技术摘要：
本发明公开了一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置，移动背带式气瓶的出气口与高压软管相连，高压软管的另一端从推块的与注气管相通，注气管依次穿过上、中两个封隔器后插入下封隔器内，且三个封隔器间隔设置，注气管介于中、下封隔器之间的管壁上开设有注  全部
背景技术：
煤体作为一种多孔介质，具有一定的渗透性，即一定颗粒的流体可以向煤体内渗 透，甚至从煤体内流过、传递到下一种介质中。煤岩层渗透性确定对于煤层可抽性的评价、 瓦斯抽采钻孔的合理空间布置、钻孔合理封孔位置的确定及瓦斯抽采过程中煤层渗透性的 演化等具有极其重要的实际意义和工程价值；同时，煤矿作业过程如巷道掘进所导致的煤 岩体应力的重新分布、岩体破坏及裂隙圈的形成位置确定是后续巷道高效安全支护的关 键。由于煤层赋存条件变化较大，即使在同一煤层中，不同地点、深度煤体的渗透率也可能 有较大程度的差异，这极大地影响了对煤层瓦斯抽采效果的评估。 在煤体渗透率研究领域，有不少专家提出了实验室渗流实验方法，但这种方法存 在着一定的缺陷:煤体样本的采出破坏了煤体所处的客观环境，实验室渗流实验忽略了采 动影响下煤体的裂隙的动态演变过程。为了避免上述缺陷，现阶段研究方法多集中于对井 下煤层原位钻孔渗透率的测定，通过在煤层瓦斯试抽采过程中进行流量和压力监测，然而 由于井下条件的限制，导致测试装置整体结构复杂庞大，需要妥当放置密封室，再充入多种 不同的介质，导致管路较多操作不便，未能实现操作人员可方便快速地进行移动测试。由于 传统的煤层渗透率测试方式多采用在注气钻孔周围布置很多不同深度的观测钻孔，施工量 大耗时耗力，测试所需设备很多占用空间大，不便于在井下操作。一般情况下，经过测试得 到的数据需通过公式计算获得煤层渗透率。由于需要多组经过不同压力条件下所得到的流 速数据，才能获得准确的渗透率，故计算时间过长，不能在短时间内得到渗透率的准确数 值。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种钻孔原位测试煤层渗透率的装置，结合煤岩体渗透率原位测 试理论模型，能实现测试阶段到数据处理的便捷快速，且工序简单，节约成本，效率高。 为此，本发明所采用的技术方案为：一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透 率的装置，包括移动背带式气瓶、高压软管、封隔器、推杆、推块、注气管和测量管，所述移动 背带式气瓶配备有防爆气瓶阀、安全阀、减压器、高压压力表、低压压力表，移动背带式气瓶 的出气口与高压软管相连，高压软管的另一端从推块的一侧面插入并与注气管的上端相 通，在高压软管上设置有第一截止阀和第一气体压力表，所述注气管依次穿过上、中两个封 隔器后插入下封隔器内，且三个封隔器间隔设置，注气管介于中、下封隔器之间的管壁上开 设有注气筛孔，所述测量管分为孔外段和孔内段，整体呈“L”形，孔外段从推块的另一侧面 接入并与孔内段相通，孔内段穿过上封隔器伸入上封隔器与中封隔器之间，孔外段上设置 5 CN 111551475 A 说　明　书 2/7 页 有第二截止阀、第二气体压力表和第二气体流量计，所述推杆的下端连接在推块的上端。 作为上述方案的优选，所述移动背带式气瓶采用内胆碳纤维全缠绕复合铝气瓶， 工作压力为30MPa。具有质量轻、强度高的特点，便于携带。 进一步优选为，所述推块供高压软管插入的侧面与供测量管孔外段接入的侧面左 右相对设置。 进一步优选为，所述推块上设置有高压接头供高压软管插入。 进一步优选为，所述移动背带式气瓶配备有肩带和背带，肩带和背带由阻燃聚酯 织物制成，背带采用双侧可调结构，在肩带上设有宽大弹性衬垫。 同时，本发明还提供了一种利用上述的便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率 的装置进行便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的方法，包括以下步骤： 步骤一、试验准备：包括钻孔布置、外接气源安装和钻孔密闭气室建立； 根据现场煤矿实际情况，在岩石巷道中选区域布置若干穿层测试钻孔，穿层测试 钻孔的直径与封隔器相匹配，同时记录钻孔煤层段长度； 外接气源安装包括将移动背带式气瓶与其配备的防爆气瓶阀、安全阀、减压器、高 压压力表、低压压力表可靠连接，以满足井下防爆要求，并检查移动背带式气瓶内气体压力 是否充足，为后续试验注气做好准备； 根据现场钻孔实际情况，将高压软管、封隔器、推杆、推块、注气管、测量管、第一截 止阀、第一气体压力表、第二截止阀、第二气体压力表和第二气体流量计密封连接完毕，使 用推杆将三个封隔器构成的密封系统送入钻孔内预定位置，在钻孔内形成上、下两个各自 独立的密封气室； 步骤二、初始压力测定； 在进行初始压力测定时，首先关闭高压软管上的第一截止阀及测量管上的第二截 止阀，使得密封系统中不存在外来气体，此时观察第一气体压力表的读数则为密封气室内 的初始压力； 步骤三、注入气体； 通过低压压力表控制高压软管内进气压力，打开第一截止阀，移动背带式气瓶内 的气体通过高压软管进入注气管，再通过注气筛孔注入下密封气室，待下密封气室内压力 稳定后，即低压压力表与第一气体压力表数值相等时，打开测量管上第二截止阀，记录此时 第二气体压力表和第二气体流量计的数据； 通过控制减压器更改移动背带式气瓶的出口压力，向下密封气室内注入不同压力 的气体，重复记录第二气体压力表和第二气体流量计的数据，直至完成一个钻孔大的测试 记录后移动至另一钻孔重复操作，同时注意高压压力表数据，保证移动背带式气瓶内气体 充足； 步骤四、数据计算； 采用煤岩体渗透率原位测试理论模型，根据实测数据得到此区域每个钻孔的渗透 率，再结合此区域所有钻孔的渗透率进行平均值计算，则可得到测试区域煤层渗透率； 气体在煤层中的流动服从达西定律，运动方程为： 6 CN 111551475 A 说　明　书 3/7 页 式中：v为气体渗流速度，k为煤层渗透率，μ为气体动力黏性， 为哈密顿算子，p为 气体压力； 煤层中游离状态气体服从理想气体状态方程： 式中：p为气体压力，R为气体常数，T为煤层绝对温度，ρ为游离状态气体密度； 气体在煤层中流动的连续性方程为： 联立以上三式并考虑等温过程可得： 根据 将上式转化为径向圆柱坐标形式可得： 该式即平面气体径向流动数学模型；此时模型初始条件为： p0为煤层 气体压力；边界条件为： rg为钻孔半径，pg为钻孔内气体压力， 其中pg＞p0； 此时引入压力函数P将其定义为：P＝p2，则径向圆柱坐标形式的平面径向气体渗 流方程变为： 将其改为无因次形式为： 其中， ps为标准大气压力，Ts为井下环境温度，q为钻孔气体流量，h为钻孔深度； 上式在形式上与标准的热传导方程相似，热传导方程在不同条件下的解是已知， 则可直接应用于该径向气体流动方程，因此，可得钻孔气体流量为： 其中： 令 通过实测气体流量数据绘制q-1—lnt关系图，采用回归分析求得 7 CN 111551475 A 说　明　书 4/7 页 其中M和N值，其中考虑到煤层温度和井下环境温度基本一致，因此温度不再考虑；同时，令 kp＝k(p0 pg)则将M和N带入上述关系式从而求得其具体数值，随后结合现场实测的p0和pg 值，即可得煤层渗透率 式中：p0为煤层气体压力， 为煤层孔隙度，r为气体流动边界半径。 本发明的有益效果： (1)采用移动背带式气瓶，并配备防爆气瓶阀、安全阀、减压器、高压压力表、低压 压力表，便于携带，安全性能好，实现测试气源根据工程实际进行定点便捷移动，实现对不 同钻孔点快速测试，相比实验室测量更科学合理； (2)在同一钻孔内通过注气管串联三个封隔器，形成两个密封气室，上密封气室用 于布置测量管的进气端，下密封气室用于注入气体，注入的气体通过煤层渗透后才能进入 上密封气室，通过同一钻孔既能实现注气，又能实现气体检测，不需要再单独开设用于检测 气体渗透的孔，并省去重新设定密封气室的时间，结构设计巧妙，测量效果高； (3)推杆将密封系统送入钻孔的同时，也将注气管、测量管同步送入钻孔内，将注 气、密封也测量记录有效连接成一体，从而实现密封与解封的无损切换，能更准确的获得煤 层渗透率，从而预测煤层瓦斯抽采效率； (4)本装置结合煤岩体渗透率原位测试理论模型，根据实测数据得到此区域每个 钻孔的渗透率，再结合此区域所有钻孔的渗透率进行平均值计算，则可得到测试区域煤层 渗透率，从而实现测试阶段到分析研究阶段的便捷快速、工序简单，且节约成本。 附图说明 图1为便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置在钻孔内的安装示意图。