煤層瓦斯測壓下向鉆孔自動排水實驗裝置研制

2022-09-26 08:08:52徐毅豪秦汝祥賈明樂劉忠平張成功

礦業安全與環保 2022年4期

徐毅豪，秦汝祥,2，賈明樂，劉忠平，張成功

(1.安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽淮南 232000；2.煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心，安徽淮南 232000；3.陜西開拓新礦業工程有限公司，陜西西安 710000)

受井下地質構造和鉆孔施工的限制[1-2]，特定條件下需要采用下向鉆孔測定煤層瓦斯壓力[3]。然而，孔壁巖體滲水會導致下向測壓鉆孔積水[4]，容易在測壓管內形成水柱[5]，造成實測煤層瓦斯壓力誤差增大。因此，消除積水對測壓進程和測壓結果的影響是下向測壓鉆孔精準測壓的重要環節。

為了解決下向鉆孔積水導致測壓精度不足這一難題，國內學者開展了廣泛的研究，主要有以下3類方法：

1)第一類是以積水量影響壓力恢復曲線的特征為基礎，采用結果修正法，消除水對下向鉆孔測壓結果的影響。潘思東等[6]根據實際應用，補充說明了水對瓦斯壓力恢復曲線的影響；王亮等[7]利用COMSOL軟件建立二維平面應變模型，模擬排除水對下向孔測壓影響。修正模擬后的結果可作為測壓結果的對比和參考，但在修正推算過程中涉及煤樣的特征信息[8]，存在測定復雜、周期長、成功率低、精準度欠缺等不足[9]。因此，理論修正誤差大，還需要通過工程施工消除積水對測壓結果的影響。

2)第二類是通過封堵鉆孔圍巖含水裂隙來隔絕含水層，以排除水對測壓結果的影響。劉洋等[10]應用膠囊下向鉆孔封孔工藝提高密封效果；黨龍等[11]通過下向孔帶壓封孔技術密封煤體和圍巖裂隙；陳星明等[12]通過建立底水錐進模型獲取底水突破煤層時間，進而控制封孔時間，消除承壓水對測壓的影響；趙麥來等[13]采用套管和二次注漿隔絕裂隙和底板水。然而，由于不清楚含水層與鉆孔溝通的確切位置[14]，堵水測壓密封效果不佳[15]，且現場技術人員缺乏合理的標準判定測量結果的準確性[7]。因此，必須進行有效排水，才能合理消除積水對測壓結果的影響。

3)第三類是基于壓風排水原理，將水排出鉆孔。童碧等[16]分組分時段對鉆孔進行壓風排水；陳虎等[17]提出采用周期集中排水的方法，將鉆孔內積水排出；柏發松等[18]采用定時單孔分組進行排水；曹陽等[19]設計了一種需要確定排水周期的下向孔排水裝置。

現有的排水技術與裝置可以實現排水，改善了下向鉆孔測壓效果。然而，多數研究主要基于壓風排水原理實現排水[16-19]，實施過程中無法掌握下向鉆孔測壓氣室內的水量情況，且需要人工定期排水，工序復雜，成本高。為消除下向測壓鉆孔內積水對測壓結果的影響，在分析現有下向鉆孔排水技術與裝置的基礎上，基于氣體壓力差與毛細作用力原理，設計了一種煤層瓦斯測壓下向鉆孔自動排水實驗裝置，研究了自動排水技術方法，分析了有機硅膠膜彈性形變與測壓氣室內水位高度的定量關系，確定了最優排水區間，實現了連續緩慢排水。

1 自動排水裝置設計

1.1 結構組成

自動排水裝置由測壓模塊、自動排水模塊、排水傳送模塊三部分構成，其結構關系如圖1所示。

圖1 自動排水裝置結構關系

1)測壓模塊：由測壓氣室與測壓管組成。通過測壓管對測壓氣室進行測壓。

2)自動排水模塊：由感知腔體、彈性膜和與之相接的排水管口組成。感知腔體與測壓管連通，實現模塊對水位的實時感知，并自動排水。

3)排水傳送模塊：由毛細管束組組成。利用內部毛細管束組的毛細作用,以及測壓氣室與外界的壓力差將水排出。

1.2 工作原理

裝置中的測壓、自動排水、排水傳送3個模塊相互作用，其運行時空工序原理如圖2所示。

圖2 自動排水裝置運行時空工序原理

1)巖隙水滲入測壓氣室并不斷積聚，隨著水位升高，自動排水模塊承壓逐漸增大。當水位達到排水區間(hmin,hmax)內，此時自動排水模塊承受壓力達到打開排水管口的閾值。

2)排水管口打開后，在測壓氣室與外界的壓力差和毛細力的作用下通過排水傳送模塊將水排出鉆孔，從而消除積水的影響，實現精確測壓。

2 自動排水模塊

自動排水模塊為自動排水裝置的核心模塊，在水壓作用下可自動調節排水管的開閉，無需人工定期對鉆孔進行排水。

2.1 模塊組成

自動排水模塊主要由感知腔體外接法蘭連接彈性硅膠膜組成。感知腔體內部中空，豎直布置，腔體具體幾何尺寸與形狀可根據工程實際進行設計選用。腔體上部連接測壓管，以使腔內氣壓與測壓氣室氣壓相等，測壓管與排水管布置方向與鉆孔方向平行。自動排水模塊的實物圖和模塊組成示意圖見圖3～4。

圖3 自動排水模塊實物

圖4 自動排水模塊組成

2.2 膜的“呼吸”

自動排水模塊中的彈性膜在水壓作用下,因兩側受力不均發生形變，呈現出膜與管口“接觸—閉合—接觸—……”的“呼吸”循環現象，其具體的“呼吸”原理如圖5所示。

圖5 膜的“呼吸”動態循環原理

1)測壓氣室內積水液面逐漸升高超過整個模塊，此時彈性膜外側壓力大于內側腔體內的氣體壓力，彈性膜逐漸內凹，彈性膜與管口分離，鉆孔內積水進入排水管。

2)隨著測壓氣室內積水的排出，積水水位下降，彈性膜外側壓力逐漸減小，緩慢恢復形變，直至完全接觸并封堵管口，排水管不再排水。

3)當水位下降至自動排水模塊以下時，彈性膜與管口緊密接觸，封堵管口，管口密封。

隨著鉆孔內積水增多，排水管再次打開，如此往復，實現測壓鉆孔的自動連續緩慢排水。整個排水過程中，測壓氣室與排水管外始終處于水封狀態，不會發生測壓氣室氣體泄漏情況。

2.3 彈性膜性能測試

模塊中的彈性膜選用有機硅膠薄膜，如圖6所示。硅膠膜彈性強，其化學惰性、防水性、耐溫性等多方面性能均較優。

圖6 有機硅膠薄膜

對硅膠膜的彈性性能進行測試。將彈性硅膠膜固定在亞克力管下端，向管內緩慢注水。使用紅外線測距儀測量硅膠膜中心與測點距離，未注水時距離為y1，注水后距離為y2，則硅膠膜形變量Δy=y1-y2。之后更換不同厚度的硅膠膜，重復測試。測試方法如圖7所示。

圖7 彈性硅膠膜形變測試方法

根據實驗測得的不同厚度硅膠膜在不同水位(h)下受水壓作用發生的形變量(Δy),最終擬合出不同厚度膜形變量隨水位變化曲線，如圖8所示。相關擬合方程見表1。

圖8 不同厚度硅膠膜隨水位變化形變量測試結果

表1 硅膠膜在水壓作用下形變方程

表1中線性擬合度R2值均在0.9以上，表明硅膠膜形變量隨水位的變化呈線性關系。從圖8中可看出，膜越薄，其隨水位變化產生的形變越明顯。但在實際應用中，筆者發現雖然0.2 mm硅膠膜隨水位變化形變明顯，但膜太薄容易破裂，且變化幅度大，可控性差，而厚度超過1.0 mm的膜又存在形變不明顯、不易安裝的缺點，所以選用0.3～1.0 mm厚度的硅膠膜為宜。