CN100540848C - 预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置 - Google Patents

Abstract

预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置，采用沿煤层钻进方向打孔采集数据的方法，用由胶囊封孔装置、固气分离器、过滤器、煤屑控制器、连接有位移传感器LXC的岩石电钻、带有防爆外壳的控制主机KZ和与其相连的计算机数据采集器SC构成的装置，在煤巷工作面能够测定煤层在钻进过程中、瓦斯涌出量随钻进距离的分布情况，得到瓦斯流量沿钻孔深度的分布曲线，由此判断含有高压瓦斯的软煤距离工作面有多远，从而判断煤巷在掘进过程中是否会发生突出或煤巷可以安全地向前推进多远而不会发生突出，主机测量瓦斯流量的范围为0～1020升/分，每次测量钻头位移的范围为0～2.0米，其结构紧凑合理，准确度高，测定结果稳定可靠，具有广泛的实用性。

Description

预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置

技术领域

本发明涉及预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置，尤其适用于煤巷突出危险性大小的测定。

背景技术

众所周知，煤与瓦斯突出是发生在含高压瓦斯的软煤中的一种动力现象，一旦出现突出，经常会危及煤矿工人的性命。煤巷掘进是在软煤层中进行的一种劳动过程，经常会碰到煤与瓦斯突出，进行煤巷突出预测对于避免突出的危害十分重要。目前井下普遍采用的煤巷突出预测方法有：1)钻孔瓦斯涌出初速度法；2)R值指标法；3)钻屑指标法。这些方法的特点就是通过打钻测定煤巷工作面前方某点的指标与推荐的临界值对比，若大于临界值就预测为突出危险工作面，否则就预测为突出威胁工作面(实际上就是认为无突出危险)。这些方法虽然具有一定的参考价值，但并不准确，有的甚至出现低指标突出的事例，造成严重的伤亡事故，给现场下井的工人造成严重的心理恐慌。这些“点预测”方法所测的结果无法反映煤巷工作面前方实际的卸压带分布，也就无法准确预测煤巷工作面的突出危险性，国内学者也曾提供过一套连续测定煤巷工作面钻进过程中的钻屑量，打钻功率，排屑气体流量，瓦斯浓度等参数的类似的预测装置，但还没有直接测定连续钻进过程中的瓦斯流量分布的装置。因此预测煤巷突出的有效方法和装置是现场急需解决的一大难题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种准确度高，测定结果稳定可靠，动态性能好的预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置。

技术方案：本发明预测煤巷突出的连续钻进流量法，其操作步骤如下：

第一步：在煤巷工作面向煤巷前方的软煤层方向打一个孔，将封孔装置插入孔中，用手动压气泵使封孔装置中的胶囊膨胀密封住钻孔；

第二步：开启岩石电钻，同时按下计算机数据采集器SC的开始键，推动岩石电钻沿导轨前进，带动与其相联并设在封孔装置中的麻花钻向煤层前方钻进，涌出的煤屑与瓦斯气体通过封孔装置经固气分离器及过滤器后进入主机KZ进行计量，通过位移传感器LXC记录下钻头在煤层中的移动距离，得到瓦斯流量沿钻进距离的分布曲线；

第三步：当岩石电钻前进打完一根钻杆后，停下岩石电钻的同时，按下计算机数据采集器SC的暂停键；

第四步：旋转伸缩连接头松开固定管，拔下推进杆与麻花钻杆之间的插销，将岩石电钻向后拉，使推进杆与打入煤层的麻花钻杆脱离，加入一根新的麻花钻杆并使之与前面的麻花钻杆和推进杆相联；

第五步：继续启动岩石电钻向煤层前方打钻，再次按下计算机数据采集器SC的暂停键，继续进行测定工作；

第六步：重复上述同样的步骤，直到麻花钻杆打到预定的深度为止，按下计算机数据采集器SC的停止键；

第七步：按数据处理键，进行数据处理程序，将测定的电压信号转换为各传感器的瓦斯流量值和钻头的位移值；

第八步：按修饰键，对测定曲线中由于换钻杆期间瓦斯泄漏造成的瓦斯流量降低值进行弥补；

第九步：按显示键，由计算机数据采集器SC的屏幕上显示出沿孔深的瓦斯流量变化曲线，据此曲线可以确定工作面下一掘进的进尺深度；

第十步：经过多次测定的数据和掘进期间的实际突出现象，可计算出突出预测的临界值，按预测键，就可以判断下一掘进循环在同样进尺深度的条件下是否突出；

第十一步：按存盘键，对本次预测的数据进行存盘；

第十二步：按结束键，结束测定工作。

当煤巷工作面前方的煤层分布差异较大时，可在巷道的另一侧再打一预测钻孔，分别进行测量，根据两次测定的结果，取最危险的测定结果作为预报依据。

本发明预测煤巷突出的连续钻进流量法的装置，它由封孔装置、固气分离器、过滤器、煤屑控制器、连接有位移传感器LXC的岩石电钻、带有防爆外壳的控制主机KZ和与其相连的计算机数据采集器SC构成，固气分离器的前部通过连接器与封孔装置连接在一起，后部通过伸缩装置导入固定在岩石电钻上的推杆和麻花钻杆；过滤器与固气分离器的顶部相连，并设有能够感知过滤器过滤阻力的压力传感器，煤屑控制器设在固气分离器的底部，通过接头与固气分离器相连；岩石电钻设在前后支撑架固定的导轨上。所述的封孔装置包括引气管，设在引气管头部的挡头，引气管内的阻燃管，外部的密封胶囊、后部的挡盘和密封堵头；所述的过滤器包括初始过滤器和与初始过滤器相连的精细过滤器；所述的连接器由承接管和连接头构成；所述的伸缩装置由与固气分离器相连的伸缩管连接头、连接在伸缩管连接头上的固定筒、套在固定筒内的伸缩筒构成；所述的位移传感器LXC为每次测量的量程达到0～2米的拉线式位移传感器；所述的煤屑控制器由煤样罐、设在煤样罐下的排屑转接头和弹簧螺旋输送机构成，煤样罐内设有与主机KZ相连的两个电容式料位开关CH5；所述的控制主机KZ内并联设置有测定瓦斯涌出量达到0～1020升/分的6个气体流量传感器和1个测量过滤器过滤阻力的压力传感器。

有益效果：本发明预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置，根据煤与瓦斯突出的球壳失稳理论，采用在测定打钻过程中各点煤体破坏后释放出来的瓦斯流量的方法，配合预测方法采用的连续钻进流量法装置，得到瓦斯流量的分布曲线，以此判断煤巷推进过程中是否具有突出危险性。当钻头处于卸压带时，钻孔中涌出的瓦斯量很小，当钻头处于集中应力带时，从钻孔中涌出的瓦斯量很大，因而无论煤巷工作面前方的卸压带如何分布，测定的瓦斯流量分布曲线始终能够反映出卸压带的实际分布。将瓦斯流量和位移参数用传感器准确测定，且测定过程是在打钻过程中进行的，不受人工操作的影响，能够客观地反映实际情况，不管在任何煤层，均可使用。经对现场煤巷工作面的突出危险性进行了多次实验测定，在有突出危险的煤巷工作面，瓦斯气体的流量分布曲线上升很快，低流量区(卸压带)较短；而没有突出危险的煤巷工作面，瓦斯气体流量曲线上升缓慢，低流量区(卸压带)较长，具有显著的差异，能够有效地预测煤巷的突出危险性。由于在装置的煤样罐上安装了两个料位CH5开关，能够感知煤样罐中煤屑的高度，控制着弹簧螺旋输送机的开动和停止，始终保持煤样罐中的煤屑在一定范围内波动，既防止瓦斯气体从煤屑出口泄漏，又能防止煤屑的输运过程引起瓦斯气体流量的波动。主机KZ上安装了多个高精度(＜3％FS)、动态性能好(响应时间为60毫秒)的气体流量传感器，能够记录0～1020升/分的瓦斯气体流量。岩石电钻后部的位移传感器是高精度的拉线式位移传感器，能够一次记录0～2米范围内的钻头位移，测定精度在±5毫米以内。在主机KZ中安装了压力传感器，可随时测定过滤器前后的过滤阻力，如果过滤阻力增大，超过一定范围，则提示需要进行过滤网的清洗，计算机数据采集器SC能够对整个测试过程的数据进行记录和显示，防止误操作。整个装置测定结果比较准确、可靠，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明预测煤巷突出的连续钻进流量法装置结构图。

图2是图1中封孔装置结构放大图。

图中：1-引气管，2-挡头，3-阻燃管  4-胶囊，5-挡盘，6-密封堵头，7-连接头，8-承接管，9-排屑头，10-固气分离器，11-伸缩管连接头，12-固定筒，13-初始过滤器，14-煤屑控制器，15-连接头，16-排屑转接头，17-底座，18-防爆电机，19-胶管，20-伸缩筒，21-推杆，22-岩石电钻架，23-岩石电钻，24-支撑架，25-横梁，26-精细过滤器，27-通气管，28-传压管，29、30、31、32-电缆，33-麻花钻杆，34-输送弹簧，KZ-主机，SC-计算机数据采集器，CH5-料位开关，LXC-位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明预测煤巷突出的连续钻进流量法，首先要求通过煤巷工作面向煤巷前方的软煤层方向打一Φ85mm长900mm左右的孔，将封孔装置置入其中，使之膨胀后密封住钻孔；再将固气分离装置10的前端与封孔装置的相接，煤屑控制器14与固气分离器10的下部相接，将麻花钻杆33插入封孔装置后再通过伸缩管20与岩石电钻上的推杆21连接，伸缩装置通过连接头11与固气分离器10的后端相接；将放在岩石电钻后部的位移传感器LXZ上的钢丝绳挂接在岩石电钻21后部；将固气分离装置10上方的瓦斯气体出口连接初始过滤器13，经胶管27通过精细过滤器26与主机KZ相连；主机KZ与计算机数据采集器SC、煤屑控制器14及位移传感器LXC电缆相连接；启动岩石电钻带动麻花钻33通过封孔装置向煤层前方打钻，同时按下计算机数据采集器SC上的开始键，使岩石电钻23进行打钻的同时，通过位移传感器LXC将信号传出，通过主机KZ和计算机数据采集器SC记录下从钻孔中涌出的瓦斯气体流量及钻头的位移值。当打完一根钻杆后，停下岩石电钻的同时，按暂停键；松开固定管，拔下推进杆与麻花钻杆33之间的插销，将岩石电钻23向后拉，使推进杆21与打入煤层的麻花钻杆33脱离，加入一根新的麻花钻杆33并使之与前面的麻花钻杆33和推进杆21连接；继续启动岩石电钻向煤层前方打钻，同时按下暂停键，继续进行测定工作，当钻孔较深时，继续前述同样的步骤，直到麻花钻杆33打到预定的深度为止，按停止键。再按数据处理键，运行数据处理程序，将测定的电压信号转换为各传感器的瓦斯流量值和钻头的位移值；按修饰键，对流量曲线上换钻杆期间瓦斯泄漏造成的瓦斯流量降低值进行弥补(计算机根据换钻杆前后测定的瓦斯流量值将降低处补齐)；按显示键，在计算机数据采集器SC的屏幕上显示出沿孔深的瓦斯流量变化曲线；这一曲线反映了煤巷工作面前方卸压带的实际分布，据此可以确定工作面下一掘进的进尺深度。如果进行了多次测定和掘进期间的动力现象观测，取得了突出预测的临界值，按预测键，可以判断下一掘进循环在同样进尺深度的条件下是否突出；按存盘键，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘；按结束键，结束测定工作。如果当煤巷工作面前方的煤层分布差异较大，在巷道的另一侧再打一预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据。

本发明用于预测煤巷突出的连续钻进流量法的装置，它主要由封孔装置、固气分离器10、过滤器、煤屑控制器14、连接有位移传感器LXC的岩石电钻23、带有防爆外壳的控制主机KZ和与其相连的计算机数据采集器SC构成。封孔装置由引气管1，设在引气管1头部的挡头2，管内的阻燃管3，外部的密封胶囊4、后部的挡盘5和密封堵头6组成，用于收集钻进过程中从煤层中出来的煤屑和瓦斯气体，将其置入打好的钻孔中。固气分离器10用于将煤屑与瓦斯气体分离而不影响瓦斯流量的测定，将来自钻孔的煤屑和瓦斯气体分离，固气分离器10的前部通过连接器与封孔装置相连接，连接器由承接管8和连接头7构成，固气分离器10的后部通过伸缩装置导入固定在岩石电钻23上的推杆21和麻花钻杆33，伸缩装置由与固气分离器10相连的伸缩管连接头11、连接在伸缩管连接头11上的固定筒12、套在固定筒12内的伸缩筒20构成。过滤器与固气分离器10的顶部相连，侧面通过传压管与主机内能够感知过滤器过滤阻力的压力传感器相连，过滤器设有初始过滤器13和精细过滤器26，精细过滤器26与初始过滤器13相连，并通过通气管27与主机KZ相连，初始过滤器13上设置有与主机KZ相连的传压管28。煤屑控制器14设在固气分离器10的底部，通过接头15与固气分离器10相连，煤屑控制器14由煤样罐、设在煤样罐下的排屑转接头16和弹簧螺旋输送机构成，煤样罐内设有与主机KZ相连的两个电容式料位开关CH5，弹簧螺旋输送机由输送胶管19、设在胶管内的输送弹簧34、排屑头9和传递动力的防爆电机18构成。煤样罐上的电容式料位开关CH5用于控制弹簧螺旋输送机的开动和停止，始终保持煤样罐中的煤屑在一定范围内波动，既防止瓦斯气体从煤屑出口泄漏，又能防止煤屑的输运过程引起瓦斯气体流量的波动。排屑转接头16下方设有防爆电机18和底座17，防爆电机18通过电缆30与主机KZ相连。岩石电钻23设在前后支撑支架24固定的导轨22上，沿导轨向前移动，推动推杆21使麻花钻杆33向煤层钻进，位移传感器LXC位于岩石电钻23的后部，用钢丝绳与电钻23尾部相连，位移传感器LXC采用高精度的拉线式位移传感器，能够每次记录0～2米内的钻头位移量，测定精度在±5毫米以内，用于测定打钻过程中钻头的实时位移；位移传感器LXC通过电缆31与主机KZ相连，前后支撑支架24上设有固定导轨22的横梁25。控制主机KZ内并联设置有测定瓦斯涌出量达到0～1020升/分的6个高精度(＜3％FS)气体流量传感器，其响应时间为60毫秒，能够记录0～1020升/分的瓦斯气体流量；主机KZ中还设置有1个测量过滤器过滤阻力的压力传感器，可随时测定过滤器前后的过滤阻力，如果过滤阻力增大，超过一定范围，则提示需要进行过滤网的清洗。主机KZ用塑料软管与固气分离器10相连，用电缆29与煤屑控制器14上的料位开关CH5相连，用电缆31与位移传感器LXC相连，用电缆32与计算及数据采集器SC相连，对过滤后的瓦斯气体流量，钻头的位移量进行测定，并把测得的数据传送给计算机数据采集器SC；计算机数据采集器SC由防爆外壳和嵌入式计算机构成，防爆外壳上设置了操作按键和视窗，操作按键上有防护盖保护，计算机数据采集器SC用于记录整个测定期间的数据并将其显示出来。整个装置中各个带电的部分都具有防螺功能。

Claims (10)

1.一种预测煤巷突出的连续钻进流量法，其特征在于：

第一步：在煤巷工作面向煤巷前方的软煤层方向打一个孔，将封孔装置插入孔中，用手动压气泵使封孔装置中的胶囊(4)膨胀密封住钻孔；

第二步：开启岩石电钻(23)，同时按下计算机数据采集器(SC)的开始键，推动岩石电钻(23)沿导轨(22)前进，带动与其相联并设在封孔装置中的麻花钻(33)向煤层前方钻进，涌出的煤屑与瓦斯气体通过封孔装置经固气分离器(10)及过滤器后进入主机(KZ)进行计量，通过位移传感器(LXC)记录下钻头在煤层中的移动距离，得到瓦斯流量沿钻进距离的分布曲线；

第三步：当岩石电钻(23)前进打完一根钻杆后，停下岩石电钻(23)的同时，按下计算机数据采集器(SC)的的暂停键；

第四步：旋转伸缩连接头(11)松开固定管(12)，拔下推进杆(21)与麻花钻杆(33)之间的插销，将岩石电钻(23)向后拉，使推进杆(21)与打入煤层的麻花钻杆(33)脱离，加入一根新的麻花钻杆并使之与前面的麻花钻杆(33)和推进杆(21)相联；

第五步：继续启动岩石电钻(23)向煤层前方打钻，再次按下计算机数据采集器(SC)的暂停键，继续进行测定工作；

第六步：直到麻花钻杆(33)打到预定的深度为止，按下计算机数据采集器(SC)的停止键；

第七步：按数据处理键，进行数据处理程序，将测定的电压信号转换为各传感器的瓦斯流量值和钻头的位移值；

第八步：按修饰键，对测定曲线中由于换钻杆期间瓦斯泄漏造成的瓦斯流量降低值进行弥补；

第九步：按显示键，由计算机数据采集器(SC)的屏幕上显示出沿孔深分布的瓦斯流量变化曲线，据此曲线可以确定工作面下一掘进的进尺深度；

第十步：根据多次测定的数据和掘进期间的实际突出现象，可计算出突出预测的临界值，按预测键，就可以判断下一掘进循环在同样进尺深度的条件下是否突出；

第十一步：按存盘键，对本次预测的数据进行存盘；

第十二步：按结束键，结束测定工作。

2.根据权利要求1所述的预测煤巷突出的连续钻进量法，其特征在于：当煤巷工作面前方的煤层分布差异较大时，可在巷道的另一侧再打一预测钻孔，分别进行测量，根据两次测定的结果，取最危险的测定结果作为预报依据。

3.一种预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：它由封孔装置、固气分离器(10)、过滤器、煤屑控制器(14)、连接有位移传感器(LXC)的岩石电钻(23)、带有防爆外壳的控制主机(KZ)和与其相连的计算机数据采集器(SC)构成，固气分离器(10)的前部通过连接器与封孔装置连接在一起，后部通过伸缩装置导入固定在岩石电钻(23)上的推杆(21)和麻花钻杆(34)；过滤器与固气分离器(10)的顶部相连，并与主机(KZ)中测量过滤阻力的压力传感器相连，煤屑控制器(14)设在固气分离器(10)的底部，通过接头(15)与固气分离器(10)相连；岩石电钻(23)设在前后支撑架(24)固定的导轨(22)上。

4.根据权利要求3所述的预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：所述的封孔装置包括引气管(1)，设在引气管(1)头部的挡头(2)，引气管(1)内的阻燃管(3)，外部的密封胶囊(4)，后部的挡盘(5)和密封堵头(6)。

5.根据权利要求3所述的连续钻进流量法预测煤巷突出装置，其特征在于：所述的过滤器包括初始过滤器(13)和与初始过滤器(13)相连的精细过滤器(26)。

6.根据权利要求3所述的预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：所述的伸缩装置由与固气分离器(10)相连的伸缩管连接头(11)、连接在伸缩管连接头(11)上的固定筒(12)、套在固定筒(12)内的伸缩筒(20)构成。

7.根据权利要求3所述的预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：所述的位移传感器(LXC)为每次测量的量程达到2米的拉线式位移传感器。

8.根据权利要求3所述的预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：所述的煤屑控制器(14)由煤样罐、设在煤样罐下的排屑转接头(16)和弹簧螺旋输送机构成，煤样罐内设有与主机(KZ)相连的两个电容式料位开关(CH5)。

9.根据权利要求3所述的预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：所述的控制主机(KZ)内并联设置有测定瓦斯涌出量的6个气体流量传感器和1个测量过滤器过滤阻力的压力传感器，能够记录0～1020升/分的瓦斯气体流量。

10.根据权利要求3所述的预测煤巷突出的连续钻进流量法装置，其特征在于：所述的计算机数据采集器(SC)由防爆外壳和嵌入式计算机构成，防爆外壳上设置了操作按键和视窗，操作按键上有防护盖。

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