一种测定钻孔瓦斯微流量方法与流程

本发明属于瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种准确测定煤矿井下钻孔瓦斯微流量方法。

技术背景

瓦斯作为煤炭的伴生资源，在地下煤层中大量富集。煤层瓦斯含量过高会严重影响煤矿的安全生产。治理瓦斯危害的一个有效方法就是煤层瓦斯抽采。煤层瓦斯抽采是向煤层打入一定尺寸的钻孔，把抽采支管放入钻孔、封孔，然后抽采支管连入抽采总管，把煤层瓦斯抽采出来，减小煤层瓦斯含量。

考察煤层瓦斯抽采效果的一个重要指标就是瓦斯抽采量，抽采的几个重要参数有混合流量、瓦斯浓度、温度、负压、瓦斯纯流量等。其中混合流量与瓦斯浓度之积为瓦斯纯流量。目前煤矿井下普遍使用的最精确的钻孔瓦斯微流量测定方法是利用高精度的瓦斯抽采参数测定仪，由井下抽采特殊条件以及现有技术水平限制，该仪器实际使用中有流量测定下限。单个抽采支管内混合流量在很多情况下是小于该流量测定下限，无法测到钻孔真实的混合流量，也就无法计算得到瓦斯抽采纯流量。

单孔瓦斯抽采流量的测定有着重要意义，利用单孔流量可以对每个钻孔的打钻、封孔质量进行评价，通过该单孔流量可以推测煤层局部区域是否有特殊构造，把单孔流量与钻孔打钻过程中的现象对应起来可以进行瓦斯抽采技术分析。目前井下瓦斯抽采量的测定一般是把多个抽采支管的流量汇合起来，汇合之后的总流量大于瓦斯抽采参数测定仪的流量测定下限，以此来测定所有这些钻孔的总流量。这样的方法还是难以确定单孔瓦斯抽采流量，虽然该方法可以使用差值法间接得到单孔抽采流量，但是操作繁琐、准确度低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种测定钻孔瓦斯微流量方法，可以准确测定单孔初始流量Q₁在很小的情况下的瓦斯抽采参数，且操作简便，速度快，对抽采系统本身几乎不产生影响。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

在所测钻孔单孔初始流量Q₁小于瓦斯抽采参数测定仪的流量测定下限Q₄时，在导流管煤壁侧的抽采支管上一定距离s插入内径为d₂的引气针管，通过引气针管引入一部分空气增大导流管处流量，对引气针管尺寸、插入位置、测定时间合理确定，可以利用现有瓦斯抽采参数测定仪准确测量单孔抽采瓦斯流量。具体步骤如下：

a.把瓦斯抽采参数测定仪的测量接头接入导流管，测定抽采支管内的初始瓦斯浓度C₁。

b.在抽采支管靠近煤壁方向插入一个引气针管，拔出引气针管上的橡胶塞，巷道中的空气通过引气针管进入抽采支管增加抽采支管内混合流量，使得混合流量大于瓦斯抽采参数测定仪的流量测定下限Q₄，流量读数稳定之后测得增流后流量Q₂；

c.在拔出橡胶塞一段时间t之后，测定抽采支管内的增流后瓦斯浓度C₂。

d.用橡胶塞重新把引气针管堵住以尽量减少混入空气对抽采系统的影响，下次测量需要之时再次拔出。

e.巷道内空气瓦斯浓度与抽采支管内的瓦斯浓度相比非常小，假设为0。由瓦斯物质量守恒，有公式Q₁C₁＝Q₂C₂，得Q₃为单孔瓦斯纯流量，利用Q₃＝Q₁C₁或Q₃＝Q₂C₂计算。

引气针管的内径d₂由流体力学公式确定：

由得

式中，Q₅：需要通过引气针管引入抽采支管的空气流量，一般可取Q₅＝Q₄；C_d：引气针管流量系数，针对具体的针管形态，其值由实验确定，取值一般为0.6～0.9；Δp：抽采负压；ρ：巷道空气密度。需要指出的是，为了便于实际应用，本发明中d₂的计算可以是一个粗略值。公式中Q₅、C_d、Δp、ρ在不同的场合及时间是有一定的变化，但这几乎不影响本发明的计算精度，因为对Q₁及Q₃的计算并没有直接涉及Q₅。d₂值的确定原则是在保证Q₅不小于瓦斯抽采参数测定仪流量测定下限Q₄的情况下尽量小，以减小引入气体对抽采效果的影响。对于瓦斯抽采参数测定仪流量测定下限确定的情况，一个矿井只需要有确定一个固定的d₂满足流量测量即可。

数值模拟以及现场实测表明，通过引气针管引入的巷道空气进入抽采支管后向抽采总管移动20cm之后已经与抽采支管内的初始气体基本混合均匀。在现场为了充分保证混合度，导流管与引气针管的距离s不小于1m。

t₀为引入气体到达导流管的时间，d₁为抽采支管内径，有t大于t₀,保证所测的浓度C₂为引入巷道空气混合之后的气体瓦斯浓度。

利用引气针管向抽采支管引入巷道空气，理论上必然会引起抽采支管内的负压下降。但数值模拟表明负压下降值只有几帕至几十帕；并且井下实测中利用了分辨率为100pa的测压仪器对5个钻孔进行测试，都没有发现插入针管前后负压值的变化。井下瓦斯抽采负压值一般在10kpa以上，所以，数值模拟以及现场实测都证明利用该方法对实际瓦斯抽采的影响可以忽略。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是引气针管附近局部示意图

图中：1-煤壁，2-抽采支管，3-抽采总管，4-导流管，5-瓦斯抽采参数测定仪，6-测量接头，7-引气针管，8-橡胶塞

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本实施例中，钻机向煤壁1施工直径79mm钻孔，将抽采支管2伸入钻孔18m进行封孔，导流管4接入抽采支管2，抽采支管2接入抽采总管3，开启负压抽采。

本实施例中所用的瓦斯抽采参数测定仪5的流量测定下限Q₄为0.040m³/min,抽采支管2内径d₁为60mm，导流管4与引气针管7的距离s为1.5m。

测定钻孔瓦斯微流量方法步骤：

a.引气针管7的内径d₂由流体力学公式确定：

由得

式中，Q₅：需要通过引气针管7引入抽采支管2的空气流量；C_d：引气针管7的流量系数，针对具体的针管形态，其值由实验确定，取值一般为0.6～0.9；Δp：抽采负压；ρ：巷道空气密度。d₂值的确定原则是在保证Q₅不小于瓦斯抽采参数测定仪流量测定下限Q₄的情况下尽量小，以减小引入气体对抽采效果的影响。本实例中取Q₅＝Q₄＝0.040m³/min；C_d＝0.6；ρ＝1.2kg/m³；Δp＝10kpa。

计算得d₂＝3.3mm。

b.瓦斯抽采参数测定仪5的测量接头6接入导流管4，测定抽采支管2内的初始瓦斯浓度C₁＝71％。

c.在抽采支管2靠近煤壁1方向插入引气针管7，拔出引气针管7上的橡胶塞8，巷道中的空气通过引气针管7进入抽采支管2增加抽采支管2内气体流量，流量读数稳定之后测得单孔增流后流量Q₂＝0.068m³/min。

d.计算在拔出橡胶塞8最少3.8s以后，测定抽采支管2内的增流后瓦斯浓度C₂＝23％。

e.用橡胶塞8重新把引气针管7堵住以尽量减少混入空气对抽采系统的影响，下次测量需要之时再次拔出。

f.巷道内空气瓦斯浓度与抽采支管内的瓦斯浓度相比非常小，假设为0。Q₁为抽采支管的单孔初始流量，Q₃为单孔瓦斯纯流量。由瓦斯物质量守恒，有公式Q₁C₁＝Q₂C₂，得利用Q₃＝Q₁C₁或Q₃＝Q₂C₂计算单孔瓦斯纯流量为0.016m³/min。