通过ChuPeng
一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法
研究背景
我国煤炭资源丰富，煤层瓦斯作为煤的伴生产物在煤层中广泛存在，瓦斯事故成为制约煤矿安全生产的重要原因。瓦斯抽采是解决瓦斯事故的主要方法，同时可以使煤层气得到利用。然而，我国的煤层渗透率普遍很低，瓦斯抽采十分困难，因此抽采时必须采取措施提高煤层渗透率。
水力冲孔技术是煤矿常用的有效增透手段，由于其操作简单、适用性强，近些年来在各煤矿得到了广泛应用。施工瓦斯抽采钻孔深入煤层内部后，在孔内利用高压旋转水射流冲出大量煤体及瓦斯，形成直径较大的卸压洞室，为煤体膨胀变形和瓦斯解吸积聚提供充分空间，在洞室周围煤体形成裂隙网络，从而达到提高煤层渗透率和强化抽采的目的。
准确获知冲孔后煤体的渗透率分布，是进行水力冲孔强化瓦斯抽采设计的重要基础。然而，由于钻孔周围煤体破坏形式不同，冲孔后钻孔周围煤层渗透率呈非均匀分布，靠近钻孔渗透率最大，随着距钻孔距离增加渗透率逐渐降低直至原始值。现有手段无法直接测定冲孔后非均匀分布的渗透率和增透范围，通过数值模拟分析钻孔周围应力分布是目前最常用的煤层冲孔增透效果评价方法。数值模拟方法是通过理论分析建立冲孔后的渗透率数学模型，然后利用数值仿真软件解算得到煤层渗透率分布，但其缺陷是需要获得准确的煤层地应力分布与煤层力学参数，而煤层地应力和力学参数测定较为复杂，现场难以实施，若使用两者的估算值将大幅增加评价误差。
研究思路
本发明的目的是提供一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，不需要获知煤层地应力和力学参数，本发明使用等效渗透率和等效增透半径表征冲孔后钻孔周围非均匀分布的渗透率，表征方式简洁明了，利于不同钻孔设计之间的增透效果对比分析；等效渗透率通过径向流量法现场测定，施工操作简单，等效增透半径由配套的软件计算并匹配实测流量得出，方便快捷、结果可靠；本方法不需要测定煤层的地应力和力学参数，实施简单，方便工程现场的应用。
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通过bossliu
[已受理]基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置及施工方法
本科生参与人：吕彪，安浩学
完成时间：2019.7.15
技术领域
本发明涉及煤炭瓦斯检测领域，具体涉及一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置及施工方法。
背景技术
煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标，在煤层突出危险性指标重要性排序中位居前列，不论是煤中的游离瓦斯量，还是吸附瓦斯量，皆与瓦斯压力密切相关。同时煤层瓦斯压力还是决定瓦斯流动动力人及瓦斯动力现象潜能大小的基本参数，在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽采与瓦斯突出问题中具有指导意义。
煤层瓦斯含量是单位质量煤中的瓦斯体积。在我国由于煤层瓦斯含量测定方法的不同，瓦斯含量的内涵也不同，间接法测试瓦斯含量时，瓦斯含量为吸附瓦斯含量和游离瓦斯含量之和，当直接法测试时，煤层瓦斯含量则包含煤样解吸瓦斯含量、损失瓦斯含量和残存量三部分。
“以孔代巷”区域瓦斯治理技术以定向长钻孔为基础，定向长钻孔往往长达数百米甚至上千米，这也使得煤层瓦斯压力、含量传统测试方法在定向长钻孔中应用存在以下缺陷:
(1)我国煤层的渗透性普遍极低，而定向长钻孔往往长达数百米甚至上千米，通过自然渗透使钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力需要很长时间，且对封孔要求极高，直接测试方法耗时费力且可靠性差
(2)使用直接法测试瓦斯含量，在定向长钻孔中取样耗时较长，瓦斯在取样过程中大量逸散，使用现有方法反推的损失量存在很大误差，会造成整体瓦斯含量测试偏低。
发明内容
本发明为了解决煤层瓦斯参数检测难的问题，本发明提供一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置及施工方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置，包括，模拟煤样实际环境的模拟室和控制模拟环境的模拟调节器；所述模拟室与模拟调节器相通连接；所述模拟室内设有：煤和瓦斯的压力密封取样器；所述取样器固定端的排气管通过第一导管与第一三通管一端连接，且排气管上设有排气阀；所述取样器设置在质量检测器的称量托盘上；所述第一三通管剩余两端分别连接压力表和第二导管连接，所述第二导管与第二三通管一端连接，第二三通管剩余的两端分别与穿过模拟室的交换气管和真空气管连接；所述第二导管、交换气管和真空气管上分别设有第一气阀、第二气阀和第三气阀；所述取样器内部设有存芯室；所述存芯室一端与设在固定端的排气管相通；存芯室另一端内壁通过环形阵列设置第三铰接链与伸缩杆一端铰接，所述伸缩杆另一端与设置在密封板后端侧面的第二铰接链铰接；固定在密封板前端侧面的第一铰接链与取样器的内壁铰接；在取样器内壁设有供密封板自由端摆动的凹槽。其中，所述伸缩杆是电动伸缩杆。其中，所述质量检测器为高精度天平。
一种基于死空间压力换算的煤层瓦斯参数检测装置的施工方法，包括如下步骤：a、在适宜的试验地点，采用千米定向钻机实施超长定向钻孔，到达预定位置后继续钻进进入煤层，通过钻进参数的变化确保钻头仅揭露煤层表层；检测并记录步骤a中煤层表层的温度T。
b、在退出千米定向钻机的钻杆和钻头后，把取样器装在钻杆的工作端；并把取样器重新送到步骤a中煤层表层位置。
c、在取样器中的密封板和排气阀完全密闭的情况下，继续对煤层钻深L米后；再通过伸缩杆完全打开密封板，让煤样进入存芯室后，再完全关闭密封板。
d、对步骤c中完成取样的取样器，退出后检查取样器的气密性；若存在漏气的情况，则把取样器内部清理后，重新按照步骤b执行，直至取样器不存在漏气。
e、通过模拟调节器控制模拟室内温度与步骤b中检测的参数一致。
f、在模拟室中把密封性良好的取样器单独放置在质量检测器上，待稳定后，测得质量为Mini；把取样器接入检测装置后，仅打开排气阀，待压力表的读数稳定，测得压力为Pini。
g、在步骤f的基础上，再打开第一气阀和第三气阀，并启动抽真空装置，对煤样抽真空并保压不低于48小时后，关闭阀门排气阀；把取样装置脱离检测装置，再次称量质量Mdra，进而算的瓦斯总质量Mtol=Mini-Mdra。
h、再把取样装置连接到检测装置，仅关闭第三阀门，通过交换气管往取样器内注入煤样不可吸附的已知气体直到质量检测器的质量为Mini；
再关闭第一气阀、第二气阀，待压力表稳定后，记录压力Phe；通过查表对压力、温度为T时已知气体的密度rho-he，进而算的取样装置中的死空间为Vcon。
i、让取样装置脱离检测装置，打开排气阀，再次称取样装置的质量为Mcon，进而得到瓦斯含量Wch4=Mtol/Mcoal。
j、对煤样总量单独测质量为Mcoal，对煤样中小煤块加工成规则形状，利用密度体积法，得到煤样的总体积Vcoal；检测规则煤块的孔隙率fi-coal，得到总孔隙率Vpor；再结合步骤f中压力Pini、步骤h中死空间Vcon，得到煤层瓦斯压力Pseam。
其中，步骤h中所述已知气体为氦气。
步骤j中，总体积Vcoal步骤包括：测量体积Vsam，质量为Msam，进而得到煤样密度rho-coal；从而得到煤样的总体积Vcoal。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：实现了煤层瓦斯压力与煤层瓦斯含量的精确测量与计算，有利于矿井的安全措施的实施。有利于估算瓦斯含量，从而确定瓦斯的产量。有利于减少人工的成本以及时间的投入。
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