用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统及测试方法

摘要

本发明公开了一种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统及测试方法，其包括现场测试部与实验室测试部，实验室测试部包括大尺寸径向渗流测试机构，大尺寸径向渗流测试机构与一电液伺服控制油压泵相连接，电液伺服控制油压泵用于向大尺寸径向渗流测试机构施加压力，大尺寸径向渗流测试机构配置有一质量流量计，质量流量计通过相应管路分别与大尺寸径向渗流测试机构、集气装置相连通，大尺寸径向渗流测试机构通过相应管路与真空泵相连通，真空泵通过减压阀与一甲烷钢瓶相连通。对以卸载地应力为主进行消突的上保护层开采条件下保护范围的考察，为被保护煤层采掘合理布局及安全开采提供了科学依据，提高了测试准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及矿井瓦斯灾害防治领域，尤其涉及一种用于确定上保护层开采卸压范围的测 试系统及测试方法。

背景技术

随着煤层开采深度增加，煤层瓦斯压力与含量逐渐增大，煤层瓦斯突出危险性逐渐增大。 针对突出煤层，我国防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则，而开采保 护层是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性防突措施。保护层开采的技术原理是：选 择非突出煤层或弱突出煤层作为保护层首先开采，使得上下煤岩体产生强烈的拉张破坏，并 发生移动，被保护煤层原始地应力得到释放，煤层裂隙充分扩展，煤层透气性显著提高，大 量吸附态瓦斯解吸为游离状态，通过卸压瓦斯强化抽采，使得被保护煤层地应力、瓦斯压力 与含量进一步降低，最终达到消除被保护煤层突出危险性的目的。

保护层开采后需考察被保护煤层的保护效果与保护范围，根据国家安全生产监督管理总 局规章《防治煤与瓦斯突出规定》和国家安全生产行业标准《保护层开采技术规范 AQ1050-2008》可知，目前确定保护范围主要通过在被保护层卸压边界区域布置瓦斯压力测 试钻孔，通过保护层开采前后原始瓦斯压力与残余瓦斯压力的对比来确定保护层范围，然后 通过实测瓦斯压力测算的瓦斯含量进一步考察保护范围，该方法以测算瓦斯参数为主，对保 护层开采的卸压作用没有充分体现，而以卸载地应力为主进行区域消突的上保护层开采条件， 通过应力指标进行保护范围考察更具科学性；目前，在保护层开采过程中，现场工程技术人 员通过测试被保护煤层膨胀变形量指标来评价保护层的开采效果，但测试成功率较低。

因此，进行突出煤层保护范围考察时急需一种通过测试应力指标来确定保护范围的技术 方法，尤其适用于确定上保护层开采保护范围的技术方法，通过考察应力指标可为被保护煤 层采掘巷道布置及突出防治提供科学依据，进而保障突出煤层的安全高效开采。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于确定上保护层开采卸压范围 的测试系统及测试方法，对以卸载地应力为主进行消突的上保护层开采条件下保护范围的测 试，以提高测试准确性。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统，其包括现场测试部与实验室测试部， 将现场测试部获取的煤样通过实验室测试部进行测试，其中，实验室测试部包括大尺寸径向 渗流测试机构，大尺寸径向渗流测试机构与一电液伺服控制油压泵相连接，电液伺服控制油 压泵用于向大尺寸径向渗流测试机构施加压力，大尺寸径向渗流测试机构配置有一质量流量 计，质量流量计通过相应管路分别与大尺寸径向渗流测试机构、集气装置相连通，大尺寸径 向渗流测试机构通过相应管路与真空泵相连通，真空泵通过减压阀与一甲烷钢瓶相连通。

所述的测试系统，其中，上述大尺寸径向渗流测试机构包括一高压罐体，高压罐体上部 设置有连接法兰，连接法兰通过连接螺栓螺母与高压罐体相连接，高压罐体内设置有T型活 塞，T型活塞的竖直段与电液伺服控制油压泵相连接，T型活塞的水平段横向布置在高压罐 体内，T型活塞之水平段下方的高压罐体内设置有压头，压头下方设置有用于放置煤样的渗 气花管，渗气花管通过排气花管相连通，渗气花管的下部设置有排气管，排气管通过排气口 与质量流量计相连通，一个渗气花管的一端通过气口与真空泵相连通，另一个渗气花管的一 端以及排气管的另一端上分别设置有压力变送器，质量流量计、压力变送器均与一数据采集 器相连接，数据采集器与一数据处理中心相连接。

所述的测试系统，其中，上述现场测试部包括上保护层，上保护层包括采空区，采空区 的一端设置有上保护层机巷，另一端设置有上保护层风巷，上保护层的下方为被保护层，从 被保护层之底板岩巷及钻场内向卸压边界区域施工四个小孔径穿煤钻孔作为测压钻孔，测压 钻孔终孔位置连成一条直线，并以理论卸压线中线为中心，每间隔十五米布置一个测压钻孔， 测压钻孔均匀布置，每个测压钻孔均与一压力表相连接；测压钻孔采用风力排渣工艺施工， 施工过程中采集各测压钻孔的煤样并密封保存，且记录测压钻孔施工参数，测压钻孔施工完 毕后封孔测定煤层瓦斯压力，每天记录各测压钻孔对应压力表的读数。

一种测试方法，其包括以下步骤：

A、将筛分煤样放置于渗气花管内，然后启动电液伺服控制油压泵，驱动T型活塞向下 运动，通过压头给煤样施加垂向应力，随后进行真空脱气，两小时后关闭真空泵及对应阀门； 然后开启甲烷钢瓶和减压阀，向高压罐体内注气，注气压力为该煤样实测压力值，进行六小 时平衡吸附，然后开启对应阀门进行大尺寸径向稳态渗流实验，通过压力变送器、质量流量 计与数据采集器记录平衡时内外边界压力和气体流量；

B、将步骤A所测数据代入式(1)计算，得出该煤样在设定垂直向力下的渗透率值，

$K=\frac{Q_0{\mathrm{\mu p}}_{0}ln(r_e/r_w)}{\pi h(p_e^2-p_w^2)}$式(1)

其中，K为煤样的渗透率，单位为mD或10^-3μm；μ为瓦斯的粘度，20℃时取为 1.087×10^-5Pa·s；p₀为实验室的大气压力，单位为Pa；Q₀为气体流量，单位为ml/s；p_w为内 边界压力，单位为MPa；p_e外边界压力，单位为MPa；r_w为内边界半径，单位为cm、r_e为 外边界半径，单位为cm；h为煤层厚度，单位为cm；

C、通过更换煤样和改变垂向应力进行多次大尺寸径向稳态渗流实验，获得各煤样在不 同垂向应力下的渗透率，并绘制出渗透与垂向应力的关系曲线；

D、根据现场所测煤层渗透率，确定各测压钻孔位置处煤体垂向应力，绘制卸压边界区 域垂向应力分布曲线，根据实际煤层赋存情况计算垂向卸压临界值，得出该临界值在实测曲 线中对应的位置，即为该区域上保护层开采的实际卸压边界位置。

所述的测试方法，其中，在步骤A之前还包括：

从被保护层之底板岩巷及钻场内向卸压边界区域施工四个小孔径穿煤钻孔作为测压钻 孔，测压钻孔终孔位置连成一条直线，并以理论卸压线中线为中心，每间隔十五米布置一个 测压钻孔，测压钻孔均匀布置，每个测压钻孔均与一压力表相连接；测压钻孔采用风力排渣 工艺施工，施工过程中采集各测压钻孔的煤样并密封保存，且记录测压钻孔施工参数，测压 钻孔施工完毕后封孔测定煤层瓦斯压力，每天记录各测压钻孔压力表的读数，

待压力稳定后，记录各测压钻孔瓦斯压力值，采用测压钻孔径向法计算各测压钻孔所在 位置煤层透气性系数，并根据式(2)换算成渗透率，获得各钻孔所在位置的煤层渗透率；

λ＝K/(2μp₀)式(2)

其中，K为煤样的渗透率，单位为mD或10^-3μm；μ为瓦斯的粘度，20℃时取为 1.087×10^-5Pa·s；p₀为实验室的大气压力，单位为Pa。

本发明提供的一种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统及测试方法，能解决突出 煤层保护层开采范围考察时所采用的指标及测试手段单一的技术问题，对以卸载地应力为主 进行消突的上保护层开采条件下保护范围的考察，提供了一种以应力指标进行考察的新途径， 丰富了考察手段，提高了考察的准确性，为被保护煤层采掘合理布局及安全开采提供了科学 依据，提高了测试准确性，同时可有效避免煤炭资源和瓦斯防治工程的浪费。

附图说明

图1为本发明中现场测试部的示意图；

图2为本发明中实验室测试部的示意图；

图3为本发明中大尺寸径向渗流测试机构的结构示意图；

其中，1-上保护层机巷，2-采空区，3-上保护层风巷，4-上保护层，5-理论卸压线，6-小 孔径穿煤孔，7-被保护层，8-理论卸压线中线，9-测压钻孔，10-底板岩巷及钻场，11-压力表， 12-电液伺服控制油压泵，13-大尺寸径向渗流测试机构，14-质量流量计，15-阀门d，16-集气 装置，17-数据处理中心，18-数据采集器，19-压力变送器，20-真空泵，21-减压阀，22-甲烷 钢瓶，23-连接螺栓螺母，24-连接法兰，25-T型活塞，26-密封圈，27-高压罐体，28-压头， 29-排气花管，30-渗气花管，31-气口，32-排气口。

具体实施方式

本发明提供了一种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统及测试方法，为使本发明 的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处 所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统，如图1与图2所示的， 其包括现场测试部与实验室测试部，将现场测试部获取的煤样通过实验室测试部进行测试， 其中，实验室测试部包括大尺寸径向渗流测试机构13，大尺寸径向渗流测试机构13与一电 液伺服控制油压泵12相连接，电液伺服控制油压泵12用于向大尺寸径向渗流测试机构13施 加压力，大尺寸径向渗流测试机构13配置有一质量流量计14，质量流量计14通过相应管路 分别与大尺寸径向渗流测试机构13、集气装置16相连通，大尺寸径向渗流测试机构13通过 相应管路与真空泵20相连通，真空泵20通过减压阀21与一甲烷钢瓶22相连通。

更进一步的，如图3所示的，上述大尺寸径向渗流测试机构13包括一高压罐体27，高 压罐体27上部设置有连接法兰24，连接法兰24通过连接螺栓螺母23与高压罐体27相连接， 高压罐体27内设置有T型活塞25，T型活塞25的竖直段与电液伺服控制油压泵12相连接， T型活塞25的水平段横向布置在高压罐体27内，T型活塞25之水平段下方的高压罐体27 内设置有压头28，压头28下方设置有用于放置煤样的渗气花管30，渗气花管30通过排气花 管29相连通，渗气花管30的下部设置有排气管，排气管通过排气口32与质量流量计14相 连通，一个渗气花管30的一端通过气口31与真空泵20相连通，另一个渗气花管30的一端 以及排气管的另一端上分别设置有压力变送器19，质量流量计14、压力变送器19均与一数 据采集器18相连接，数据采集器18与一数据处理中心17相连接，数据处理中心17一般采 用计算机等技术形式。

在本发明的另一较佳实施例中，上述现场测试部包括上保护层4，上保护层4包括采空 区2，采空区2的一端设置有上保护层机巷1，另一端设置有上保护层风巷3，上保护层4的 下方为被保护层7，从被保护层7之底板岩巷及钻场10内向卸压边界区域施工四个小孔径穿 煤钻孔6作为测压钻孔9，测压钻孔9终孔位置连成一条直线，并以理论卸压线中线8为中 心，每间隔十五米布置一个测压钻孔9，测压钻孔9均匀布置，每个测压钻孔9均与一压力 表11相连接；测压钻孔9采用风力排渣工艺施工，施工过程中采集各测压钻孔9的煤样并密 封保存，且记录测压钻孔9的施工参数，测压钻孔9施工完毕后封孔测定煤层瓦斯压力，每 天记录各测压钻孔对应压力表的读数。

本发明还提供了一种使用上述测试系统的测试方法，其包括以下步骤：

A、将从测压钻孔9得到的筛分煤样放置于渗气花管30内，然后启动电液伺服控制油压 泵12，驱动T型活塞25向下运动，通过压头28给煤样施加垂向应力，随后进行真空脱气， 两小时后关闭真空泵20及阀门15b、阀门15a；然后开启甲烷钢瓶22和减压阀21，向高压 罐体27内注气，注气压力为该煤样实测压力值，进行六小时平衡吸附，然后开启阀门15c、 阀门15d进行大尺寸径向稳态渗流实验，通过压力变送器19、质量流量计14与数据采集器 18记录平衡时内外边界压力和气体流量；

B、将步骤A所测数据代入式(1)计算，得出该煤样在设定垂直向力下的渗透率值，

$K=\frac{Q_0{\mathrm{\mu p}}_{0}ln(r_e/r_w)}{\pi h(p_e^2-p_w^2)}$式(1)

其中，K为煤样的渗透率，单位为mD或10^-3μm；μ为瓦斯的粘度，20℃时取为 1.087×10^-5Pa·s；p₀为实验室的大气压力，单位为Pa；Q₀为气体流量，单位为ml/s；p_w为内 边界压力，单位为MPa；p_e外边界压力，单位为MPa；r_w为内边界半径，单位为cm、r_e为 外边界半径，单位为cm；h为煤层厚度，单位为cm；

C、通过更换煤样和改变垂向应力进行多次大尺寸径向稳态渗流实验，获得各煤样在不 同垂向应力下的渗透率，并绘制出渗透与垂向应力的关系曲线；

D、根据现场所测煤层渗透率，确定各测压钻孔9位置处煤体垂向应力，绘制卸压边界 区域垂向应力分布曲线，根据实际煤层赋存情况计算垂向卸压临界值，得出该临界值在实测 曲线中对应的位置，即为该区域上保护层开采的实际卸压边界位置。

更进一步的，如图1所示的，在步骤A之前还包括：

从被保护层7之底板岩巷及钻场10内向卸压边界区域施工四个小孔径穿煤钻孔6作为测 压钻孔9，测压钻孔9终孔位置连成一条直线，并以理论卸压线中线8为中心，每间隔十五 米均匀一个测压钻孔9，测压钻孔9均匀布置，每个测压钻孔9均与一压力表11相连接；测 压钻孔9采用风力排渣工艺施工，施工过程中采集各测压钻孔9的煤样并密封保存，此处的 煤样用于步骤A-步骤D进行测试，且记录测压钻孔9施工参数，测压钻孔9施工完毕后封孔 测定煤层瓦斯压力，每天记录各测压钻孔压力表的读数，

待压力稳定后，记录各测压钻孔瓦斯压力值，采用测压钻孔9径向法计算各测压钻孔9 所在位置煤层透气性系数，并根据式(2)换算成渗透率，获得各钻孔所在位置的煤层渗透率；

λ＝K/(2μp₀)式(2)

其中，K为煤样的渗透率，单位为mD或10^-3μm；μ为瓦斯的粘度，20℃时取为 1.087×10^-5Pa·s；p₀为实验室的大气压力，单位为Pa。

为了更进一步描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

步骤a、根据保护层开采条件，参照国家安全生产行业标准《保护层开采技术规范 AQ1050-2008》确定被保护层7理论卸压线中线8，上保护层4开采后，在被保护层7底板岩 巷及钻场10内向卸压边界区域施工4个小孔径(Φ46mm)穿煤钻孔6作为测压钻孔9，即 1#、2#、3#与4#，测压钻孔9终孔位置连成一线，并以理论卸压线中线8为中心，间隔15m 均匀布置，测压钻孔9采用风力排渣工艺施工，施工过程中采集各测压钻孔9的煤样并密封 保存，同时记录测压钻孔9施工参数，测压钻孔9施工完毕后封孔测定煤层瓦斯压力，每天 记录各钻孔压力表11读数；

步骤b、待压力稳定后，记录各钻孔瓦斯压力值，采用测压钻孔9径向法测算各钻孔所 在位置煤层透气性系数，并根据公式λ＝K/(2μp₀)换算成渗透率，获得各钻孔所在位置的煤 层渗透率；

步骤c、对1#、2#、3#与4#测压钻孔9的现场采集煤样进行筛分，然后选取其中一个测 压钻孔9的煤样，比如选取1#煤样均匀放置于渗气花管30(内径Φ300mm)内，然后安设压 头28、T型活塞25和连接法兰24，拧紧连接螺母螺栓23，启动电液伺服控制油压泵12，T 型活塞25向下运动，通过压头28给煤样施加垂向应力，达到设定值后，开启数据采集系统 和真空泵20，对煤样进行真空脱气2h，然后关闭真空泵20及阀门15a，开启甲烷钢瓶22和 减压阀21，甲烷气体通过气口31注入高压罐体27内，减压阀21出口压力调节为该煤样对 应测压钻孔9的实测瓦斯压力值，进行六小时平衡吸附，然后开启阀门15c、阀门15d，进行 大尺寸煤样的径向稳态渗流实验，通过压力变送器19、质量流量计14与数据采集器18以及 数据处理中心17记录平衡时内外边界压力和气体流量；

步骤d、将上述所得数据代入公式(1)

$K=\frac{Q_0{\mathrm{\mu p}}_{0}ln(r_e/r_w)}{\pi h(p_e^2-p_w^2)}---\left(1\right)$

通过计算可得出该煤样在设定垂直向力下的渗透率值；

步骤e、改变垂向应力，并重复进行稳态渗流实验，即可得出该煤样在不同垂向应力下 煤层瓦斯渗透率，同样对其他3个煤样进行大尺寸径向渗流试验，获得各煤样在不同垂向应 力下的渗透率，每次实验的边界渗流压力为各测压钻孔9现场实测瓦斯压力，根据实验结果， 绘制出渗透与垂向应力的关系曲线；

步骤f、根据现场所测煤层渗透率值，确定各测压钻孔9位置处煤体垂向应力，绘制卸压 边界区域垂向应力分布散点图，并进行拟合，根据实际煤层赋存情况计算垂向卸压临界值， 得出该临界值在实测曲线中对应的位置，即为该区域上保护层4开采的实际卸压边界位置。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说 明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变 形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。