CN101392648B - 一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤层气检测技术领域，即：一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，它包括有花管仓、气体检测仓、集气仓，其中，花管仓为四周布满通孔内部中空的管状结构且两端分别与集气仓、气体检测仓连通；集气仓由集气瓶和阀门组成，集气瓶与阀门连接后再与花管仓连接；气体检测仓由传感器仓、控制器仓以及电池仓连通而成，控制器仓能控制传感器仓对花管仓内的煤层气参数进行检测并控制集气仓阀门的开合，电池仓提供控制器的电源。本发明的有益效果：煤层气的多参数检测，以保证煤炭生产安全的同时安全地开发新能源；检测同时可以采样以便后续研究；检测自动化程度高；结构设计紧凑。

Description

一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置

技术领域

本发明涉及煤层气参数检测领域，尤其涉及一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置。

背景技术

能源是国民经济发展的命脉，其勘探、开发工作越来越得到国家的重视和人民的关注。广泛储藏于地下煤层中的煤层气即甲烷是一种新兴能源，而在煤矿开采中它又是易燃易暴的危害物质。为了变害为宝充分有效地利用煤层气，开采前对煤层气进行超前探测采样，以保证煤炭生产安全的同时开发新能源就显得尤其重要。在煤田巷道采掘中预钻近水平孔或利用地面垂直勘探钻孔对煤层气进行孔内超前探测采样，直接获得地下煤层气的原状数据，是一项意义重大的技术工作。

目前对煤层气即甲烷进行检测的装置有：井下煤层瓦斯含量快速测定仪；便携式甲烷检测报警仪；光干涉式甲烷测定器，这三种探测仪通常适用于矿井检测而并适用勘探钻孔内煤层气的超前探测，而且上述几种检测装置功能比较单一，不能对煤层气多个参数同时检测，比如浓度、温度以及压力，而这些参数往往是保障安全开采的重要参数。并且目前对煤层气进行检测的装置缺少采样以便后续研究的功能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种能对勘探钻孔内煤层气多参数进行超前探测并采样的装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，包括有花管仓、气体检测仓、集气仓，其中，花管仓为四周布满通孔内部中空的管状结构且两端分别与集气仓、气体检测仓连通；集气仓由集气瓶和阀门组成，集气瓶与阀门连接后再与花管仓连接；气体检测仓由传感器仓、控制器仓以及电池仓连通而成，控制器仓能控制传感器仓对花管仓内的煤层气参数进行检测并控制集气仓阀门的开合，电池仓提供控制器的电源。

所述传感器仓安设有甲烷浓度传感器、温度传感器和气体压力传感器；甲烷浓度传感器、温度传感器和气体压力传感器均与控制器仓做电气连接。

所述传感器仓包括仓芯和管状结构的仓架，仓芯嵌入仓架内且正对花管仓设置，仓芯开设有两个安装孔和通气孔，两个安装孔处分别安装甲烷浓度传感器和温度传感器，通气孔与仓架的内孔连通；仓架的内孔安装气体压力传感器且感应端正对通气孔设置；仓架内还设置连线孔，连线孔与各个传感器的安装孔均连通。

所述集气仓阀门包括紧开松闭式瓶盖阀门、电磁阀门，集气瓶与紧开松闭式瓶盖阀门、电磁阀门依次连接后再与花管仓连接；控制器仓控制电磁阀门的开合。

所述控制器仓包括有单片机、外部存储器以及外设电路，单片机预设有程序指令实现自动检测并显示煤层气各参数、存储煤层气各参数数据、控制定时采集气体样本的功能。

所述单片机的外设电路还包括串口电路实现单片机与计算机对接传输数据。

所述花管仓、气体检测仓、集气仓均为圆管结构且外部设有丝扣进行各仓的联接。

所述气体检测仓包裹设置有外保护筒。

本发明的有益效果：

1、设置甲烷浓度传感器、温度传感器和气体压力传感器，从而获得地下煤层气的多个原状数据，以保证煤炭生产安全的同时安全地开发新能源；

2、可以按照不同需求设置检测时间、采样频率、气体样采集时间，实现孔内全自动检测；

3、紧凑的内部多孔的传感器安装架结构设计，使内部三个传感器的安装导通能在直径有限的条件下合理实现；

4、设置集气仓，检测同时可以采样以便后续研究，实现提取回放“地下黑匣子”数据的功能；而且集气仓阀门采用紧开松闭式瓶盖阀门并与电磁式阀门组合，巧妙地实现孔内煤层气样品的保真密封收集；

5、控制器仓内的单片机设置外部存储器以及外围电路包括串口电路，存储煤层气各参数数据且实现了单片机与计算机对接传输数据。

附图说明

图1为本发明实施的工况示意图；

图2为本发明一个实施例的结构示意图；

图3为本发明图2中传感器仓部分的放大图；

图4为本发明图3的右视图；

图5为本发明图2中集气仓部分的放大图；

图6为本发明控制电路原理图；

图7为本发明控制程序逻辑图。

图中：1-外保护筒，      2-电池仓端盖，         3-电池仓，         4-中心导电杆，

5-控制器仓，            6-仓架，               7-密封圈I，        8-仓芯，

9-挡片，                10-花管仓，            11-密封锁母，      12-电磁阀体，

13-电磁阀支架，         14-密封圈II，          15-瓶盖阀芯，      16-瓶盖阀套，

17-集气瓶，             18-压簧，              19-集气瓶端盖，    20-集气瓶接头，

21-电磁阀芯，           22-通气管，            23-通孔，          24-甲烷浓度传感器，

25-温度传感器，         26-气体压力传感器，    27-钻机，          28-钻杆，

29-钻孔，               30-封隔器，            31-超前探测采样装置，

32-压力传感器安装孔，   33-连线孔，            34-内孔，          35-通气孔，

36-圆孔，               37-椭圆孔，            38-煤层。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明做进一步说明，参见图1至图7。

在煤田巷道采掘中预钻近水平孔或利用地面垂直勘探钻孔对煤层气进行孔内超前探测采样，直接获得地下煤层气的原状数据以保证煤炭生产的安全又能有效安全地开发利用新能源。钻机27的钻杆28作用，在煤层38巷道采掘中预钻近水平孔，钻孔29内设置超前探测采样装置31，为了使得探测采样结果稳定可靠，还设置有封隔器30。

本发明提供的对煤层气进行孔内超前探测采样装置，它包括有花管仓10、气体检测仓、集气仓。为了和勘探钻孔更好地匹配，花管仓10、气体检测仓和集气仓均为圆管结构且外部设有丝扣进行各仓的联接。其中，花管仓10为一个四周布满通孔23内部中空的管状结构且两端分别与集气仓、气体检测仓连通。在勘探钻孔内煤层气的压力下，煤层气从花管仓10四周的通孔23进入，从而进一步进入到集气仓、气体检测仓完成后续工作。

气体检测仓由传感器仓、控制器仓5和提供控制器电源的电池仓3连通而成，为了保证电池和传感器的清洁干燥，气体检测仓包裹设置有外保护筒1与电池仓3、控制器仓5和传感器仓丝扣联接，外保护筒1末端与传感器仓相连处还设置密封圈I7。电池仓3端部连接电池仓3端盖2，中心导电杆4横穿整个电池仓3给控制器仓5导电。

传感器仓安设有甲烷浓度传感器24、温度传感器25和气体压力传感器26。受到长度和直径大小的限制，传感器仓一般设置直径为70mm长为210mm的圆柱体。为使三个传感器能在非常有限的圆柱体中得到紧凑安装，传感器仓包括仓芯8和管状结构的仓架6，仓芯8嵌入仓架6内且正对花管仓10设置，仓芯8开设有两个安装孔和通气孔35，两个安装孔处分别安装甲烷浓度传感器24和温度传感器25后安装挡片9加以固定，甲烷浓度传感器24为气敏型，温度传感器25为表面感应式。由于传感器本身大小和形状的差异，仓芯8的两个安装孔为不同形状和尺寸的孔，椭圆孔37中安装甲烷浓度传感器24，圆孔36中安装温度传感器25。通气孔35与仓架6的内孔34、压力传感器安装孔32连通，安装孔32初安装气体压力传感器26且感应端正对通气孔35设置。这样，花管仓10内腔中的煤层气在压力下通过通气孔35、仓架6的内孔34传递到气体压力传感器26的感应端。

甲烷浓度传感器24、温度传感器25和气体压力传感器26均与控制器仓5做电气连接，所以仓架6内还设置连线孔33，连线孔33与各个传感器的安装孔均连通。连线孔33用来安装电路连线，通过它把传感器的供电电源和输出电量信号与控制器仓5的电路板连接，电路联线接好后用密封胶灌封连线孔33。

控制器仓5能控制传感器仓对花管仓10内的煤层气参数进行检测并控制集气仓阀门的开合。控制器仓5包括有单片机、外部存储器以及外设电路，单片机预设有程序指令实现自动检测并显示煤层气各参数、存储煤层气各参数数据、控制定时采集气体样本的功能。所述单片机的外围电路还包括串口电路实现单片机与计算机对接传输数据。

其他外设还有总开关、预置按钮、工况显示管、启动开关、回放接口、电源等，程序指令预先写入单片机的主芯片内。工作前，打开总开关，通过预置按钮设置孔内参数检测时间、参数采样频率、气体样采集时间等。然后打开启动开关，随即将煤层气进行孔内超前探测采样装置31送入孔内按程序指令进行自动检测、显示煤层气各数据、存储煤层气数据，并定时采集气体样本。达到检测参数和采气样所需时间后，将装置提出钻孔，回放接口与计算机串口相联，即可将孔内检测存储的数据读入计算机，实现地面回放功能。

集气仓由集气瓶17和阀门组成，阀门又包括紧开松闭式瓶盖阀门、电磁阀门，集气瓶17与紧开松闭式瓶盖阀门、电磁阀门依次连接后再与花管仓10连接。紧开松闭式瓶盖阀门包括瓶盖阀芯15、压簧18、瓶盖阀套16，瓶盖阀芯15与瓶盖阀套16配合且配合处设置压簧18，瓶盖阀套16与集气瓶端盖19连接。电磁阀门包括密封锁母11、通气管22、电磁阀体12、电磁阀芯21、电磁阀支架13，密封锁母11连接在电磁阀体12的侧盖上，密封锁母11与通气管22连接，电磁阀芯21设置在电磁阀体12内部并控制作用通气管22的导通，电磁阀支架13连接在电磁阀体12的另一侧。电磁阀支架13设有顶杆，顶杆可顶开瓶盖阀芯15，使紧开松闭式瓶盖阀门开启。电磁阀支架13与集气瓶端盖19通过集气瓶接头20进行连接，集气瓶接头20与集气瓶端盖19的配合处配置密封圈II14防漏气。

集气瓶17在安装前抽成真空，电磁阀门初始状态为常闭。安装时，将带有紧开松闭式瓶盖阀门的集气瓶17拧紧到电磁阀门上，电磁阀门的顶杆将瓶盖阀芯15顶开。当孔内采集气样时，控制电路在程序指令下开启电磁阀门，煤层气从钻孔中通过花管仓10内腔、开启的电磁阀门、开启的紧开松闭式瓶盖阀门汇入到原本为真空的集气瓶17中。采集完毕后，控制电路在程序指令下关闭电磁阀门。提出钻孔，拧卸下集气瓶17，瓶盖阀门瞬时自动关闭，保持瓶内气体不会泄漏。

图7为本发明控制程序逻辑图即主芯片内程序指令的逻辑图，主要包括以下几个步骤：

(1)开始工作，

(2)通过预置按钮设置煤层气的检测时间、采样频率、气样采集时间等；

(3)检测电池仓电量是否充足，否则报警同时返回步骤(3)，是则进入下一步骤；

(4)完成一次对勘探钻孔内煤层气的温度、浓度、压力的检测；

(5)存储步骤(4)完成检测的各参数数据；

(6)检测预设的煤层气检测时间是否到达；否则返回步骤(4)，是则进入下一步骤；

(7)启动气体采集；

(8)检测预设的气样采集时间是否到达，否则返回步骤(7)，是则进入下一步骤；

(9)延时关闭控制信号；

(10)结束。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，包括有花管仓、气体检测仓、集气仓，其中，花管仓为四周布满通孔内部中空的管状结构且两端分别与集气仓、气体检测仓连通；集气仓由集气瓶和阀门组成，集气瓶与阀门连接后再与花管仓连接；气体检测仓由传感器仓、控制器仓以及电池仓连通而成，控制器仓能控制传感器仓对花管仓内的煤层气参数进行检测并控制集气仓阀门的开合，电池仓提供控制器的电源。

2.根据权利要求1所述的一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，所述传感器仓安设有甲烷浓度传感器、温度传感器和流体压力传感器；甲烷浓度传感器、温度传感器和流体压力传感器均与控制器仓做电气连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，所述传感器仓包括仓芯和管状结构的仓架，仓芯嵌入仓架内且正对花管仓设置，仓芯开设有两个安装孔和通气孔，两个安装孔处分别安装甲烷浓度传感器和温度传感器，通气孔与仓架的内孔连通；仓架的内孔安装流体压力传感器且感应端正对通气孔设置；仓架内还设置连线孔，连线孔与各个传感器的安装孔均连通。

4.根据权利要求1所述的一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，所述控制器仓包括有单片机、外部存储器以及外围电路，单片机预设有程序指令实现自动检测并显示煤层气各参数、存储煤层气各参数数据、控制定时采集气体样本的功能。

5.根据权利要求4所述的一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，所述单片机的外围电路包括有串口电路实现单片机与计算机对接传输数据。

6.根据权利要求1所述的一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，所述花管仓、气体检测仓、集气仓均为圆管结构且外部设有丝扣进行各仓的联接。

7.根据权利要求1所述的一种对勘探钻孔内煤层气进行超前探测采样装置，其特征在于，所述气体检测仓包裹设置有外保护筒。

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