煤層瓦斯測壓中鉆孔密封技術創新

齊黎明,謝凱熙,關聯合,王聲遠

(1.華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201;2.開灤(集團)有限責任公司,河北 唐山 063018)

0 引言

煤層瓦斯壓力是礦井瓦斯災害防治的關鍵參數,在煤層瓦斯地質圖編制、瓦斯風化帶下界深度確定、煤與瓦斯突出危險性鑒定和煤與瓦斯突出危險性區域預測等礦井瓦斯治理工程實踐中均有應用。煤層瓦斯壓力還是決定煤層瓦斯含量、瓦斯流動動力、瓦斯動力現象潛能的重要參數[1-3]。

基于煤層瓦斯壓力參數的重要性,國家出臺了AQ/T 1047 -2007《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》,很多專家學者和現場工程技術人員也對直接測定煤層瓦斯壓力技術進行了研究,研究成果主要體現在封孔方法[4-5]、封孔材料[7-9]及含水地層測壓技術[10,11]等方面。

隨著礦井開采深度的增加和煤礦安全生產標準的提升,僅依靠機械壓力表讀取鉆孔瓦斯壓力數據,已經不能滿足時代需要。亟需對鉆孔氣體參數采取多種監測手段,并預留補氣口(便于實現主動式測壓);為實現上述功能,需要一個密封可靠并具有多個接口的測壓鉆孔孔外導氣管連接裝置。

利用具有多個接口的測壓鉆孔孔外導氣管連接裝置既可以補氣,實現主動式測壓,又能借助不同儀器儀表采集鉆孔氣體數據(包括壓力、溫度及濃度等),甚至遠程傳輸數據。在公開的文獻資料中,尚未查到上述研究成果。本文對測壓鉆孔孔外導氣管連接裝置進行了設計、組裝及氣密性實驗,并確定了最優方法。

1 孔外導氣管連接裝置的設計組裝與檢測方案

1.1 孔外導氣管連接裝置的設計與組裝

孔外導氣管連接裝置主要由壓力表、球閥、傳感器和四通組成,具體設計方案如圖1所示。

1—氣瓶;2—膠管;3—球閥(1);4—壓力表;5—球閥(2);6—四通;7—傳感線;8—傳感器圖1 孔外導氣管連接裝置設計圖

1.2 孔外導氣管氣密性檢測方案

氣密性檢測實驗方案:①關閉球閥2。②緩慢擰開氧氣瓶閥門,打開球閥1,當傳感器表盤達到4MPa時關閉氧氣瓶閥門,關閉球閥1。③把孔外導氣管連接裝置放置水中,全部沒入水面。④觀察傳感器和機械壓力表的數值變化。⑤觀察水面變化是否有水泡冒出。⑥打開球閥2,放氣。

2 孔外導氣管連接裝置氣密性探究

市面上的四通和球閥主要分為三種材質:鑄鐵、鋁合金和黃銅,經過調研三種材質的零件氣密性:黃銅、鋁合金、鑄鐵,因此本實驗的四通和球閥都選用黃銅材質的零件,現將零件按照圖1組裝,然后按照氣密性檢測方案里的步驟進行實驗,實驗結果壓力數據見表1。

表1 黃銅孔外導氣管連接裝置的壓力數據

由表1可知壓力在22min內從4MPa快速降到0MPa,由圖2可知壓力曲線快速下降趨近于直線型,說明單純用零件組裝成的孔外導氣管連接裝置氣密性不足。在進行氣密性檢測方案步驟⑤時,水面都會冒出一連串的大氣泡,也說明氣密性不足,需要用密封材料提升孔外導氣管連接裝置的氣密性。

圖2 黃銅孔外導氣管連接裝置的壓力數據曲線

首先筆者利用固體生料帶提升孔外導氣管連接裝置的氣密性,在四通與球閥、壓力表和傳感器連接口處纏上固體生料帶,重復氣密性檢測方案實驗步驟,壓力數據見表2。

表2 固體生料帶孔連連接器的壓力數據

在進行氣密性檢測方案步驟⑤時時發現水面間斷性的冒出小水泡,表2中的壓力數據從4MPa降到0MPa用了40min,相比于上一代設備時間有所延長,圖3壓力數據曲線出現了幾個小緩坡,但大體上還是趨向于直線型,說明用固體生料帶密封的孔外導氣管連接裝置氣密性有所提升但還達不到應用要求。

圖3 固體生料帶孔連連接器的壓力數據曲線

根據調研水暖的連接口處用的是固體生料帶和麻草,于是筆者用固體生料帶和麻草來密封零件的連接口處,重復實驗步驟,壓力數據見表3。

表3 固體生料帶和麻草孔外導氣管連接裝置的壓力數

在進行氣密性檢測方案步驟⑤時發現水面又連續冒出大的水泡,表3中的壓力數據從4MPa降到0MPa只用了25min,圖4壓力數據曲線相比于上一代設備小緩坡消失,更加趨向于直線型,說明用固體生料帶和麻草的密封連接口處方式并沒有提升孔外導氣管連接裝置的氣密性,反而氣密性還不如使用固體生料帶密封。

圖4 固體生料帶和麻草孔外導氣管連接裝置的壓力數據曲線

后來再根據多方調研得知在用麻草纏繞連接口之前需要把麻草浸濕,筆者用固體生料帶和濕麻草密封孔外導氣管連接裝置的連接口處,重復密性檢測方案步驟,在進行氣密性檢測方案步驟⑤時發現,沒有氣泡從水面冒出,于是觀察機械壓力表和傳感器數據改為每小時觀察一次。壓力數據見表4。

表4 固體生料帶和濕麻草孔外導氣管連接裝置的壓力數據

由表4可知壓力數據在24h內只下降了0.1MPa 并沒有像前幾代設備短時間內下降到0MPa,圖5中數據壓力曲線呈Z字型,可知生料帶和濕麻草密封的孔外導氣管連接裝置氣密性大大提高,基本滿足實驗要求。但通過實驗發現,長時間放置裝置濕麻草會變干,最后導致孔外導氣管連接裝置漏氣,唯一的解決方法是把整套裝置浸泡在水中,使麻草保持濕潤膨脹狀態。這種密封方式雖然保證了氣密性,但因為井下情況復雜鉆孔過高,使得此方法在井下難以應用。于是筆者又找到了液體生料帶密封孔外導氣管連接裝置,把液體生料帶均勻的涂在連接口的內絲與外絲,擰緊連接口,靜置12h,等到液體生料帶完全凝固之后,再重復實驗步驟,在進行氣密性檢測方案步驟⑤時發現,沒有氣泡從水面冒出,每間隔1h 觀察一次機械壓力表和傳感器,壓力數據見表5。

表5 液體生料帶孔外導氣管連接裝置的壓力數據

由表5數據可知經過48h的觀察壓力沒有絲毫下降說明用液體生料帶密封的孔外導氣管連接裝置有很好的氣密性。而且不用一直泡在水中,只要等到液體生料帶完全凝固之后就可以使用,在實際應用時只需在地面提前把孔外導氣管連接裝置用液體生料帶密封好,等到液體生料帶凝固,直接把設備帶到井下就可以應用,簡單方便,但隨之筆者發現了用液體生料密封的弊端,當設備使用完成時將無法拆卸或者很難弄拆卸,拆卸需要用噴槍燒烤設備使液體生料帶融化,使得拆卸下來的零件大部分損壞,而且井下因為瓦斯濃度過高,無法用火,所以使用液體生料帶密封的孔外導氣管連接裝置在井下無法拆卸,只能一次使用,這就使得測量瓦斯壓力成本大大提高。

為了能有一款方便實用且性價比高的孔外導氣管連接裝置,筆者又經過多次調研和實驗最終利用密封圈和四氟墊來提升裝置的氣密性,在四通與球閥的連接處的內絲里面墊入密封圈,然后擰緊,在四通與機械壓力表和傳感線處套上四氟墊擰緊,組裝完成,進行氣密性檢測方案,實驗步驟⑤時水面沒有氣泡冒出,每間隔1h觀察一次機械壓力表和傳感器,壓力數據見表6。

表6 四氟墊和密封圈孔外導氣管連接裝置的壓力數據

由表6數據可知經過長達72h的觀察壓力曲線同樣沒有絲毫下降說明利用四氟墊和密封圈密封的孔外導氣管連接裝置有極高的氣密性,而且密封圈和四氟墊的密封方法非常簡單,且價格低廉,安裝上去的零件隨時可根據實際情況拆卸,能進行多次使用,方便的同時也大大降低了成本。至此筆者利用黃銅材質四通和球、機械壓力表、數字傳感器、密封圈和四氟墊組裝成了氣密性最高的且方便實用成本低廉的孔外導氣管連接裝置。

3 應用

當地面實驗孔外導氣管連接裝置整體的氣密性符合標準時,把氧氣瓶與膠管連接處拆分,把整套孔外導氣管連接裝置運送到井下后,1號球閥連接補氣裝置,2號球閥連接鉆孔外管道,連接完成后打開1號和2號球閥,當補氣完成后,關閉1號球閥,主動主動式測壓就可以正常進行。如果發現鉆孔有水可以通過打開球閥1來排水。

如果井下有環網交換機,還可以利用環網交換機把數字傳感器的信號轉換到地面,對測壓鉆孔瓦斯壓力實施遠程、實時在線監測,精準、高效獲取鉆孔瓦斯壓力數據,具體如圖6所示。

圖6 瓦斯壓力遠程監控系統

4 結論

(1) 利用黃銅材質的四通和球閥、機械壓力表、數字傳感、四氟墊和密封圈組裝出氣密性極高的孔外導氣管連接裝置,在鉆孔密封良好的情況下,大大提升了直接測壓法的準確率。

(2) 相比于傳統的測壓鉆孔孔外導氣管連接裝置,本連接器利用四通實現多接口連接上了數字傳感器,提升了測壓準確率,降低了因角度問題和鉆孔過高所引起的讀數困難,方便讀數,并且此裝置還具有排放鉆孔積水的功能。

(3) 此孔外導氣管連接裝置,既可以主動式測壓,又可以被動式測壓,實現一孔雙測。