CN104265368B - 增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置，属于预测煤巷突出的方法及装置。该装置由封孔装置，流量管，主机，煤屑漏斗，煤电钻，高流速传感器，低流速传感器，位移传感器，手压泵，煤屑排出管，麻花钻杆，定位挡板，导流装置，双锥体过滤筒，料位开关和推杆构成。通过一个可以外加煤屑的漏斗增加煤屑排出管的渗流阻力，将钻孔中涌出的瓦斯导向阻力较低的流量管，从而在工作面采用麻花钻杆连续钻进的条件下，将计算机与传感器技术结合以测定钻进过程的瓦斯涌出量及分布,构成一种连续钻进预测煤巷突出的方法。本装置结构简单，使用方便，测试准确可靠，用于判断煤巷在掘进过程中是否会发生突出或煤巷工作面向前推进多远而不会发生突出。

Description

增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置

技术领域

本发明涉及一种预测煤巷突出的流量法及其装置，特别是一种增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置。

背景技术

众所周知,目前井下普遍采用的煤巷突出预测方法全是“点预测”方法，《防治煤与瓦斯突出规定》第74条规定:可以采用下列方法预测煤巷掘进工作面的突出危险性；

1.钻屑指标法；

2.复合指标法；

3.R值指标法；

4.其他经试验证实有效的方法(钻屑温度，煤体温度，放炮后瓦斯涌出量等)。

《防治煤与瓦斯突出规定》第75条，76条和77条分别规定了前3种常用的煤巷突出预测方法的应用步骤。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，否则就预测为无突出危险的工作面。(参考文献：国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局制订，《防治煤与瓦斯突出规定》，煤炭工业出版社，2009年7月，P50～P54。)。这些方法来自于人们长期在现场生产过程中的经验总结，具有一定的参考价值。

上述方法的不足之处在于:各地煤矿在生产实践中经常出现采用这些方法预测不准的情况，有的甚至出现低指标突出的事例，造成严重的伤亡事故，也给现场下井的工人造成严重的心理恐慌。其原因是，煤巷掘进过程中能否突出与卸压带的长短密切相关。卸压带长，则掘进在卸压带内进行，一般不会发生突出；当卸压带较短时，同样进尺的掘进很容易将具有高压瓦斯的软煤暴露，导致突出。早在60年代，前苏联的.В.包布洛夫就观测到了这一现象。而目前的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。

2006年，我们提出了一种预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置。在这一发明中，首先通过煤巷工作面向煤巷前方的软煤层方向打一Φ85mm长900mm的孔，将封孔装置置入其中，使之膨胀后密封住钻孔；再将固气分离装置与封孔装置的下方相接，将麻花钻杆插入封孔装置后再通过伸缩管与岩石电钻上的推进杆连接；将放在岩石电钻后部的位移传感器上的钢丝绳挂接在岩石电钻后部；将固气分离装置上方的瓦斯气体出口用胶管通过过滤器与主机相连。通过伸缩管内的推杆将麻花钻杆向前推进，边打钻边探测钻孔中涌出的瓦斯流量。这一发明为现场提供了一种“线预测”的煤巷突出预测方法。但这个发明的缺陷是每当一根钻杆打完后需要把处于密闭的伸缩管打开，将推杆与麻花钻杆脱离后插入一根新的麻花钻杆，再合上伸缩管。由于麻花钻杆的接入很麻烦，同时在接入钻杆期间又有相当一部分瓦斯气体会泄漏，影响了该装备的使用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置，能够在每次掘进之前直接根据现场测定的指标值来准确判断掘进过程中是否会发生突出这种动力现象，为煤矿现场的科学管理提供依据。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括预测煤巷突出的流量方法及专用装置；预测煤巷突出的流量方法：维持煤屑排出管的渗流阻力始终处于较高状态，迫使钻孔中涌出的瓦斯流向阻力较低的流量管，以便在麻花钻杆钻进的过程中准确测定钻孔中涌出的瓦斯量；在打钻过程中，如果遇到钻孔中喷孔，大量的煤屑与瓦斯急速涌出，受煤屑排出管中煤屑的阻碍，将进入双锥体过滤筒的下部，料位开关将显示，这时必须保持煤电钻运转但停止进钻，操作双锥体过滤筒上部的推杆，将双锥体过滤筒下部的煤屑推出，疏通双锥体过滤筒内的瓦斯通道；如果煤巷工作面前方的煤层赋存差异较大，在巷道的另一边再打一预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据；

预测突出的流量法的具体步骤如下：在煤巷工作面前方的软煤层方向打一Φ90mm长900mm的孔，将封孔装置置入其中，使之膨胀后密封住钻孔；具体步骤如下：

第一步，将流量管和煤屑漏斗及煤屑排出管与封孔装置连接，在煤屑漏斗上挂上定位挡板；将流量管上的高流速传感器、低流速传感器和料位开关及煤电钻上的位移传感器与主机相连；麻花钻杆从煤屑排出管中直接插入，进入到煤层中，后部连上煤电钻，即可进行打钻测试；

第二步，先向煤屑漏斗中加满煤屑，并在钻进过程中不断将打钻排出的煤屑加入煤屑漏斗，保持漏斗中的煤屑处于加满状态；按下主机上的开始键，再启动煤电钻，带动麻花钻杆向煤层前方打钻，边打钻，边记录从钻孔中涌出的瓦斯气体流量及钻头的位移值；

第三步，当打完一根钻杆后，停下煤电钻；拔下煤电钻与麻花钻杆之间的插销，使得煤电钻与麻花钻杆脱离，接入一根新的麻花钻杆；

第四步，启动煤电钻向煤层前方打钻，继续进行测定工作；

第五步，当钻孔较深时，继续上述同样的步骤，直到麻花钻杆打到预定的深度为止，按停止键；

第六步，按数据处理键，运行数据处理程序，将测定的电流信号转换为各传感器的瓦斯流量值和钻头的位移值，高流速传感器、低流速传感器测定的流量值以低流速传感器是否在测定范围来确定其一作为钻孔涌出的瓦斯流量；再将随时间分布的流量曲线转换为按钻孔深度分布的流量曲线；

第七步，按显示键，在主机屏幕上显示出沿孔深分布的瓦斯流量变化曲线；

第八步，在沿孔深分布的瓦斯流量曲线上选出流量最大的部位计算出单位长度钻孔上的瓦斯涌出总量；按预测键，与临界值相比，判断涌出量最大部位的煤体是否具有突出危险性，据此也可以确定该工作面下一掘进的安全进尺深度；

第九步，按存盘键，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘；

第十步，按结束键，结束测定工作。

所述的预测突出的流量法的专用装置包括：麻花钻杆、封孔装置、双锥体过滤筒、流量管、高流速传感器、低流速传感器、导流装置、推杆、料位开关、煤屑漏斗、定位挡板、煤屑排出管、手压泵、主机、煤电钻和位移传感器；封孔装置置于煤孔中，封孔装置位于煤孔外端连接有双锥体过滤筒、煤屑漏斗和煤屑排出管，同时与手压泵连接；流量管和导流装置连接后与双锥体过滤筒的上端连接，在双锥体过滤筒的上部安装有推杆，在双锥体过滤筒的下部安装有料位开关；在流量管上分别连接有高流速传感器、低流速传感器；高流速传感器、低流速传感器、料位开关和位移传感器的输出端通过导线与主机的输入端连接，主机的输出端与煤电钻连接；在煤屑漏斗的外壁上连接有定位挡板，定位挡板与位移传感器相对应；麻花钻杆与煤电钻连接，麻花钻杆连接钻头后从煤屑排出管穿过封孔装置进入煤层。

所述的主机包括：壳体、功率变送器、双路本质安全型电源、调理电路板、计算机、显示屏和本安触摸式鼠标；双路本质安全型电源主要为外部的各种传感器及料位开关提供本安电源；功率变送器的输入端与通过主机的三相电源相连，功率变送器的输出端与外部各种传感器输出端一起，与调理电路板的输入端连接；调理电路板的输出端又与计算机中的A/D-D/A模块及CPU模块相连；本安触摸式鼠标通过信号变换模块和USB电路模块与计算机的CPU模块连接，在显示屏上对计算机进行操作；CPU模块的输出端与显示模块连接，显示模块由显示器电源供电；功率变送器、互感器、双路本质安全型电源、调理电路板、计算机和显示屏均置于具有防爆功能的壳体之内。

所述的低流速传感器和高流速传感器测定瓦斯涌出量范围为0～1689升/分，足以满足钻孔中涌出的瓦斯流量测定的需要。

有益效果，由于采用了上述方案，煤巷突出预测可以直接采用麻花钻杆向前打钻，当钻头处于含有高压瓦斯的软煤中和无突出危险的煤体中时，涌出的瓦斯量相差较大。在钻孔过程中，煤屑和瓦斯顺着钻孔向外涌出，预测突出的关键是通过固气分离，准确计量其中的瓦斯涌出量。通过煤屑漏斗加入煤屑，与钻孔中排出的煤屑共同进入煤屑排出管，增加了煤屑排出管的充盈程度和瓦斯的渗流阻力，迫使瓦斯提前沿着阻力较小的流量管排出，防止钻孔中涌出的瓦斯从煤屑排出管泄漏。这样测定出来的沿钻孔的瓦斯流量分布准确体现了工作面前方是否具有含高压瓦斯的软煤，软煤的突出危险性和软煤的位置，为煤巷突出预测奠定了基础。

此外，本发明的流量管上安装了一个高流速和一个低流速的高精度气体流量传感器，能够记录0～1689升/分的瓦斯流量。煤电钻上的位移传感器是超声波位移传感器，能够非接触地一次记录长达5米的位移，测定精度在±3毫米以内。整个装置测定使用简单，结果准确、可靠。

本发明装置对煤巷工作面的突出危险性进行了多次测定，在有突出危险的煤巷工作面，局部钻孔段瓦斯的流量峰较高，甚至出现喷孔；而在没有突出危险的煤巷工作面，则没有出现较高的瓦斯流量峰，具有显著的差异，能够预测煤巷的突出危险性。

本发明的优点在于：1.直接采用外加煤屑的方法增大瓦斯的渗流阻力，迫使钻孔中涌出的瓦斯通过低阻力的瓦斯流量管。这样用煤电钻向前打钻时加接麻花钻杆时非常简单，与煤巷工作面正常的打钻一样，非常实用；2.钻孔中涌出的瓦斯量计量范围增大，即使发生喷孔，也能将瓦斯流量记录下来；3.将原先的拉线式位移传感器换为非接触的超声传感器，减少了拉线的缠绕事故。

附图说明

图1为本发明的装置系统图。

图2为本发明的电气原理图。

图中，1、麻花钻杆；2、封孔装置；3、双锥体过滤筒；4、流量管；5、高流速传感器；6、低流速传感器；7、导流装置；8、推杆；9、料位开关；10、煤屑漏斗；11、定位挡板；12、煤屑排出管；13、手压泵；14、主机；15、煤电钻；16、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：

本发明包括预测煤巷突出的流量方法及专用装置；预测突出的流量方法：维持煤屑排出管的渗流阻力始终处于较高状态，迫使钻孔中涌出的瓦斯流向阻力较低的流量管，以便在麻花钻杆钻进的过程中准确测定钻孔中涌出的瓦斯量；在打钻过程中，如果遇到钻孔中喷孔，大量的煤屑与瓦斯急速涌出，受煤屑排出管中煤屑的阻碍，将进入双锥体过滤筒的下部，料位开关将显示；这时必须保持煤电钻运转但停止进钻，操作双锥体过滤筒上部的推杆，将双锥体过滤筒下部的煤屑推出，疏通双锥体过滤筒内的瓦斯通道；如果煤巷工作面前方的煤层赋存差异较大，在巷道的另一边再打一预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据；

预测突出的流量法的具体步骤如下：在煤巷工作面前方的软煤层方向打一Φ90mm长900mm的孔，将封孔装置置入其中，使之膨胀后密封住钻孔；具体步骤如下：

第一步，将流量管和煤屑漏斗及煤屑排出管与封孔装置连接，在煤屑漏斗上挂上定位挡板；将流量管上的高流速传感器、低流速传感器和料位开关及煤电钻上的位移传感器与主机相连；麻花钻杆从煤屑排出管中直接插入，进入到煤层中，后部连上煤电钻，即可进行打钻测试；

第二步，先向煤屑漏斗中加满煤屑，并在钻进过程中不断将打钻排出的煤屑加入煤屑漏斗，保持漏斗中的煤屑处于加满状态；按下主机上的开始键，再启动煤电钻，带动麻花钻杆向煤层前方打钻，边打钻，边记录从钻孔中涌出的瓦斯气体流量及钻头的位移值；

第三步，当打完一根钻杆后，停下煤电钻；拔下煤电钻与麻花钻杆之间的插销，使得煤电钻与麻花钻杆脱离，接入一根新的麻花钻杆；

第四步，启动煤电钻向煤层前方打钻，继续进行测定工作；

第五步，当钻孔较深时，继续上述同样的步骤，直到麻花钻杆打到预定的深度为止，按停止键；

第六步，按数据处理键，运行数据处理程序，将测定的电流信号转换为各传感器的瓦斯流量值和钻头的位移值，高流速传感器、低流速传感器测定的流量值以低流速传感器是否在测定范围来确定其一作为钻孔涌出的瓦斯流量；再将随时间分布的流量曲线转换为按钻孔深度分布的流量曲线；

第七步，按显示键，在主机屏幕上显示出沿孔深分布的瓦斯流量变化曲线；

第八步，在沿孔深分布的瓦斯流量曲线上选出流量最大的部位计算出单位长度钻孔上的瓦斯涌出总量；按预测键，与临界值相比，判断涌出量最大部位的煤体是否具有突出危险性，据此也可以确定该工作面下一掘进的安全进尺深度；

第九步，按存盘键，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘；

第十步，按结束键，结束测定工作。

所述的预测流量方法的专用装置包括：麻花钻杆1、封孔装置2、双锥体过滤筒3、流量管4、高流速传感器5、低流速传感器6、导流装置7、推杆8、料位开关9、煤屑漏斗10、定位挡板11、煤屑排出管12、手压泵13、主机14、煤电钻15和位移传感器16；封孔装置2置于煤孔中，封孔装置2位于煤孔外端连接有双锥体过滤筒3、煤屑漏斗10和煤屑排出管12，同时与手压泵13连接；流量管4和导流装置7连接后与双锥体过滤筒3的上端连接，在双锥体过滤筒3的上部安装有推杆8，在双锥体过滤筒3的下部安装有料位开关9；在流量管4上分别连接有高流速传感器5、低流速传感器6。高流速传感器5、低流速传感器6、料位开关9和位移传感器16的输出端通过导线与主机14的输入端连接，主机14的输出端与煤电钻15连接。在煤屑漏斗10的外壁上连接有定位挡板11，定位挡板11与位移传感器16相对应；麻花钻杆1与煤电钻15连接，麻花钻杆1连接钻头后从煤屑排出管12穿过封孔装置2进入煤层。

所述的主机包括：壳体、功率变送器、双路本质安全型电源、调理电路板、计算机、显示屏和本安触摸式鼠标；双路本质安全型电源为外部的各种传感器及料位开关提供本安电源；功率变送器的输入端与通过主机的三相电源相连，功率变送器的输出端与外部各种传感器输出端一起，与调理电路板的输入端连接；调理电路板的输出端又与计算机中的A/D-D/A模块及CPU模块相连；本安触摸式鼠标通过信号变换模块和USB电路模块与计算机的CPU模块连接，在显示屏上对计算机进行操作；CPU模块的输出端与显示模块连接，显示模块由显示器电源供电；功率变送器、互感器、双路本质安全型电源、调理电路板、计算机和显示屏均置于具有防爆功能的壳体之内。

所述的流量管中安装的低流速传感器6和高流速传感器5测定瓦斯涌出量范围为0～1689升/分，足以满足钻孔中涌出的瓦斯流量测定的需要。

流量管下部安设了导流装置7，能够保证进入传感器的气流稳定；流量管下部还安设了双锥体过滤筒3，双锥体过滤筒中安设了一个较大的过滤网，能够保证进入流量管的气流粉尘减少；流量管下部的双锥体过滤筒3上安设了料位开关9和推杆8，当打钻过程中发生喷孔时，涌入双锥体过滤筒3下部的煤屑将被料位开关9及时显示，通过减少进钻和用推杆8推动煤屑，能够及时疏通瓦斯气流通道，保证钻孔中涌出的瓦斯数据被全部采集。

当煤电钻向煤层内打钻时，煤屑与瓦斯通过封孔装置2进入流量管4下部的三通，其中煤屑由于重力作用顺着水平导管向外运移，与煤屑漏斗10中压下来的煤屑混合，一起进入煤屑排出管12并将煤屑排出管充满后排出。由于煤屑排出管的阻力增加，迫使瓦斯提前由阻力较低的流量管4排出，实现瓦斯与煤屑的分流。流量管4上的流速传感器可以完整地记录经过流量管的瓦斯流量。安装在煤电钻15上的位移传感器16则每时每刻记录下位移传感器16与定位挡板11之间距离的相对变化，由此可以计算出钻头在煤层中的移动距离，这些数据均由主机14中的计算机采集。通过数据处理程序进行处理，可以计算出沿钻进深度的瓦斯流量分布曲线，该曲线的分布情况反映了煤巷工作面前方突出危险性大小。

在封孔装置的外端连接有双锥体过滤筒、煤屑漏斗和煤屑排出管，在钻进过程中，不断向煤屑漏斗中加入煤屑，确保煤屑排出管中排出的煤屑处于充满的状态，增大了瓦斯渗流的阻力，迫使钻孔中涌出的瓦斯从阻力较小的流量管中排出。

流量管下部安设了导流装置7，能够保证进入流量管的气流稳定。

流量管下部还安设了双锥体过滤筒3，双锥体过滤筒中安设了一个较大的过滤网，既能降低瓦斯中的粉尘，又能减少过滤的阻力。

流量管下部的双锥体过滤筒3上安设了料位开关9和推杆8，当打钻过程中发生喷孔时，涌入双锥体过滤筒3下部的煤屑将被料位开关9及时显示，通过减少进钻和用推杆8推动煤屑，能够及时疏通瓦斯气流通道，保证钻孔中涌出的瓦斯数据被全部采集。

该装置中的主机14，煤电钻15，高流速传感器5，低流速传感器6，位移传感器16，料位开关9都设计为防爆形式，可以在有爆炸性气体环境的煤巷工作面使用。

Claims (4)

1.一种增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量方法，包括在煤巷工作面前方的软煤层方向打一Φ90mm、长900mm的孔，将封孔装置置入其中，使之膨胀后密封住钻孔；其特征是：维持煤屑排出管的渗流阻力始终处于较高状态，迫使钻孔中涌出的瓦斯流向阻力较低的流量管，以便在麻花钻杆钻进的过程中准确测定钻孔中涌出的瓦斯量；在打钻过程中，如果遇到钻孔中喷孔，大量的煤屑与瓦斯急速涌出，受煤屑排出管中煤屑的阻碍，将进入双锥体过滤筒的下部，料位开关将显示，这时必须保持煤电钻运转但停止进钻，操作双锥体过滤筒上部的推杆，将双锥体过滤筒下部的煤屑推出，疏通双锥体过滤筒内的瓦斯通道；如果煤巷工作面前方的煤层赋存差异较大，在巷道的另一边再打一预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据；

预测突出的流量法的具体步骤如下：

第一步，将流量管和煤屑漏斗及煤屑排出管与封孔装置连接，在煤屑漏斗上挂上定位挡板；将流量管上的高流速传感器、低流速传感器和料位开关及煤电钻上的位移传感器与主机相连；麻花钻杆从煤屑排出管中直接插入，进入到煤层中，后部连上煤电钻，即可进行打钻测试；

第二步，先向煤屑漏斗中加满煤屑，并在钻进过程中不断将打钻排出的煤屑加入煤屑漏斗，保持漏斗中的煤屑处于加满状态；按下主机上的开始键，再启动煤电钻，带动麻花钻杆向煤层前方打钻，边打钻，边记录从钻孔中涌出的瓦斯气体流量及钻头的位移值；

第三步，当打完一根钻杆后，停下煤电钻；拔下煤电钻与麻花钻杆之间的插销，使得煤电钻与麻花钻杆脱离，接入一根新的麻花钻杆；

第四步，启动煤电钻向煤层前方打钻，继续进行测定工作；

第五步，当钻孔较深时，继续第三步同样的步骤，直到麻花钻杆打到预定的深度为止，按停止键；

第六步，按数据处理键，运行数据处理程序，将测定的电流信号转换为各传感器的瓦斯流量值和钻头的位移值，高流速传感器、低流速传感器测定的流量值以低流速传感器是否在测定范围来确定其一作为钻孔涌出的瓦斯流量；再将随时间分布的流量曲线转换为按钻孔深度分布的流量曲线；

第七步，按显示键，在主机屏幕上显示出沿孔深分布的瓦斯流量变化曲线；

第八步，在沿孔深分布的瓦斯流量曲线上选出流量最大的部位计算出单位长度钻孔上的瓦斯涌出总量；按预测键，与临界值相比，判断涌出量最大部位的煤体是否具有突出危险性，据此也可以确定该工作面下一掘进循环的安全进尺深度；

第九步，按存盘键，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘；

第十步，按结束键，结束测定工作。

2.一种实现权利要求1所述方法的增阻导流连续钻进预测煤巷突出的装置，其特征在于：它包括麻花钻杆、封孔装置、双锥体过滤筒、流量管、高流速传感器、低流速传感器、导流装置、推杆、料位开关、煤屑漏斗、定位挡板、煤屑排出管、手压泵、主机、煤电钻和位移传感器；封孔装置置于煤孔中，封孔装置位于煤孔的外端连接有双锥体过滤筒、煤屑漏斗和煤屑排出管，同时与手压泵连接；流量管和导流装置连接后与双锥体过滤筒的上端连接，在双锥体过滤筒的上部安装有推杆，在双锥体过滤筒的下部安装有料位开关；在流量管上分别连接有高流速传感器、低流速传感器；高流速传感器、低流速传感器、料位开关和位移传感器的输出端通过导线与主机的输入端连接，主机的输出端与煤电钻连接；在煤屑漏斗的外壁上连接有定位挡板，定位挡板与位移传感器相对应；麻花钻杆与煤电钻连接，麻花钻杆连接钻头后从煤屑排出管穿过封孔装置进入煤层。

3.根据权利要求2所述的增阻导流连续钻进预测煤巷突出的装置，其特征在于：所述的主机包括：壳体、功率变送器、双路本质安全型电源、调理电路板、计算机、显示屏和本安触摸式鼠标；双路本质安全型电源主要为外部的各种传感器及料位开关提供本安电源；功率变送器的输入端与通过主机的三相电源相连，功率变送器的输出端与外部各种传感器输出端一起，与调理电路板的输入端连接；调理电路板的输出端又与计算机中的A/D-D/A模块及CPU模块相连；本安触摸式鼠标通过信号变换模块和USB电路模块与计算机的CPU模块连接，在显示屏上对计算机进行操作；CPU模块的输出端与显示模块连接，显示模块由显示器电源供电；功率变送器、互感器、双路本质安全型电源、调理电路板、计算机和显示屏均置于具有防爆功能的壳体之内。

4.根据权利要求2所述的增阻导流连续钻进预测煤巷突出的装置，其特征在于：所述的流量管上安装的低流速传感器和高流速传感器测定瓦斯涌出量范围为0～1689升/分，足以满足钻孔中涌出的瓦斯流量测定的需要。