则压力表II 18数值很快恢复至原始数值，判定该地点水压较高；
2.将脱吸罐14与压力表针型阀17连接，脱吸罐14内乳胶膜20将脱吸罐14分隔为上下两个空间，采用胶皮球12抽空脱吸罐14下部空间气体，关闭脱吸罐14与胶皮球12之间的排气阀13，打开压力表针形阀17，则测压管7内水进入脱吸罐14 ；
3.测压管7内水进入脱吸罐14过程中，乳胶膜20向上膨胀，脱吸罐14上部空间的气体通过上部气孔排出，当脱吸罐14上压力表I 16出现升高现象时，立即关闭脱吸罐14与压力表针型阀17之间的阀门I 19，并记录此时的水温Tl ；
4.过一段时间，待脱吸罐14内气体解吸平衡后，将脱吸罐14放平，记录脱吸罐14内液面高度及上部气体高度，同时记录该时刻水温Τ2，计算水中瓦斯溶解度，则完成现场测试步骤，采集水样送实验室进行测试；
5.将现场采集水样注入实验室溶解平衡罐26中，将平衡罐26放入恒温水浴II25中，恒温水浴II 25水温设置为Tl，平衡罐26与甲烷钢瓶29通过稳压阀28连接，开启甲烷钢瓶29及稳压阀28，向平衡罐26内注入甲烷并稳定在设定压力值P，开启恒温水浴II 25与搅拌机27，进行溶解瓦斯平衡实验；
6.待溶解平衡后，关闭搅拌机27，将现场测试所用的脱吸罐14放置另外一个恒温水浴I 24中，水温设置为Τ2，将脱吸罐14与平衡罐26连接，打开阀门II 30，则平衡罐26内瓦斯溶解饱和水溶液进入脱吸罐14中，进行步骤3与步骤4的操作，则可得出甲烷压力为P时，现场水样对瓦斯的溶解度，改变注入平衡罐26中的甲烷气体压力，重复上述操作，则可得出不同甲烷气体压力P条件下，现场水样对甲烷的溶解度；
7.根据实验室所测现场水样对瓦斯的溶解度，找出现场测试水对瓦斯溶解度值所对应的平衡甲烷气体压力，即为该测压钻孔实测的煤层瓦斯压力。
权利要求
1.包含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法，该测试方法包括现场测试和实验室测试两部分，其特征在于，具体步骤为，当瓦斯压力测试钻孔封孔成功且压力表II (18)数值稳定后，打开压力表针型阀(17)发现测压孔内有水，立刻关闭针形阀，则压力表II (18)数值很快恢复至原始数值，判定该地点水压较高；将脱吸罐(14)与压力表针型阀(17)连接，脱吸罐(14)内乳胶膜(20)将脱吸罐(14)分隔为上下两个空间，采用胶皮球(12)抽空脱吸罐(14)下部空间气体，关闭脱吸罐(14)与胶皮球(12)之间的排气阀(13)，打开压力表针形阀(17)，则测压管(7)内水进入脱吸罐(14);测压管(7)内水进入脱吸罐(14)过程中，乳胶膜(20)向上膨胀，脱吸罐(14)上部空间的气体通过上部气孔排出，当脱吸罐(14)上压力表I (16)出现升高现象时，立即关闭脱吸罐(14)与压力表针型阀(17)之间的阀门I (19)，并记录此时的水温Tl ;过一段时间，待脱吸罐(14)内气体解吸平衡后，将脱吸罐(14)放平，记录脱吸罐(14)内液面高度及上部气体高度，同时记录该时刻水温T2，计算水中瓦斯溶解度，则完成现场测试步骤，采集水样送实验室进行测试；将现场采集水样注入实验室溶解平衡罐(26)中，将平衡罐(26)放入恒温水浴II (25)中，恒温水浴II (25)水温设置为Tl，平衡罐(26)与甲烷钢瓶(29)通过稳压阀(28)连接，开启甲烷钢瓶(29)及稳压阀(28)，向平衡罐(26)内注入甲烷并稳定在设定压力值P，开启恒温水浴II (25)与搅拌机(27)，进行溶解瓦斯平衡实验；待溶解平衡后，关闭搅拌机(27)，将现场测试所用的脱吸罐(14)放置另外一个恒温水浴I (24)中，水温设置为T2，将脱吸罐(14)与平衡罐(26)连接，打开阀门II(30)，则平衡罐(26)内瓦斯溶解饱和水溶液进入脱吸罐(14)中，进行第三步与第四步的操作，则可得出甲烷压力为P时，现场水样对瓦斯的溶解度，改变注入平衡罐(26)中的甲烷气体压力，重复上述操作，则可得出不同甲烷气体压力P条件下，现场水样对甲烷的溶解度；根据实验室所测现场水样对瓦斯的溶解度，找出现场测试水对瓦斯溶解度值所对应的平衡甲烷气体压力，即为该测压钻孔实测的煤层瓦斯压力。
2.包含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法，所用的测试装置包括胶皮球(12)、排气阀(13)、脱吸罐(14)、金属网(15)、压力表I (16)、针型阀(17)、压力表II (18)、阀门I(19)、乳胶膜(20)、温度计(21)、液位标尺(22)，其特征在于，所述脱吸罐(14)的底部竖直设有液位标尺(22)及温度计(21)，脱吸罐(14)的上部侧面通过排气阀(13)连接有胶皮球(12)，脱吸罐(14)的侧面上部并连通有压力表I (16)，所述乳胶膜(20)的边沿固定在脱吸罐(14)的上部边沿，脱吸罐(14)的上部罐盖上开有与外界相连的通孔，通孔中分布有金属网(15)，脱吸罐(14)的下部侧面通过阀门I (19)与针型阀(17)的侧面相连，针型阀(17)入口通过导管与测压管(7)相连通，针型阀(17)与导管的连接处设有压力表II (18)。
全文摘要
本发明涉及一种富含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法，该方法包括现场测试和实验室测试两部分；现场测试部分为，待测压钻孔压力稳定后，采用由胶皮球、温度计、液位标尺、乳胶膜、压力表、脱吸罐组成的脱吸装置，现场解吸溶解于脱吸罐中水的瓦斯量，同时记录初始和解吸平衡时的水温，并将收集的水带回实验室；实验室测试部分为，运用现场收集的水样，测定特定水温条件及不同瓦斯压力下瓦斯在该水样中的溶解度，结合现场脱气量，反推出煤层瓦斯压力。该测试方法操作简便，节省了测试成本，并且在测压钻孔封孔成功后测压室内进水的情况下，仍然能够切实可行测试煤层瓦斯压力，为煤矿瓦斯测试人员带来了很大的便利。
文档编号E21B47/06GK103089247SQ20131007069
公开日2013年5月8日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者李增华, 刘震, 杨永良, 孙留涛, 季淮君, 杨继超, 姜乐, 唐一博, 周银波 申请人:中国矿业大学