本發(fā)明屬于瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種準(zhǔn)確測(cè)定煤礦井下鉆孔瓦斯微流量方法。

技術(shù)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(huì)嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。治理瓦斯危害的一個(gè)有效方法就是煤層瓦斯抽采。煤層瓦斯抽采是向煤層打入一定尺寸的鉆孔，把抽采支管放入鉆孔、封孔，然后抽采支管連入抽采總管，把煤層瓦斯抽采出來，減小煤層瓦斯含量。

考察煤層瓦斯抽采效果的一個(gè)重要指標(biāo)就是瓦斯抽采量，抽采的幾個(gè)重要參數(shù)有混合流量、瓦斯?jié)舛?、溫度、?fù)壓、瓦斯純流量等。其中混合流量與瓦斯?jié)舛戎e為瓦斯純流量。目前煤礦井下普遍使用的最精確的鉆孔瓦斯微流量測(cè)定方法是利用高精度的瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀，由井下抽采特殊條件以及現(xiàn)有技術(shù)水平限制，該儀器實(shí)際使用中有流量測(cè)定下限。單個(gè)抽采支管內(nèi)混合流量在很多情況下是小于該流量測(cè)定下限，無法測(cè)到鉆孔真實(shí)的混合流量，也就無法計(jì)算得到瓦斯抽采純流量。

單孔瓦斯抽采流量的測(cè)定有著重要意義，利用單孔流量可以對(duì)每個(gè)鉆孔的打鉆、封孔質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過該單孔流量可以推測(cè)煤層局部區(qū)域是否有特殊構(gòu)造，把單孔流量與鉆孔打鉆過程中的現(xiàn)象對(duì)應(yīng)起來可以進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)分析。目前井下瓦斯抽采量的測(cè)定一般是把多個(gè)抽采支管的流量匯合起來，匯合之后的總流量大于瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀的流量測(cè)定下限，以此來測(cè)定所有這些鉆孔的總流量。這樣的方法還是難以確定單孔瓦斯抽采流量，雖然該方法可以使用差值法間接得到單孔抽采流量，但是操作繁瑣、準(zhǔn)確度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種測(cè)定鉆孔瓦斯微流量方法，可以準(zhǔn)確測(cè)定單孔初始流量Q₁在很小的情況下的瓦斯抽采參數(shù)，且操作簡(jiǎn)便，速度快，對(duì)抽采系統(tǒng)本身幾乎不產(chǎn)生影響。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

在所測(cè)鉆孔單孔初始流量Q₁小于瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀的流量測(cè)定下限Q₄時(shí)，在導(dǎo)流管煤壁側(cè)的抽采支管上一定距離s插入內(nèi)徑為d₂的引氣針管，通過引氣針管引入一部分空氣增大導(dǎo)流管處流量，對(duì)引氣針管尺寸、插入位置、測(cè)定時(shí)間合理確定，可以利用現(xiàn)有瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀準(zhǔn)確測(cè)量單孔抽采瓦斯流量。具體步驟如下：

a.把瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀的測(cè)量接頭接入導(dǎo)流管，測(cè)定抽采支管內(nèi)的初始瓦斯?jié)舛菴₁。

b.在抽采支管靠近煤壁方向插入一個(gè)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(jìn)入抽采支管增加抽采支管內(nèi)混合流量，使得混合流量大于瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀的流量測(cè)定下限Q₄，流量讀數(shù)穩(wěn)定之后測(cè)得增流后流量Q₂；

c.在拔出橡膠塞一段時(shí)間t之后，測(cè)定抽采支管內(nèi)的增流后瓦斯?jié)舛菴₂。

d.用橡膠塞重新把引氣針管堵住以盡量減少混入空氣對(duì)抽采系統(tǒng)的影響，下次測(cè)量需要之時(shí)再次拔出。

e.巷道內(nèi)空氣瓦斯?jié)舛扰c抽采支管內(nèi)的瓦斯?jié)舛认啾确浅Ｐ?，假設(shè)為0。由瓦斯物質(zhì)量守恒，有公式Q₁C₁＝Q₂C₂，得Q₃為單孔瓦斯純流量，利用Q₃＝Q₁C₁或Q₃＝Q₂C₂計(jì)算。

引氣針管的內(nèi)徑d₂由流體力學(xué)公式確定：

由得

式中，Q₅：需要通過引氣針管引入抽采支管的空氣流量，一般可取Q₅＝Q₄；C_d：引氣針管流量系數(shù)，針對(duì)具體的針管形態(tài)，其值由實(shí)驗(yàn)確定，取值一般為0.6～0.9；Δp：抽采負(fù)壓；ρ：巷道空氣密度。需要指出的是，為了便于實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明中d₂的計(jì)算可以是一個(gè)粗略值。公式中Q₅、C_d、Δp、ρ在不同的場(chǎng)合及時(shí)間是有一定的變化，但這幾乎不影響本發(fā)明的計(jì)算精度，因?yàn)閷?duì)Q₁及Q₃的計(jì)算并沒有直接涉及Q₅。d₂值的確定原則是在保證Q₅不小于瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀流量測(cè)定下限Q₄的情況下盡量小，以減小引入氣體對(duì)抽采效果的影響。對(duì)于瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀流量測(cè)定下限確定的情況，一個(gè)礦井只需要有確定一個(gè)固定的d₂滿足流量測(cè)量即可。

數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，通過引氣針管引入的巷道空氣進(jìn)入抽采支管后向抽采總管移動(dòng)20cm之后已經(jīng)與抽采支管內(nèi)的初始?xì)怏w基本混合均勻。在現(xiàn)場(chǎng)為了充分保證混合度，導(dǎo)流管與引氣針管的距離s不小于1m。

t₀為引入氣體到達(dá)導(dǎo)流管的時(shí)間，d₁為抽采支管內(nèi)徑，有t大于t₀,保證所測(cè)的濃度C₂為引入巷道空氣混合之后的氣體瓦斯?jié)舛取?/p>

利用引氣針管向抽采支管引入巷道空氣，理論上必然會(huì)引起抽采支管內(nèi)的負(fù)壓下降。但數(shù)值模擬表明負(fù)壓下降值只有幾帕至幾十帕；并且井下實(shí)測(cè)中利用了分辨率為100pa的測(cè)壓儀器對(duì)5個(gè)鉆孔進(jìn)行測(cè)試，都沒有發(fā)現(xiàn)插入針管前后負(fù)壓值的變化。井下瓦斯抽采負(fù)壓值一般在10kpa以上，所以，數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)都證明利用該方法對(duì)實(shí)際瓦斯抽采的影響可以忽略。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是引氣針管附近局部示意圖

圖中：1-煤壁，2-抽采支管，3-抽采總管，4-導(dǎo)流管，5-瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀，6-測(cè)量接頭，7-引氣針管，8-橡膠塞

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本實(shí)施例中，鉆機(jī)向煤壁1施工直徑79mm鉆孔，將抽采支管2伸入鉆孔18m進(jìn)行封孔，導(dǎo)流管4接入抽采支管2，抽采支管2接入抽采總管3，開啟負(fù)壓抽采。

本實(shí)施例中所用的瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀5的流量測(cè)定下限Q₄為0.040m³/min,抽采支管2內(nèi)徑d₁為60mm，導(dǎo)流管4與引氣針管7的距離s為1.5m。

測(cè)定鉆孔瓦斯微流量方法步驟：

a.引氣針管7的內(nèi)徑d₂由流體力學(xué)公式確定：

由得

式中，Q₅：需要通過引氣針管7引入抽采支管2的空氣流量；C_d：引氣針管7的流量系數(shù)，針對(duì)具體的針管形態(tài)，其值由實(shí)驗(yàn)確定，取值一般為0.6～0.9；Δp：抽采負(fù)壓；ρ：巷道空氣密度。d₂值的確定原則是在保證Q₅不小于瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀流量測(cè)定下限Q₄的情況下盡量小，以減小引入氣體對(duì)抽采效果的影響。本實(shí)例中取Q₅＝Q₄＝0.040m³/min；C_d＝0.6；ρ＝1.2kg/m³；Δp＝10kpa。

計(jì)算得d₂＝3.3mm。

b.瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定儀5的測(cè)量接頭6接入導(dǎo)流管4，測(cè)定抽采支管2內(nèi)的初始瓦斯?jié)舛菴₁＝71％。

c.在抽采支管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(jìn)入抽采支管2增加抽采支管2內(nèi)氣體流量，流量讀數(shù)穩(wěn)定之后測(cè)得單孔增流后流量Q₂＝0.068m³/min。

d.計(jì)算在拔出橡膠塞8最少3.8s以后，測(cè)定抽采支管2內(nèi)的增流后瓦斯?jié)舛菴₂＝23％。

e.用橡膠塞8重新把引氣針管7堵住以盡量減少混入空氣對(duì)抽采系統(tǒng)的影響，下次測(cè)量需要之時(shí)再次拔出。

f.巷道內(nèi)空氣瓦斯?jié)舛扰c抽采支管內(nèi)的瓦斯?jié)舛认啾确浅Ｐ。僭O(shè)為0。Q₁為抽采支管的單孔初始流量，Q₃為單孔瓦斯純流量。由瓦斯物質(zhì)量守恒，有公式Q₁C₁＝Q₂C₂，得利用Q₃＝Q₁C₁或Q₃＝Q₂C₂計(jì)算單孔瓦斯純流量為0.016m³/min。