煤层瓦斯测压中钻孔密封技术创新.pdf

收稿日期：作者简介：齐黎明（），男，安徽安庆人，工学博士，华北科技学院教授，研究方向：安全工程。：移动扫码阅读：齐黎明，谢凯熙，关联合，王声远 煤层瓦斯测压中钻孔密封技术创新 华北科技学院学报，（）：，（）：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（华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊；开滦（集团）有限责任公司，河北 唐山）摘 要：针对瓦斯测压过程中钻孔孔外导气连接装置气密性不足、操作不方便和功能单一等问题，研发了一种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。首先，对测压钻孔孔外导气管连接装置进行了设计，然后制定了气密性检测实验方案，并提出了用于该连接装置的多种密封方法，开展了气密性检测对比实验，分析了实验数据，研究结果显示：利用密封圈、四氟垫和黄铜材质零件组成的孔外导气管连接装置在气密性、应用便捷、功能多样化和性价比方面最佳，该装置为准确测量瓦斯压力提供了有力的保障。关键词：钻孔导气管；密封技术；气密性；多接口中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；（），）：，；，；，：；第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 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。基于煤层瓦斯压力参数的重要性，国家出台了 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、封孔材料及含水地层测压技术，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。孔外导气管连接装置的设计组装与检测方案 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 所示。孔外导气管气密性检测方案气密性检测实验方案：关闭球阀。缓慢拧开氧气瓶阀门，打开球阀，当传感器表盘达到 时关闭氧气瓶阀门，关闭球阀。把气瓶；胶管；球阀（）；压力表；球阀（）；四通；传感线；传感器图 孔外导气管连接装置设计图孔外导气管连接装置放置水中，全部没入水面。观察传感器和机械压力表的数值变化。观察水面变化是否有水泡冒出。打开球阀，放气。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 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。表 黄铜孔外导气管连接装置的压力数据时间 传感器压力 机械压力表压力 华北科技学院学报 年第 期由表 可知压力在 内从 快速降到，由图 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 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。表 固体生料带孔连连接器的压力数据时间 传感器压力 机械压力表压力 在进行气密性检测方案步骤时时发现水面间断性的冒出小水泡，表 中的压力数据从 降到 用了，相比于上一代设备时间有所延长，图 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 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。表 固体生料带和麻草孔外导气管连接装置的压力数时间 传感器压力 机械压力表压力 在进行气密性检测方案步骤时发现水面又连续冒出大的水泡，表 中的压力数据从 降到 只用了 ，图 压力数据曲线相 第 期齐黎明等：煤层瓦斯测压中钻孔密封技术创新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 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。表 固体生料带和湿麻草孔外导气管连接装置的压力数据时间 传感器压力 机械压力表压力 由表 可知压力数据在 内只下降了 并没有像前几代设备短时间内下降到，图 中数据压力曲线呈 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 ，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时发现，没有气泡从水面冒出，每间隔 观察一次机械压力表和传感器，压力数据见表。图 固体生料带和湿麻草孔外导气管连接装置的压力数据曲线表 液体生料带孔外导气管连接装置的压力数据时间 传感器压力 机械压力表压力 华北科技学院学报 年第 期由表 数据可知经过 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，实验步骤时水面没有气泡冒出，每间隔 观察一次机械压力表和传感器，压力数据见表。表 四氟垫和密封圈孔外导气管连接装置的压力数据时间 传感器压力 机械压力表压力 由表 数据可知经过长达 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。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，号球阀连接补气装置，号球阀连接钻孔外管道，连接完成后打开 号和 号球阀，当补气完成后，关闭 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 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 所示。结论（）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。（）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。（）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。第 期齐黎明等：煤层瓦斯测压中钻孔密封技术创新图 瓦斯压力远程监控系统参考文献：俞启香 煤层突出危险性的评价指标及其重要性排序的研究 煤矿安全，（）：唐一举，郝天轩，刘静，等 瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究 岩石力学与工程学报，（）：郭立稳，俞启香，王凯 煤吸附瓦斯过程温度变化的试验研究 中国矿业大学学报，（）：徐东方，陈滔，赵鹏涛，等 便捷式两堵一注全程下筛管成套封孔技术应用 煤炭技术，（）：马尚权，陈学习，梁为，梁育龙 三相泡沫封孔器自动充气补偿变压研究 华北科技学院学报，（）：王振锋，周英，孙玉宁，等 新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方法及封堵机理 煤炭学报，（）：毕瑞卿 瓦斯抽采钻孔封孔参数与密封材料性能研究中国地质大学（北京），翟成，向贤伟，余旭，等 瓦斯抽采钻孔柔性膏体封孔材料封孔性能研究 中国矿业大学学报，（）：郝志勇 材料复合技术及其在钻孔密封中的应用研究中国矿业大学，魏风清，杜晓奇，温帅博，等 上行含水钻孔精准测压新技术 煤矿安全，（）：罗利 复杂含水地层精准测压技术 煤炭科技，（）：华北科技学院学报 年第 期