煤层瓦斯测压中钻孔密封技术创新

齐黎明,谢凯熙,关联合,王声远

(1.华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201;2.开滦(集团)有限责任公司,河北 唐山 063018)

0 引言

煤层瓦斯压力是矿井瓦斯灾害防治的关键参数,在煤层瓦斯地质图编制、瓦斯风化带下界深度确定、煤与瓦斯突出危险性鉴定和煤与瓦斯突出危险性区域预测等矿井瓦斯治理工程实践中均有应用。煤层瓦斯压力还是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力、瓦斯动力现象潜能的重要参数[1-3]。

基于煤层瓦斯压力参数的重要性,国家出台了AQ/T 1047 -2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》,很多专家学者和现场工程技术人员也对直接测定煤层瓦斯压力技术进行了研究,研究成果主要体现在封孔方法[4-5]、封孔材料[7-9]及含水地层测压技术[10,11]等方面。

随着矿井开采深度的增加和煤矿安全生产标准的提升,仅依靠机械压力表读取钻孔瓦斯压力数据,已经不能满足时代需要。亟需对钻孔气体参数采取多种监测手段,并预留补气口(便于实现主动式测压);为实现上述功能,需要一个密封可靠并具有多个接口的测压钻孔孔外导气管连接装置。

利用具有多个接口的测压钻孔孔外导气管连接装置既可以补气,实现主动式测压,又能借助不同仪器仪表采集钻孔气体数据(包括压力、温度及浓度等),甚至远程传输数据。在公开的文献资料中,尚未查到上述研究成果。本文对测压钻孔孔外导气管连接装置进行了设计、组装及气密性实验,并确定了最优方法。

1 孔外导气管连接装置的设计组装与检测方案

1.1 孔外导气管连接装置的设计与组装

孔外导气管连接装置主要由压力表、球阀、传感器和四通组成,具体设计方案如图1所示。

1—气瓶;2—胶管;3—球阀(1);4—压力表;5—球阀(2);6—四通;7—传感线;8—传感器图1 孔外导气管连接装置设计图

1.2 孔外导气管气密性检测方案

气密性检测实验方案:①关闭球阀2。②缓慢拧开氧气瓶阀门,打开球阀1,当传感器表盘达到4MPa时关闭氧气瓶阀门,关闭球阀1。③把孔外导气管连接装置放置水中,全部没入水面。④观察传感器和机械压力表的数值变化。⑤观察水面变化是否有水泡冒出。⑥打开球阀2,放气。

2 孔外导气管连接装置气密性探究

市面上的四通和球阀主要分为三种材质:铸铁、铝合金和黄铜,经过调研三种材质的零件气密性:黄铜、铝合金、铸铁,因此本实验的四通和球阀都选用黄铜材质的零件,现将零件按照图1组装,然后按照气密性检测方案里的步骤进行实验,实验结果压力数据见表1。

表1 黄铜孔外导气管连接装置的压力数据

由表1可知压力在22min内从4MPa快速降到0MPa,由图2可知压力曲线快速下降趋近于直线型,说明单纯用零件组装成的孔外导气管连接装置气密性不足。在进行气密性检测方案步骤⑤时,水面都会冒出一连串的大气泡,也说明气密性不足,需要用密封材料提升孔外导气管连接装置的气密性。

图2 黄铜孔外导气管连接装置的压力数据曲线

首先笔者利用固体生料带提升孔外导气管连接装置的气密性,在四通与球阀、压力表和传感器连接口处缠上固体生料带,重复气密性检测方案实验步骤,压力数据见表2。

表2 固体生料带孔连连接器的压力数据

在进行气密性检测方案步骤⑤时时发现水面间断性的冒出小水泡,表2中的压力数据从4MPa降到0MPa用了40min,相比于上一代设备时间有所延长,图3压力数据曲线出现了几个小缓坡,但大体上还是趋向于直线型,说明用固体生料带密封的孔外导气管连接装置气密性有所提升但还达不到应用要求。

图3 固体生料带孔连连接器的压力数据曲线

根据调研水暖的连接口处用的是固体生料带和麻草,于是笔者用固体生料带和麻草来密封零件的连接口处,重复实验步骤,压力数据见表3。

表3 固体生料带和麻草孔外导气管连接装置的压力数

在进行气密性检测方案步骤⑤时发现水面又连续冒出大的水泡,表3中的压力数据从4MPa降到0MPa只用了25min,图4压力数据曲线相比于上一代设备小缓坡消失,更加趋向于直线型,说明用固体生料带和麻草的密封连接口处方式并没有提升孔外导气管连接装置的气密性,反而气密性还不如使用固体生料带密封。

图4 固体生料带和麻草孔外导气管连接装置的压力数据曲线

后来再根据多方调研得知在用麻草缠绕连接口之前需要把麻草浸湿,笔者用固体生料带和湿麻草密封孔外导气管连接装置的连接口处,重复密性检测方案步骤,在进行气密性检测方案步骤⑤时发现,没有气泡从水面冒出,于是观察机械压力表和传感器数据改为每小时观察一次。压力数据见表4。

表4 固体生料带和湿麻草孔外导气管连接装置的压力数据

由表4可知压力数据在24h内只下降了0.1MPa 并没有像前几代设备短时间内下降到0MPa,图5中数据压力曲线呈Z字型,可知生料带和湿麻草密封的孔外导气管连接装置气密性大大提高,基本满足实验要求。但通过实验发现,长时间放置装置湿麻草会变干,最后导致孔外导气管连接装置漏气,唯一的解决方法是把整套装置浸泡在水中,使麻草保持湿润膨胀状态。这种密封方式虽然保证了气密性,但因为井下情况复杂钻孔过高,使得此方法在井下难以应用。于是笔者又找到了液体生料带密封孔外导气管连接装置,把液体生料带均匀的涂在连接口的内丝与外丝,拧紧连接口,静置12h,等到液体生料带完全凝固之后,再重复实验步骤,在进行气密性检测方案步骤⑤时发现,没有气泡从水面冒出,每间隔1h 观察一次机械压力表和传感器,压力数据见表5。

表5 液体生料带孔外导气管连接装置的压力数据

由表5数据可知经过48h的观察压力没有丝毫下降说明用液体生料带密封的孔外导气管连接装置有很好的气密性。而且不用一直泡在水中,只要等到液体生料带完全凝固之后就可以使用,在实际应用时只需在地面提前把孔外导气管连接装置用液体生料带密封好,等到液体生料带凝固,直接把设备带到井下就可以应用,简单方便,但随之笔者发现了用液体生料密封的弊端,当设备使用完成时将无法拆卸或者很难弄拆卸,拆卸需要用喷枪烧烤设备使液体生料带融化,使得拆卸下来的零件大部分损坏,而且井下因为瓦斯浓度过高,无法用火,所以使用液体生料带密封的孔外导气管连接装置在井下无法拆卸,只能一次使用,这就使得测量瓦斯压力成本大大提高。

为了能有一款方便实用且性价比高的孔外导气管连接装置,笔者又经过多次调研和实验最终利用密封圈和四氟垫来提升装置的气密性,在四通与球阀的连接处的内丝里面垫入密封圈,然后拧紧,在四通与机械压力表和传感线处套上四氟垫拧紧,组装完成,进行气密性检测方案,实验步骤⑤时水面没有气泡冒出,每间隔1h观察一次机械压力表和传感器,压力数据见表6。

表6 四氟垫和密封圈孔外导气管连接装置的压力数据

由表6数据可知经过长达72h的观察压力曲线同样没有丝毫下降说明利用四氟垫和密封圈密封的孔外导气管连接装置有极高的气密性,而且密封圈和四氟垫的密封方法非常简单,且价格低廉,安装上去的零件随时可根据实际情况拆卸,能进行多次使用,方便的同时也大大降低了成本。至此笔者利用黄铜材质四通和球、机械压力表、数字传感器、密封圈和四氟垫组装成了气密性最高的且方便实用成本低廉的孔外导气管连接装置。

3 应用

当地面实验孔外导气管连接装置整体的气密性符合标准时,把氧气瓶与胶管连接处拆分,把整套孔外导气管连接装置运送到井下后,1号球阀连接补气装置,2号球阀连接钻孔外管道,连接完成后打开1号和2号球阀,当补气完成后,关闭1号球阀,主动主动式测压就可以正常进行。如果发现钻孔有水可以通过打开球阀1来排水。

如果井下有环网交换机,还可以利用环网交换机把数字传感器的信号转换到地面,对测压钻孔瓦斯压力实施远程、实时在线监测,精准、高效获取钻孔瓦斯压力数据,具体如图6所示。

图6 瓦斯压力远程监控系统

4 结论

(1) 利用黄铜材质的四通和球阀、机械压力表、数字传感、四氟垫和密封圈组装出气密性极高的孔外导气管连接装置,在钻孔密封良好的情况下,大大提升了直接测压法的准确率。

(2) 相比于传统的测压钻孔孔外导气管连接装置,本连接器利用四通实现多接口连接上了数字传感器,提升了测压准确率,降低了因角度问题和钻孔过高所引起的读数困难,方便读数,并且此装置还具有排放钻孔积水的功能。

(3) 此孔外导气管连接装置,既可以主动式测压,又可以被动式测压,实现一孔双测。