煤層瓦斯測壓下向鉆孔自動排水實驗裝置研制

徐毅豪，秦汝祥,2，賈明樂，劉忠平，張成功

(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.煤炭安全精準(zhǔn)開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，安徽 淮南 232000；3.陜西開拓新礦業(yè)工程有限公司，陜西 西安 710000)

受井下地質(zhì)構(gòu)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(dǎo)致下向測壓鉆孔積水[4]，容易在測壓管內(nèi)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(jié)果的影響是下向測壓鉆孔精準(zhǔn)測壓的重要環(huán)節(jié)。

為了解決下向鉆孔積水導(dǎo)致測壓精度不足這一難題，國內(nèi)學(xué)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(fù)曲線的特征為基礎(chǔ)，采用結(jié)果修正法，消除水對下向鉆孔測壓結(jié)果的影響。潘思東等[6]根據(jù)實際應(yīng)用，補充說明了水對瓦斯壓力恢復(fù)曲線的影響；王亮等[7]利用COMSOL軟件建立二維平面應(yīng)變模型，模擬排除水對下向孔測壓影響。修正模擬后的結(jié)果可作為測壓結(jié)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(fù)雜、周期長、成功率低、精準(zhǔn)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(jié)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(jié)果的影響。劉洋等[10]應(yīng)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(shù)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(xiàn)場技術(shù)人員缺乏合理的標(biāo)準(zhǔn)判定測量結(jié)果的準(zhǔn)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(jié)果的影響。

3)第三類是基于壓風(fēng)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(fēng)排水；陳虎等[17]提出采用周期集中排水的方法，將鉆孔內(nèi)積水排出；柏發(fā)松等[18]采用定時單孔分組進行排水；曹陽等[19]設(shè)計了一種需要確定排水周期的下向孔排水裝置。

現(xiàn)有的排水技術(shù)與裝置可以實現(xiàn)排水，改善了下向鉆孔測壓效果。然而，多數(shù)研究主要基于壓風(fēng)排水原理實現(xiàn)排水[16-19]，實施過程中無法掌握下向鉆孔測壓氣室內(nèi)的水量情況，且需要人工定期排水，工序復(fù)雜，成本高。為消除下向測壓鉆孔內(nèi)積水對測壓結(jié)果的影響，在分析現(xiàn)有下向鉆孔排水技術(shù)與裝置的基礎(chǔ)上，基于氣體壓力差與毛細作用力原理，設(shè)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(shù)方法，分析了有機硅膠膜彈性形變與測壓氣室內(nèi)水位高度的定量關(guān)系，確定了最優(yōu)排水區(qū)間，實現(xiàn)了連續(xù)緩慢排水。

1 自動排水裝置設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)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(gòu)成，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 自動排水裝置結(jié)構(gòu)關(guān)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(xiàn)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(nèi)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(dāng)水位達到排水區(qū)間(hmin,hmax)內(nèi)，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(xiàn)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(diào)節(jié)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(nèi)部中空，豎直布置，腔體具體幾何尺寸與形狀可根據(jù)工程實際進行設(shè)計選用。腔體上部連接測壓管，以使腔內(nèi)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(cè)受力不均發(fā)生形變，呈現(xiàn)出膜與管口“接觸—閉合—接觸—……”的“呼吸”循環(huán)現(xiàn)象，其具體的“呼吸”原理如圖5所示。

圖5 膜的“呼吸”動態(tài)循環(huán)原理

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

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

3)當(dāng)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(nèi)積水增多，排水管再次打開，如此往復(fù)，實現(xiàn)測壓鉆孔的自動連續(xù)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(tài)，不會發(fā)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(xué)惰性、防水性、耐溫性等多方面性能均較優(yōu)。

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(nèi)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(fù)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(jù)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(fā)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(guān)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(jié)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(guān)系。從圖8中可看出，膜越薄，其隨水位變化產(chǎn)生的形變越明顯。但在實際應(yīng)用中，筆者發(fā)現(xiàn)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。

3 自動排水試驗

3.1 排水區(qū)間推導(dǎo)

在設(shè)計研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆孔內(nèi)水位必須達到相應(yīng)的閾值區(qū)間時，才可利用氣壓差將鉆孔中的水壓出，因此進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，界定排水閾值區(qū)間。

3.1.1 最高水位

鉆孔內(nèi)水位不能超過測壓管的花管部分，否則積水會進入測壓管，導(dǎo)致測壓失敗。在水位到達測壓管花管部分前，且不影響其測壓進程的情況下，存在最高水位hmax。

3.1.2 最低水位

如圖9所示，鉆孔內(nèi)水位高度為h；在內(nèi)外壓力差的作用下，水位在排水管中的上升高度為hp；因為排水管采用毛細管束組，所以水位又會在毛細作用力的作用下再上升一段高度,為hδ。

圖9 排水區(qū)間推導(dǎo)示意圖

如果要排出鉆孔內(nèi)的積水，就必須使h+hp+hδ≥H，且當(dāng)h+hp+hδ=H時，h即為最小值，記為hmin。推導(dǎo)如下：

(1)

(2)

H=Lsinα

(3)

hmin+hp+hδ=H

(4)

將式(1)、(2)、(3)代入式(4)得：

(5)

式中：p為鉆孔內(nèi)氣壓，Pa;p0為外界大氣壓，Pa;ρ為鉆孔內(nèi)水的密度，取103kg/m3;g為重力加速度，取10 m/s2;D為毛細管內(nèi)徑，mm;H為水位總高度，m；L為鉆孔長度,m;α為鉆孔傾角，(°)。

綜上所述，合理排水區(qū)間為(hmin,hmax)，在此區(qū)間內(nèi)自動排水模塊打開，實現(xiàn)排水。

3.2 模型試驗

制作實物仿真模型，模擬測壓氣室進行試驗，如圖10所示。

圖10 實物仿真模型

使用亞克力管模擬測壓氣室，管體內(nèi)置自動排水模塊，測壓管和排水管，管體上端封口，形成密閉空間，外接有氣泵、水泵，并設(shè)置模擬條件如下：

1)模擬鉆孔空間內(nèi)溫度恒定；

2)水泵控制滲入模型內(nèi)部的水位高度；

3)氣泵控制模型內(nèi)部氣壓模擬測壓氣室氣壓。

3.3 試驗結(jié)果

1)為驗證排水可行性，對式(5)進一步推導(dǎo)驗算，得出：當(dāng)設(shè)定煤層壓力0.1 MPa、下向鉆孔長度L≤10 m、鉆孔傾角α取值為5°≤|α|≤90°[20]時，利用氣壓差與毛細作用力排水高度可達11.5 m，大于鉆孔垂直高度，可將水排出鉆孔，如圖11所示。

圖11 排水可行性

2)排水速度驗證：實物仿真模型模擬的排水試驗結(jié)果見表2。

表2 排水試驗測試結(jié)果

測壓氣室氣壓可根據(jù)實際情況進行模擬調(diào)整，排水持續(xù)整個試驗加壓過程，該裝置能較好地實現(xiàn)連續(xù)緩慢排水的目標(biāo)。在工程現(xiàn)場應(yīng)用時，其管徑、毛細管束組等條件應(yīng)視具體情況而定。

4 結(jié)論

1)基于氣體壓力差和毛細作用力原理，在排水區(qū)間(hmin,hmax)內(nèi)，以水位壓差作為因變量控制自動排水模塊打開，能夠?qū)崿F(xiàn)自動連續(xù)排水。

2)設(shè)定測壓氣室氣壓為0.152×105Pa，排水管管徑為15 mm，毛細管內(nèi)徑為0.2 mm、數(shù)量為950根時，排水速度為0.444 3 cm3/s。

3)當(dāng)鉆場下方有煤層時，可通過施工下向鉆孔實現(xiàn)瓦斯測壓，可提高鉆孔利用率，減少巷道和鉆場工程量。