CN103776659B - 负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法 - Google Patents

Abstract

负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，包括以下步骤：选取合适的煤层测试位置，布置钻孔装置进行钻孔作业，并在钻孔装置旁边布置负压抽出式取样装置；在钻进过程中采用压风从钻杆内部送至孔底，将钻屑由孔壁与钻杆间的缝隙吹出；当钻孔钻到预定的采样深度后，停止钻进，用压风吹净孔内残存的煤屑；将负压抽出式取样装置的取样管与钻孔装置的钻杆连接；然后继续钻进，同时开启负压抽出式取样装置，负压将钻头切削下的新鲜煤屑通过钻头、钻杆的内部孔隙、取样管进入煤样采集器中。本发明不仅可以做到定点取样，而且可以缩短取样时间，取样可以在数秒内完成，煤样中瓦斯损失量小，大大提高了采样效率，取样工作与打钻可以同步连续进行，安全可靠，不需要退钻杆。

Description

负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯灾害防治领域，尤其涉及一种负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法。

背景技术

我国煤与瓦斯突出灾害严重，虽然自2009年起执行了《防治煤与瓦斯突出规定》，对煤与瓦斯突出煤层的开采提出了严格要求，但煤与瓦斯突出灾害防治形势依然严峻，如2011年从10月4日至11月10日仅37天内，连续发生了3起重大以上的突出事故，造成67人死亡，即：贵州省黔南州安平煤矿“10.4”事故（死亡14人）、河南煤化焦煤九里山矿“10.27”事故（死亡18人）和云南省曲靖市私庄煤矿“11.10”事故（死亡35人）。

煤层瓦斯含量测试是煤矿瓦斯灾害防治中的一项基础工作，不但制约着矿井瓦斯危险程度预测的准确性，而且影响着后续瓦斯防治措施的可靠性。在我国煤与瓦斯突出灾害防治工作中，广泛采用预抽瓦斯的方式消除煤层的突出危险性，但是由于预抽钻孔长度可达百米以上，在防突效果检验中，测试煤层抽采后残余瓦斯含量时，往往需要从很远的煤体深部取煤样，受取样方法所限，取样时间过长，可达半小时至1小时，在取样过程中由于煤体吸附瓦斯大量解吸，严重影响了煤层残余瓦斯含量测值的准确性，以致形成误判，酿成事故。

国内外对煤层瓦斯含量的测试方法进行了深入研究，目前我国普遍采用的煤层瓦斯含量测定方法有地勘解吸法、间接法和井下自然解吸法。地勘解吸法最早是1973年美国矿业局提出的，我国于良臣等人进行改进后在地质勘探部门取得广泛应用；间接法利用煤层吸附瓦斯符合单分子层吸附理论朗格缪尔方程（Langmuirequation）的原理，通过测试煤层瓦斯压力，吸附常数a值、b值及煤的水分、灰分、温度等参数间接得到煤层瓦斯含量值。井下解吸法是在地勘解吸法的基础上形成的一种煤矿井下瓦斯含量的取样测试方法，在我国煤矿开采中广泛应用，主要采用麻花钻杆自然排粉取样或穿层钻孔采集煤芯。在煤样取样方法上，地勘部门也有采用绳索取芯和保压取芯的方法，但是由于取芯需要昂贵的取芯和钻孔装置，难以推广应用；王兆丰等人通过在钻杆中设置取样室通过反转钻机达到了定点取样的目的，但受制于取样室的容积，取样量收到了限制。纵观目前的煤层瓦斯含量测试方法，主要存在有如下不足：

⑴、取样时间长，造成取样过程中瓦斯损失量大。由于瓦斯损失量大，在现场解吸过程中，测得的瓦斯解吸量和解吸速度均偏小，而且导致根据现场解吸量推算的瓦斯损失量偏小，总体会造成瓦斯含量测值比实际值低得多，尤其是瓦斯放散速度快的煤层，造成煤层瓦斯含量测试值偏差更大。由于麻花钻杆取样需要钻粉沿钻孔自然排出，钻粉从孔底到孔口需要较长的时间；而采用取芯钻头取样，需要退钻杆后取出取芯钻头的煤样，两种方法在取样深度在50米以上时，往往需要半小时以上的取样时间。取出煤样中瓦斯逸散殆尽，测定的瓦斯解吸速度偏小，推算的瓦斯损失量偏小，而且由于已解吸了大量瓦斯，在实验室中测试的残存瓦斯量依旧偏小，造成瓦斯含量测值与实际值相比偏小很多，影响了瓦斯危险程度的客观评价和后续选取可靠的防治措施。

⑵、难以做到真正的定点取样，麻花钻杆取样钻粉混样严重，与定点取样要求差距很大，很难分清煤样的来源；而采用钻杆中设置取样室反转钻机取样，虽可以做到定点取样，但受制于取样室的容积，取样量受到限制；取芯钻头虽可以定点取样，且取样量较大，但由于退钻杆时间过长，影响了煤层瓦斯含量测试的准度，也不是理想的定点取样方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种安全可靠、取样时间短、瓦斯损失量小、定点性准的负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，包括以下具体步骤：

（1）、选取合适的煤层测试位置，布置钻孔装置进行钻孔作业，并在钻孔装置旁边布置负压抽出式取样装置；

（2）、在钻进过程中采用压风从钻杆内部送至孔底，将钻屑由孔壁与钻杆间的缝隙吹出；

（3）、当钻孔钻到预定的采样深度后，停止钻进，用压风吹净孔内残存的煤屑；

（4）、将负压抽出式取样装置的取样管与钻孔装置的钻杆连接；

（5）、然后继续钻进，同时开启负压抽出式取样装置，负压将钻头切削下的新鲜煤屑通过钻头、钻杆的内部孔隙、取样管进入专用煤样采集器中；

（6）、当煤样采集量达到要求后，即可使钻孔装置和负压抽出式取样装置停止作业，并记录负压压力表读数、大气压力和温度。

所述钻孔装置包括钻机、钻杆、钻头、压风管路、进风管和进风阀门，钻机的动力输出端与钻杆外端连接，最内端的一根钻杆的内端与钻头连接，钻机的进风口通过进风管与压风管路连接，进风阀门设在进风管上。

所述负压抽出式取样装置包括煤样采集器、取样管、连接管、负压压力表和抽取阀门，取样管的进口与最外端的一根钻杆连接，取样管的出口与煤样采集器的进口连接，煤样采集器的出口与连接管的进口连接，负压压力表和抽取阀门均设在连接管上。

所述煤样采集器包括支架和储料容器，储料容器上部两侧分别与取样管和连接管连接，储料容器上设有透明观察窗，储料容器下端设有卸料管，卸料管上设有取样阀门；通过透明观察窗看，当煤样采集量达到要求后，即可停止采样，打开取样阀门，从储料容器中放出煤样进入煤样罐中，之后可以进行瓦斯含量测试的现场解吸工作。

所述连接管的出口设有射流引射器或负压泵。

所述连接管的出口与煤矿井下的瓦斯抽采管路连接。

采用上述技术方案，本发明采用专用煤样采集器与改造后的专用风动钻机、钻头和专用中空钻杆配套使用，开发出负压抽出式定点取样装置。当取样钻孔打到预定位置后，改变原来的压风排粉方式为负压抽出式排粉，利用专用煤样采集器采集煤样。本发明不仅可以做到定点取样，而且可以缩短取样时间，取样可以在数秒内完成，煤样中瓦斯损失量小，大大提高了采样效率，取样工作与打钻可以同步连续进行，安全可靠，不需要退钻杆。

在有瓦斯抽采管路的矿井可以利用瓦斯抽采管路的负压，没有瓦斯抽采管路的矿井需要采用射流引射器或者负压泵作为产生负压抽取煤样的动力。采样过程可在几十秒钟内完成，大大提高了采样效率。

取样深度与钻孔倾角、负压大小等密切相关，钻孔仰角和负压越大，取样深度越大，钻孔俯角越大，抽采管路负压越小，取样深度越小。当负压为0.5MPa时，水平钻孔取样深度不小于40m，大于15°仰角钻孔取样深度不小于60m，15°俯角钻孔取样深度不小于20m。

由于煤样采用负压抽出式进行取样，虽然缩短了取样时间，但由于所采煤样在负压环境中，与传统瓦斯含量煤样处于大气压力环境下不同，需要对负压环境下瓦斯解吸规律进行研究，由于煤样在负压中的瓦斯解吸规律与大气压的解吸规律仅仅是气压不同，解吸规律是相似的。因此，可以通过测试负压环境下瓦斯解吸规律，再根据取样时间，对取样过程中瓦斯损失量进行推算，对取样过程中的瓦斯损失量进行补偿。

在负压环境下进行煤层瓦斯含量测定的方法按以下步骤进行：

⑴、采样：采用负压抽出式定点取样，取样300～400g立即装入煤样罐中，在采样过程中，注意记录取样开始至装罐前，煤样在负压环境中暴露的时间t₀。

⑵、瓦斯解吸量测定：煤样装入煤样罐后，先将穿刺针头***罐盖上的胶垫圈，再拧紧罐盖，并通过针头将煤样罐与解吸仪连接，采用传统方法测量煤样解吸瓦斯量随时间的变化，记录最终现场解吸量V₂。现场解吸完成后取出针头，将煤样罐送至实验室进行分析。

⑶、负压环境下煤样瓦斯解吸规律测定：利用在瓦斯含量测试地点采取的煤样，在实验室使用负压解吸装置测试负压环境下煤样瓦斯解吸规律。

所述负压解吸装置包括煤样罐、真空泵、顶部敞口的储水容器、量筒、密闭容器和玻璃管，储水容器内盛装有水，玻璃管竖直设置，玻璃管的下端伸入到储水容器内的水面下，玻璃管的上端与密闭容器固定连接，密闭容器通过真空管与真空泵连接，煤样罐的出口连接有解吸管，解吸管通过玻璃管下端向上伸入到密闭容器内，解吸管上设有临近煤样罐的压力表和第一截止阀，储水容器上侧部设有溢流管，溢流管的出水口伸入到量筒内，真空管上设有第二截止阀。

⑷、损失瓦斯量推算：根据测得的负压环境下煤样瓦斯解吸规律，推算取样时间t₀内的损失量V₁。

⑸、残存瓦斯量实验室测定：在实验室中，煤样在密封状态下加热（95℃）真空脱气，测试抽第一次脱气量V₃；再用球磨机粉碎后脱气，确定第二次脱气量V₄。脱气同时进行气体成分分析，脱气结束进行称重和工业成分分析。

⑹、根据上述V₁、V₂、V₃和V₄，及煤样重量m，最后采取计算方法，即可以确定煤层瓦斯含量X₀。

附图说明

图1是本发明所采用的钻孔装置和负压抽出式取样装置的一种结构示意图；

图2是图1中煤样采集器的结构示意图；

图3是本发明所采用的钻孔装置和负压抽出式取样装置的另一种结构示意图；

图4是进行负压环境下瓦斯解吸特性测试时的结构示意图。

具体实施方式

实施例一，如图1和图2所示，负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，包括以下具体步骤：

（1）、选取合适的煤层1测试位置，布置钻孔装置进行钻孔作业，并在钻孔装置旁边布置负压抽出式取样装置；

（2）、在钻进过程中采用压风从钻杆3内部送至孔底，将钻屑由孔壁与钻杆3间的缝隙吹出；

（3）、当钻孔钻到预定的采样深度后，停止钻进，用压风吹净孔内残存的煤屑；

（4）、将负压抽出式取样装置的取样管13与钻孔装置的钻杆3连接；

（5）、然后继续钻进，同时开启负压抽出式取样装置，负压将钻头2切削下的新鲜煤屑通过钻头2、钻杆3的内部孔隙、取样管13进入专用煤样采集器5中；

（6）、当煤样采集量达到要求后，即可使钻孔装置和负压抽出式取样装置停止作业，并记录负压压力表7读数、大气压力和温度。

钻孔装置包括钻机4、钻杆3、钻头2、压风管路11、进风管14和进风阀门10，钻机4的动力输出端与钻杆3外端连接，最内端的一根钻杆3的内端与钻头2连接，钻机4的进风口通过进风管14与压风管路11连接，进风阀门10设在进风管14上。

负压抽出式取样装置包括煤样采集器5、取样管13、连接管8、负压压力表7和抽取阀门6，取样管13的进口与最外端的一根钻杆3连接，取样管13的出口与煤样采集器5的进口连接，煤样采集器5的出口与连接管8的进口连接，负压压力表7和抽取阀门6均设在连接管8上。

煤样采集器5包括支架15和储料容器16，储料容器16上部两侧分别与取样管13和连接管8连接，储料容器16上设有透明观察窗17，储料容器16下端设有卸料管18，卸料管18上设有取样阀门19；通过透明观察窗17看，当煤样采集量达到要求后，即可停止采样，打开取样阀门19，从储料容器16中放出煤样进入煤样罐中，之后可以进行瓦斯含量测试的现场解吸工作。同时剩余煤样装入专用取样袋，送入实验室进行负压环境下瓦斯解吸特性测试。

连接管8的出口与煤矿井下的瓦斯抽采管路9连接。

本发明采用专用煤样采集器5与改造后的专用风动钻机4、钻头2和专用中空钻杆3配套使用，开发出负压抽出式定点取样装置。当取样钻孔打到预定位置后，改变原来的压风排粉方式为负压抽出式排粉，利用专用煤样采集器5采集煤样。本发明不仅可以做到定点取样，而且可以缩短取样时间，取样可以在数秒内完成，煤样中瓦斯损失量小，大大提高了采样效率，取样工作与打钻可以同步连续进行，安全可靠，不需要退钻杆3。

取样深度与钻孔倾角、负压大小等密切相关，钻孔仰角和负压越大，取样深度越大，钻孔俯角越大，抽采管路负压越小，取样深度越小。当负压为0.5MPa时，水平钻孔取样深度不小于40m，大于15°仰角钻孔取样深度不小于60m，15°俯角钻孔取样深度不小于20m。

实施例二，如图3所示，该实施例与实施例一的不同之处在于：连接管8的出口设有射流引射器或负压泵12。

在有瓦斯抽采管路9的矿井可以利用瓦斯抽采管路9的负压，没有瓦斯抽采管路9的矿井需要采用射流引射器或负压泵12作为产生负压抽取煤样的动力。采样过程可在几十秒钟内完成，大大提高了采样效率。

上述实施例并非对本发明的技术方案等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

由于煤样采用负压抽出式进行取样，虽然缩短了取样时间，但由于所采煤样在负压环境中，与传统瓦斯含量煤样处于大气压力环境下不同，需要对负压环境下瓦斯解吸规律进行研究，由于煤样在负压中的瓦斯解吸规律与大气压的解吸规律仅仅是气压不同，解吸规律是相似的。因此，可以通过测试负压环境下瓦斯解吸规律，再根据取样时间，对取样过程中瓦斯损失量进行推算，对取样过程中的瓦斯损失量进行补偿。

在负压环境下进行煤层瓦斯含量测定的方法按以下步骤进行：

⑴、采样：采用负压抽出式定点取样，取样300～400g立即装入煤样罐中，在采样过程中，注意记录取样开始至装罐前，煤样在负压环境中暴露的时间t₀。

⑵、瓦斯解吸量现场测定：煤样装入煤样罐后，先将穿刺针头***罐盖上的胶垫圈，再拧紧罐盖，并通过针头将煤样罐与解吸仪连接，采用传统方法测量煤样解吸瓦斯量随时间的变化，记录最终现场解吸量V₂，现场解吸完成后取出针头，将煤样罐送至实验室进行分析。

⑶、负压环境下煤样瓦斯解吸规律测定：利用在瓦斯含量测试地点采取的煤样，在实验室测试负压环境下煤样瓦斯解吸规律。

负压解吸装置如图4所示，包括煤样罐20、真空泵21、顶部敞口的储水容器22、量筒23、密闭容器24和玻璃管25，储水容器22内盛装有水26，玻璃管25竖直设置，玻璃管25的下端伸入到储水容器22内的水面下，玻璃管25的上端与密闭容器24固定连接，密闭容器24通过真空管27与真空泵21连接，煤样罐20的出口连接有解吸管28，解吸管28通过玻璃管25下端向上伸入到密闭容器24内，解吸管28上设有临近煤样罐20的压力表29和第一截止阀30，储水容器22上侧部设有溢流管32，溢流管32的出水口伸入到量筒23内，真空管27上设有第二截止阀31。

把现场采取的煤样，取出取样袋，保持煤样中原有成分不变，称重后装入煤样罐20内，把煤样罐20放入恒温水中，调整水浴温度为取样地点温度，上述负压解吸装置连接后，进行负压环境下煤样瓦斯解吸规律测试。

测试通过一个储水容器22和玻璃管25进行，通过真空泵21抽气使水柱进入密闭容器21内，关闭第二截止阀9使密闭容器21中产生负压，负压大小可以通过调整玻璃管25的长度进行改变，并使储水容器22内的水26正好不溢出溢流管32，1米玻璃管25可以产生约10kPa的负压，密闭容器24的直径为20cm，高度20cm，容积6280mL，煤体的瓦斯含量假定为10m³/t，100g试验煤样的全部解吸后的标准体积为1000mL，因此，当开启第一截止阀30时，煤样罐20内的煤样中的瓦斯在负压环境下解吸出来，液面变动较小，瓦斯基本上在恒定负压下解吸，解吸出来的瓦斯通过解吸管28进入到密闭容器24内的水面上，密闭容器24内的压力增加，玻璃管25内水柱下降，水被压入到储水容器22内，再通过溢流管32流入到量筒23内，量筒23的水量即为瓦斯的解吸量。通过测试可以得到煤样在负压环境下的瓦斯解吸规律。

⑷、损失瓦斯量推算：根据测得的负压环境下煤样瓦斯解吸规律，推算取样时间t₀内的损失量V₁。

⑸、残存瓦斯量实验室测定：在实验室中，煤样在密封状态下加热（95℃）真空脱气，测试抽第一次脱气量V₃；再用球磨机粉碎后脱气，确定第二次脱气量V₄。脱气同时进行气体成分分析，脱气结束进行称重和工业成分分析。

⑹、根据上述V₁、V₂、V₃和V₄，及煤样重量m，最后采取计算方法，即可以确定煤层瓦斯含量X₀。

Claims (3)

1.负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，其特征在于：包括以下具体步骤，

（1）、选取合适的煤层测试位置，布置钻孔装置进行钻孔作业，并在钻孔装置旁边布置负压抽出式取样装置；

（2）、在钻进过程中采用压风从钻杆内部送至孔底，将钻屑由孔壁与钻杆间的缝隙吹出；

（3）、当钻孔钻到预定的采样深度后，停止钻进，用压风吹净孔内残存的煤屑；

（4）、将负压抽出式取样装置的取样管与钻孔装置的钻杆连接；

（5）、然后继续钻进，同时开启负压抽出式取样装置，负压将钻头切削下的新鲜煤屑通过钻头、钻杆的内部孔隙、取样管进入专用煤样采集器中；

（6）、当煤样采集量达到要求后，即可使钻孔装置和负压抽出式取样装置停止作业，并记录负压压力表读数、大气压力和温度；

所述钻孔装置包括钻机、钻杆、钻头、压风管路、进风管和进风阀门，钻机的动力输出端与钻杆外端连接，最内端的一根钻杆的内端与钻头连接，钻机的进风口通过进风管与压风管路连接，进风阀门设在进风管上；

所述负压抽出式取样装置包括煤样采集器、取样管、连接管、负压压力表和抽取阀门，取样管的进口与最外端的一根钻杆连接，取样管的出口与煤样采集器的进口连接，煤样采集器的出口与连接管的进口连接，负压压力表和抽取阀门均设在连接管上；

所述煤样采集器包括支架和储料容器，储料容器上部两侧分别与取样管和连接管连接，储料容器上设有透明观察窗，储料容器下端设有卸料管，卸料管上设有取样阀门；通过透明观察窗看，当煤样采集量达到要求后，即可停止采样，打开取样阀门，从储料容器中放出煤样进入煤样罐中，之后可以进行瓦斯含量测试的现场解吸工作。

2.根据权利要求1所述的负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，其特征在于：所述连接管的出口设有射流引射器或负压泵。

3.根据权利要求1所述的负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，其特征在于：所述连接管的出口与煤矿井下的瓦斯抽采管路连接。