CN109630100B - 一种自动化煤层渗透性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种自动化煤层渗透性测试装置及方法，装置包括测压管和自动测试模块，自动测试模块包括装置外壳以及设置于装置外壳内的带有数据记录和传输功能的气体压力表、带有数据记录和传输功能的气体流量表、控制单元、电磁流量阀及电源，装置外壳的壳体上设有气体入口、气体出口、输入装置、数据输出接口和显示屏；气体压力表与气体入口和电磁流量阀均通过耐压管连接，气体流量表与电磁流量阀和气体出口均通过耐压管连接，控制单元与气体压力表、气体流量表、电磁流量阀、电源、输入装置、数据输出接口和显示屏都通过导线连接；测压管通过耐压管Ⅰ连接到装置外壳的气体入口。本发明实现了煤层渗透性的自动化、精准测试，提高了煤层渗透性测试的效率。

Description

一种自动化煤层渗透性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种自动化煤层渗透性测试装置及方法，属于矿山安全领域。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，约占一次能源构成的60％左右。瓦斯，是煤炭开采过程中的伴生物，是严重威胁煤矿安全生产的主要因素之一。瓦斯灾害每年都造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。在煤炭资源开采之前将煤层中的瓦斯抽采出来并加以利用，不但可以保障煤炭资源的安全开采、促进煤矿瓦斯这一高效洁净能源的利用，同时还可以保护大气环境，实现“安全、能源、环境”三重效益。

控制瓦斯抽采效果的关键因素是煤层渗透率，其反映了瓦斯在压力差作用下，通过煤层的难易程度。

传统的煤矿井下煤层渗透性测试方法十分繁琐复杂，多步测试流程需要多套设备完成，相应地，就需要多位操作人员进行处理，这对于采矿业的自动化与智能化趋势背道而驰。此外，还有一种在地面实验室内测试小型煤样渗透率的方法，但其测试装置及方法均属于模拟性质的，是在非现场环境下进行的试验操作，且由于小型煤样与煤层尺度差距太大，该方法获得渗透率的真实性和准确性始终与实际情况存在一定的误差。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种自动化煤层渗透性测试装置及方法，不仅能够高效、自动化地完成煤层渗透性的测试，更能直接应用于煤矿井下实际工况，测试过程实时，测试结果精准。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种自动化煤层渗透性测试装置，包括测压管和自动测试模块，所述的自动测试模块包括装置外壳以及设置于装置外壳内的带有数据记录和传输功能的气体压力表、带有数据记录和传输功能的气体流量表、控制单元、电磁流量阀及电源，装置外壳的壳体上还设有气体入口、气体出口、输入装置、数据输出接口和显示屏；气体压力表与气体入口和电磁流量阀均通过耐压管连接，气体流量表与电磁流量阀和气体出口也均通过耐压管连接，控制单元与气体压力表、气体流量表、电磁流量阀、电源、输入装置、数据输出接口和显示屏都通过导线连接；测压管的末端通过耐压管Ⅰ连接到装置外壳的气体入口。

一种利用自动化煤层渗透性测试装置进行煤层渗透率测试的方法，包括以下步骤：步骤1)施工垂直于测试煤层的穿层钻孔，将测压管插入穿层钻孔内并密封钻孔；步骤2)通过输入装置完成测试煤层特征参数与钻孔流量测试时间的预设；步骤3)开始自动测试煤层瓦斯压力，控制单元发出指令，关闭电磁流量阀，钻孔内瓦斯压力逐步上升；判断24小时内瓦斯压力读数变化是否小于0.1MPa，若否，则继续执行关闭电磁流量阀指令，若是，则执行步骤4)；步骤4)控制单元发出指令，打开电磁流量阀，测试钻孔瓦斯流量；判断测试时间是否达到预设时间，若否，则继续执行打开电磁流量阀指令，若是，则执行步骤5)；步骤5)由控制单元整合预设煤层特征参数、瓦斯压力与瓦斯流量数据，利用渗透性算法计算并输出煤层渗透性结果。相比现有技术，本发明的一种自动化煤层渗透性测试装置及方法，通过气体压力表、气体流量表、电磁流量阀和控制单元的巧妙设计和配合，实现了煤层渗透性的自动化测试，一套装备即可完成煤层瓦斯压力和钻孔瓦斯流量的测定以及煤层渗透性的计算，解决了传统技术步骤繁琐、耗费人力等问题，提高了煤层渗透性测试的效率，有助于推动采矿业向自动化与智能化方向发展。本发明更能直接应用于煤矿井下实际工况，测试过程实时，测试结果精准。本发明的自动化煤层渗透性测试装置还适用范围广，能适应不同赋存条件煤层的渗透性测试。此外，本发明的自动化煤层渗透性测试装置结构简单，操作方便，制造成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一个实施例在应用中的结构示意图。

图2为本发明实施例中自动测试模块的内部结构示意图

图3为本发明实施例的测试方法的流程图。

图中：01、穿层钻孔，02、测试煤层，1、测压管，2、耐压管Ⅰ2，3、气体入口，4、气体压力表，5、气体出口，6、气体流量表，7、输入装置，8、数据输出接口，9、显示屏，10、控制单元，11、电磁流量阀，12、电源，13、耐压管Ⅱ，14、耐压管Ⅲ，15、耐压管Ⅳ，16、耐压管Ⅴ，17、导线Ⅰ，18、导线Ⅱ18，19、导线Ⅲ，20、导线Ⅳ，21、导线Ⅴ，22、导线Ⅵ，23、导线Ⅶ，24、装置外壳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1至图3示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1和图2中的一种自动化煤层渗透性测试装置，包括测压管1和自动测试模块，所述的自动测试模块包括装置外壳24以及设置于装置外壳24内的带有数据记录和传输功能的气体压力表4、带有数据记录和传输功能的气体流量表6、控制单元10、电磁流量阀11及电源12，其中带有数据记录和传输功能的气体压力表4与带有数据记录和传输功能的气体流量表6，是在普通的数字气体压力表和数字气体流量表内增设了数据存储模块和数据传输模块，数据存储模块与表自身的数据读取模块相连，再通过数据传输模块传送至控制单元10，装置外壳24的壳体上还设有气体入口3、气体出口5、输入装置7、数据输出接口8和显示屏9；气体压力表4与气体入口3和电磁流量阀11分别通过耐压管Ⅱ13和耐压管Ⅲ14连接，气体流量表6与电磁流量阀11和气体出口5也分别通过耐压管Ⅳ15和耐压管Ⅴ16连接，控制单元10与气体压力表4、气体流量表6、电磁流量阀11、电源12、输入装置7、数据输出接口8和显示屏9分别通过导线Ⅰ17、导线Ⅲ19、导线Ⅱ18、导线Ⅳ20、导线Ⅵ23、导线Ⅶ22和导线Ⅴ21连接；测压管1的末端通过快接插头与耐压管Ⅰ2连接，耐压管Ⅰ2再通过快接插头连接到气体入口3。

参见图3，本发明测试煤层渗透率的方法，包括以下步骤：

步骤1)施工垂直于测试煤层02的穿层钻孔01，将测压管1插入穿层钻孔01内并密封钻孔；

步骤2)通过输入装置7完成测试煤层特征参数与钻孔流量测试时间的预设；

步骤3)开始自动测试煤层瓦斯压力，控制单元10发出指令，关闭电磁流量阀11，穿层钻孔01内瓦斯压力逐步上升；判断24小时内瓦斯压力读数变化是否小于0.1MPa，若否，则继续执行关闭电磁流量阀11指令，若是，则执行步骤4)；

步骤4)控制单元10发出指令，打开电磁流量阀11，测试钻孔瓦斯流量；判断测试时间是否达到预设时间，若否，则继续执行打开电磁流量阀11指令，若是，则执行步骤5)；

步骤5)由控制单元10整合预设煤层特征参数、瓦斯压力与瓦斯流量数据，利用渗透性算法计算并输出煤层渗透性结果。

公知的，渗透性算法如下：首先计算预设排放时间t时刻钻孔单位面积煤壁上的瓦斯涌出量

其中Q为预设排放时间t时刻测试获得的钻孔瓦斯流量，π为圆周率，r为预设的煤层特征参数，即钻孔半径，L为预设的煤层特征参数，即煤层厚度。进而计算参数

和

其中p为测试获得的煤层瓦斯压力，p_air为预设的煤层特征参数，即测试地点的空气压力，α为预设的煤层特征参数，即煤层的瓦斯含量系数。

6个判断公式：

(1)F₀＝10^-2～1

(2)F₀＝1～10

(3)F₀＝10～10²

(4)F₀＝10²～10³

(5)F₀＝10³～10⁵

(6)F₀＝10⁵～10⁷

校验公式：F₀＝ξλ

渗透率k计算公式：k＝λ/40

任选一个判断公式，带入参数ω和ξ计算λ；进而将λ和ξ带入校验公式计算F₀，若计算获得的F₀符合所使用的判断公式要求，则利用渗透率计算公式即可计算得到煤层渗透率；若计算获得的F₀不符合所使用的判断公式要求，则在剩余的判断公式中任选一个，重复上述步骤，直至计算获得的F₀符合所使用的判断公式要求，则利用渗透率计算公式即可计算得到煤层渗透率。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过气体压力表4、气体流量表6、电磁流量阀11和控制单元10的巧妙设计和配合，实现了煤层渗透性的自动化测试，一套装备即可完成煤层瓦斯压力和钻孔瓦斯流量的测定以及煤层渗透性的计算，解决了传统技术步骤繁琐、耗费人力等问题，提高了煤层渗透性测试的效率，有助于推动采矿业向自动化与智能化方向发展。

(2)本发明的自动化煤层渗透性测试装置适用范围广，能适应不同赋存条件煤层的渗透性测试。

(3)本发明的自动化煤层渗透性测试装置结构简单、操作方便、制造成本低。

(4)本发明直接应用于煤矿井下实际工况，测试过程实时，测试结果精准。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自动化煤层渗透性测试装置，其特征是：包括测压管(1)和自动测试模块，所述的自动测试模块包括装置外壳(24)以及设置于装置外壳(24)内的带有数据记录和传输功能的气体压力表(4)、带有数据记录和传输功能的气体流量表(6)、控制单元(10)、电磁流量阀(11)及电源(12)，装置外壳(24)的壳体上还设有气体入口(3)、气体出口(5)、输入装置(7)、数据输出接口(8)和显示屏(9)；气体压力表(4)与气体入口(3)和电磁流量阀(11)分别通过耐压管Ⅱ(13)和耐压管Ⅲ(14)连接，气体流量表(6)与电磁流量阀(11)和气体出口(5)分别通过耐压管Ⅳ(15)和耐压管Ⅴ(16)连接，控制单元(10)与气体压力表(4)、气体流量表(6)、电磁流量阀(11)、电源(12)、输入装置(7)、数据输出接口(8)和显示屏(9)分别通过导线Ⅰ(17)、导线Ⅲ(19)、导线Ⅱ(18)、导线Ⅳ(20)、导线Ⅵ(23)、导线Ⅶ(22)和导线Ⅴ(21)连接；测压管(1)的末端通过快接插头与耐压管Ⅰ(2)，耐压管Ⅰ(2)再通过快捷插头连接到装置外壳(24)的气体入口(3)。

2.根据权利要求1所述的一种自动化煤层渗透性测试装置，其特征在于：所述的测压管(1)与耐压管Ⅰ(2)之间以及耐压管Ⅰ(2)与气体入口(3)之间都是通过快接插头连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种自动化煤层渗透性测试装置，其特征在于：所述自动测试模块的装置外壳(24)为防爆外壳。

4.一种利用权利要求1至3任一项所述自动化煤层渗透性测试装置进行煤层渗透率测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)施工垂直于测试煤层(02)的穿层钻孔(01)，将测压管(1)插入穿层钻孔(01)内并密封钻孔；

步骤2)通过输入装置(7)完成测试煤层特征参数与钻孔流量测试时间的预设；

步骤3)开始自动测试煤层瓦斯压力，控制单元(10)发出指令，关闭电磁流量阀(11)，钻孔内瓦斯压力逐步上升；判断24小时内瓦斯压力读数变化是否小于0.1MPa，若否，则继续执行关闭电磁流量阀(11)指令，若是，则执行步骤4)；

步骤4)控制单元(10)发出指令，打开电磁流量阀(11)，测试钻孔瓦斯流量；判断测试时间是否达到预设时间，若否，则继续执行打开电磁流量阀(11)指令，若是，则执行步骤5)；

步骤5)由控制单元(10)整合预设煤层特征参数、瓦斯压力与瓦斯流量数据，利用渗透性算法计算并输出煤层渗透性结果；

其中，步骤5)采用如下方法计算煤层渗透率：

首先计算预设排放时间t时刻钻孔单位面积煤壁上的瓦斯涌出量

其中Q为预设排放时间t时刻测试获得的钻孔瓦斯流量，π为圆周率，r为钻孔半径，L为煤层厚度；

然后计算参数

和参数

其中p为测试获得的煤层瓦斯压力，p_air为测试地点的空气压力，α为煤层的瓦斯含量系数；

然后在6组判断公式中，任选一组判断公式，代入参数ω和参数ξ计算λ，并将λ和ξ带入校验公式计算F₀，若计算获得的F₀不符合所选取的判断公式要求，则在剩余的判断公式中任选一组，重复上述操作，直至计算获得的F₀符合所选取的判断公式要求，则利用渗透率计算公式即可计算得到煤层渗透率；

判断公式为

(1)F₀＝10^-2～1

(2)F₀＝1～10

(3)F₀＝10～10²

(4)F₀＝10²～10³

(5)F₀＝10³～10⁵

(6)F₀＝10⁵～10⁷

校验公式为，F₀＝ξλ；

煤层渗透率k计算公式为，k＝λ/40。

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