一種測定鑽孔瓦斯微流量方法與流程
2023-10-24 03:16:12 1
本發明屬於瓦斯抽採技術領域，具體涉及一種準確測定煤礦井下鑽孔瓦斯微流量方法。
技術背景
瓦斯作為煤炭的伴生資源，在地下煤層中大量富集。煤層瓦斯含量過高會嚴重影響煤礦的安全生產。治理瓦斯危害的一個有效方法就是煤層瓦斯抽採。煤層瓦斯抽採是向煤層打入一定尺寸的鑽孔，把抽採支管放入鑽孔、封孔，然後抽採支管連入抽採總管，把煤層瓦斯抽採出來，減小煤層瓦斯含量。
考察煤層瓦斯抽採效果的一個重要指標就是瓦斯抽採量，抽採的幾個重要參數有混合流量、瓦斯濃度、溫度、負壓、瓦斯純流量等。其中混合流量與瓦斯濃度之積為瓦斯純流量。目前煤礦井下普遍使用的最精確的鑽孔瓦斯微流量測定方法是利用高精度的瓦斯抽採參數測定儀，由井下抽採特殊條件以及現有技術水平限制，該儀器實際使用中有流量測定下限。單個抽採支管內混合流量在很多情況下是小於該流量測定下限，無法測到鑽孔真實的混合流量，也就無法計算得到瓦斯抽採純流量。
單孔瓦斯抽採流量的測定有著重要意義，利用單孔流量可以對每個鑽孔的打鑽、封孔質量進行評價，通過該單孔流量可以推測煤層局部區域是否有特殊構造，把單孔流量與鑽孔打鑽過程中的現象對應起來可以進行瓦斯抽採技術分析。目前井下瓦斯抽採量的測定一般是把多個抽採支管的流量匯合起來，匯合之後的總流量大於瓦斯抽採參數測定儀的流量測定下限，以此來測定所有這些鑽孔的總流量。這樣的方法還是難以確定單孔瓦斯抽採流量，雖然該方法可以使用差值法間接得到單孔抽採流量，但是操作繁瑣、準確度低。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種測定鑽孔瓦斯微流量方法，可以準確測定單孔初始流量Q1在很小的情況下的瓦斯抽採參數，且操作簡便，速度快，對抽採系統本身幾乎不產生影響。
為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案：
在所測鑽孔單孔初始流量Q1小於瓦斯抽採參數測定儀的流量測定下限Q4時，在導流管煤壁側的抽採支管上一定距離s插入內徑為d2的引氣針管，通過引氣針管引入一部分空氣增大導流管處流量，對引氣針管尺寸、插入位置、測定時間合理確定，可以利用現有瓦斯抽採參數測定儀準確測量單孔抽採瓦斯流量。具體步驟如下：
a.把瓦斯抽採參數測定儀的測量接頭接入導流管，測定抽採支管內的初始瓦斯濃度C1。
b.在抽採支管靠近煤壁方向插入一個引氣針管，拔出引氣針管上的橡膠塞，巷道中的空氣通過引氣針管進入抽採支管增加抽採支管內混合流量，使得混合流量大於瓦斯抽採參數測定儀的流量測定下限Q4，流量讀數穩定之後測得增流後流量Q2；
c.在拔出橡膠塞一段時間t之後，測定抽採支管內的增流後瓦斯濃度C2。
d.用橡膠塞重新把引氣針管堵住以儘量減少混入空氣對抽採系統的影響，下次測量需要之時再次拔出。
e.巷道內空氣瓦斯濃度與抽採支管內的瓦斯濃度相比非常小，假設為0。由瓦斯物質量守恆，有公式Q1C1＝Q2C2，得Q3為單孔瓦斯純流量，利用Q3＝Q1C1或Q3＝Q2C2計算。
引氣針管的內徑d2由流體力學公式確定：
由得
式中，Q5：需要通過引氣針管引入抽採支管的空氣流量，一般可取Q5＝Q4；Cd：引氣針管流量係數，針對具體的針管形態，其值由實驗確定，取值一般為0.6～0.9；Δp：抽採負壓；ρ：巷道空氣密度。需要指出的是，為了便於實際應用，本發明中d2的計算可以是一個粗略值。公式中Q5、Cd、Δp、ρ在不同的場合及時間是有一定的變化，但這幾乎不影響本發明的計算精度，因為對Q1及Q3的計算並沒有直接涉及Q5。d2值的確定原則是在保證Q5不小於瓦斯抽採參數測定儀流量測定下限Q4的情況下儘量小，以減小引入氣體對抽採效果的影響。對於瓦斯抽採參數測定儀流量測定下限確定的情況，一個礦井只需要有確定一個固定的d2滿足流量測量即可。
數值模擬以及現場實測表明，通過引氣針管引入的巷道空氣進入抽採支管後向抽採總管移動20cm之後已經與抽採支管內的初始氣體基本混合均勻。在現場為了充分保證混合度，導流管與引氣針管的距離s不小於1m。
t0為引入氣體到達導流管的時間，d1為抽採支管內徑，有t大於t0,保證所測的濃度C2為引入巷道空氣混合之後的氣體瓦斯濃度。
利用引氣針管向抽採支管引入巷道空氣，理論上必然會引起抽採支管內的負壓下降。但數值模擬表明負壓下降值只有幾帕至幾十帕；並且井下實測中利用了解析度為100pa的測壓儀器對5個鑽孔進行測試，都沒有發現插入針管前後負壓值的變化。井下瓦斯抽採負壓值一般在10kpa以上，所以，數值模擬以及現場實測都證明利用該方法對實際瓦斯抽採的影響可以忽略。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖
圖2是引氣針管附近局部示意圖
圖中：1-煤壁，2-抽採支管，3-抽採總管，4-導流管，5-瓦斯抽採參數測定儀，6-測量接頭，7-引氣針管，8-橡膠塞
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
本實施例中，鑽機向煤壁1施工直徑79mm鑽孔，將抽採支管2伸入鑽孔18m進行封孔，導流管4接入抽採支管2，抽採支管2接入抽採總管3，開啟負壓抽採。
本實施例中所用的瓦斯抽採參數測定儀5的流量測定下限Q4為0.040m3/min,抽採支管2內徑d1為60mm，導流管4與引氣針管7的距離s為1.5m。
測定鑽孔瓦斯微流量方法步驟：
a.引氣針管7的內徑d2由流體力學公式確定：
由得
式中，Q5：需要通過引氣針管7引入抽採支管2的空氣流量；Cd：引氣針管7的流量係數，針對具體的針管形態，其值由實驗確定，取值一般為0.6～0.9；Δp：抽採負壓；ρ：巷道空氣密度。d2值的確定原則是在保證Q5不小於瓦斯抽採參數測定儀流量測定下限Q4的情況下儘量小，以減小引入氣體對抽採效果的影響。本實例中取Q5＝Q4＝0.040m3/min；Cd＝0.6；ρ＝1.2kg/m3；Δp＝10kpa。
計算得d2＝3.3mm。
b.瓦斯抽採參數測定儀5的測量接頭6接入導流管4，測定抽採支管2內的初始瓦斯濃度C1＝71％。
c.在抽採支管2靠近煤壁1方向插入引氣針管7，拔出引氣針管7上的橡膠塞8，巷道中的空氣通過引氣針管7進入抽採支管2增加抽採支管2內氣體流量，流量讀數穩定之後測得單孔增流後流量Q2＝0.068m3/min。
d.計算在拔出橡膠塞8最少3.8s以後，測定抽採支管2內的增流後瓦斯濃度C2＝23％。
e.用橡膠塞8重新把引氣針管7堵住以儘量減少混入空氣對抽採系統的影響，下次測量需要之時再次拔出。
f.巷道內空氣瓦斯濃度與抽採支管內的瓦斯濃度相比非常小，假設為0。Q1為抽採支管的單孔初始流量，Q3為單孔瓦斯純流量。由瓦斯物質量守恆，有公式Q1C1＝Q2C2，得利用Q3＝Q1C1或Q3＝Q2C2計算單孔瓦斯純流量為0.016m3/min。