一种非煤系瓦斯检测系统及瓦斯涌出量计算方法与流程

本发明涉及安全防护，特别涉及一种非煤系瓦斯检测系统及瓦斯涌出量计算方法。

背景技术：

1、交通隧道瓦斯主要分为两大类：煤系瓦斯和非煤系瓦斯。煤系瓦斯是指存在于煤层中的瓦斯，其含量通常以每吨煤中所含瓦斯量来衡量。而非煤系瓦斯的来源较为复杂，它可能源自腐植型有机质在细菌作用下的分解，也可能是因为深部地层中的瓦斯通过地层裂隙逐渐向上迁移至浅层地表。由于这些原因，非煤系瓦斯的分布具有很大的不确定性，大多数地层中很少或几乎不含瓦斯，但某些特定地层可能含有较多的瓦斯，表现出偶发性。

2、在隧道施工领域，盾构法因其施工速度快、成本相对较低以及安全性高等优点，已经成为隧道施工的主流技术，并有逐渐取代传统暗挖法的趋势。然而，根据铁路瓦斯隧道的相关规范，低瓦斯地层可以使用非防爆设备进行施工，但在高瓦斯地层中，必须使用全防爆设备。全防爆盾构设备的成本非常高。因此，在使用不具备全防爆功能的盾构机施工前，必须对非煤系瓦斯地层进行精确评估，计算瓦斯涌出量，以确定是否适合采用盾构法施工。

3、目前，非煤系瓦斯涌出量的计算方法尚不成熟，存在准确性不足的问题，有些方法甚至与实际情况不符。公开号cn115409404a的专利公开了一种基于瓦斯涌出量忽大忽小定量表征的突出预警方法，通过在单位时间内，相邻两次瓦斯涌出量检测数据差值超标次数之和，能够准确、定量描述瓦斯涌出量忽大忽小现象，提升基于瓦斯涌出量实施煤与瓦斯突出风险智能预警的准确性。但是，该方法是通过累计的瓦斯涌出事件异常次数超过临界值，启动预警，无法计算瓦斯涌出量。因此，迫切需要开发一种新的计算方法，能够准确反映实际瓦斯涌出量，以便于判断非煤系瓦斯地层是否适合使用盾构法进行施工。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有设备和技术的不足，提供一种非煤系瓦斯检测系统及瓦斯涌出量计算方法。系统设置了压力表、瓦斯检测仪等设备，瓦斯检测机构上移一定距离，钻孔端面原状地层瓦斯及其他气体涌入空间，根据空间气体压力和瓦斯浓度变化计算瓦斯涌出量。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种瓦斯涌出量计算方法，储气空间的体积为v1，瓦斯涌出量测量期间储气空间内总液体量为v2，检测机构上移开始至气压表达到标准大气压间隔时间为t,气压表达到标准大气压时瓦斯检测仪浓度为p，钻孔端面面积为s1，实际开挖面面积为s2，可计算出实际开挖面单位时间内的瓦斯涌出量q：

4、q＝ps2(v1-v2)/s1/t。

5、作为优选方式，测量出的瓦斯最大浓度就是原状地层气体中瓦斯浓度。在真空条件下原状地层气体涌入小体积的储气空间，可认为储气空间内气体最终与原状地层气体相同，因此储气空间瓦斯最大浓度就是原状地层气体的瓦斯浓度。

6、作为优选方式，气压表测量出的最大压力值就是原状地层气体压力值。瓦斯隧道有两个主要参数：一是瓦斯涌出量，二是瓦斯隧道气体最大压力，这里只是测量瓦斯隧道的压力这个参数，实际上气体压力大时涌出量也会大，这两个参数是有一定关系的。

7、作为优选方式，检测机构上移形成储气空间时，钻孔端面不仅涌出地层内气体，也要涌出地层内的液体(如水)。气压表与瓦斯检测仪瓦斯浓度检测完毕后，马上关闭截止阀，拆除气压表和瓦斯检测仪，打开截止阀，将检测机构下压至钻孔端面，储气空间内的液体(如水)经第一通道流出，测量其流出体积v3和第一通道内剩余体积v4，以用于瓦斯涌出量的计算，v2＝v3+v4。

8、作为优选方式，截止阀上部安装上气压表和瓦斯检测仪；将瓦斯检测机构上移一个距离d1(比如5cm)，确保储气空间体积v1大于第一通道体积v4。此目的是为了上移时储气空间形成真空，第一通道内水全部进行储气空间，便于开挖端面气体经储气空间，第一通道进入瓦斯检测仪，便于检测，然后打开截止阀，通过瓦斯检测仪测量瓦斯浓度，此检测出的最大瓦斯浓度就是此非煤系瓦斯地层中瓦斯浓度。

9、继续上移检测机构至一定距离d2(如50cm)，然后记录一定时间范围(比如10min)内(气体压力与瓦斯浓度不再发生变化为止)气压表的压力变化、瓦斯检测仪瓦斯浓度的变化，最后根据记录结果计算瓦斯涌出量。尤其要准确记录气压表从真空到标准大气压变化下的时间与瓦斯检测仪的浓度变化，并且要记录气压表的最大气压值和瓦斯检测仪的最高浓度值。

10、作为优选方式，在截止阀前端注入高压水，通过第一通道，进入至封孔压板下端面与钻孔端面之间，冲洗钻孔端面附近的高密度泥浆，冲洗形成的水大部分(95％-99％)通过第二通道、第三通道流至封孔压板上端面高密度泥浆内，只有极少部分(1％-5％)通过钻孔端面下部的原状地层裂隙流失，将钻孔端面附近原状地层的高密度泥浆冲洗干净，然后关闭截止阀。

11、作为优选方式，将瓦斯检测机构各部件安装好，截止阀关闭；封孔压板沿无缝钢管内壁下压至高密度泥浆内，提高压力向下压，由于封孔压板上圆形橡胶圈的密封作用，封孔压板下部高密度泥浆压力高于上部压力，活动压板下部压力也高于上部压力，压力差高于弹簧压力时，弹簧受压收缩，活动压板与封孔压板产生空隙，形成第三通道，下部高密度泥浆通过第三通道流向上部，然后封孔压板随之向下移动，最终封孔压板下端面一直下移至钻孔端面。封孔压板下端面一直下移至钻孔端面，目的是将高密度泥浆都压至封孔压板上部，冲洗后钻孔端面认为是原状地层原始开挖面。

12、作为优选方式，首先确认非煤系瓦斯地层的位置与深度，然后采用跟管钻机钻进，高密度泥浆护壁，随着钻孔向下钻进，一节节无缝钢管随之向下跟进，无缝钢管外壁要与原状地层紧密贴合，一直钻孔至指定检测深度，然后将钻杆及钻头取出。

13、钻进过程中如果发现有气体冒出现象，要采取增加高密度泥浆密度的方法，防止气体流失。

14、一种瓦斯涌出量计算方法得到瓦斯浓度后的应用方法，当测量出瓦斯最大浓度低于5％时说明原状地层中气体瓦斯浓度达不到爆炸浓度，无论瓦斯涌出量多少都可以判定为低瓦斯地层，可采用盾构工法施工。盾构施工时通过调节通风风量，将瓦斯浓度降低到0.5％以下，瓦斯防爆安全系数超过10，防止瓦斯积聚，就不会产生瓦斯爆炸安全风险。当测量出瓦斯最大浓度大于5％并且计算出瓦斯涌出量属于低瓦斯地层时，可采用无全防爆功能的盾构施工，盾构施工时还是通过调节通风风量，将瓦斯浓度降低到0.5％以下，瓦斯防爆安全系数超过10。

15、当测量出瓦斯最大浓度大于5％并且计算出瓦斯涌出量达到高瓦斯地层时，不应采用无全防爆功能的盾构施工，应采用全防爆功能的盾构施工。

16、一种非煤系瓦斯检测系统，包括无缝钢管、瓦斯检测机构、截止阀、气压表和瓦斯检测仪；瓦斯检测机构伸入无缝钢管中，瓦斯检测机构与截止阀通过一管道连接，管道上还设置有气压表，管道端部设置瓦斯检测仪；

17、瓦斯检测机构包括竖撑和封孔压板；竖撑和封孔压板构成的组合件上设置有第一通道；封孔压板侧方设置有密封槽，密封槽内安装橡胶圈；封孔压板上设置有若干第二通道；

18、第二通道处设置有螺栓、弹簧和活动压板的组合结构，螺栓与封孔压板连接，螺栓的头部与封孔压板之间设置有弹簧和活动压板，活动压板相比于弹簧更靠近封孔压板。

19、作为优选方式，封孔压板外侧设计有正方形密封槽，密封槽内安装圆形橡胶圈。

20、本发明至少具有以下有益效果：提供一种非煤系瓦斯检测系统及瓦斯涌出量计算方法，在非煤系瓦斯地层瓦斯不流失条件下，能够准确测量瓦斯地层中气体压力和瓦斯浓度，并且依据不同时间内的气体压力和瓦斯浓度变化准确计算出瓦斯涌出量，进而计算出不同开挖面积瓦斯最大涌出量(瓦斯检测会有多组，应以计算出的最大涌出量一组为准)，能够达到准确判断瓦斯地层的目的，以指导隧道施工工法的定夺。