CN104329078A - 一种利用超声波测瓦斯压力的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用超声波测瓦斯压力的装置，包括声波仪、导线、控制器及处理器、显示器，所述声波仪包括外壳、封闭盖、上夹煤板、下夹煤板、声波发射器、标准试验煤柱和声波接收器，所述外壳一端封闭，另一端开口，所述开口用封闭盖封闭，外壳中间放置标准试验煤柱，标准试验煤柱一端用下夹煤板夹持，另一端用上夹煤板夹持；下夹煤板上设有声波发射器，声波发射器一端与标准试验煤柱接触，另一端通过导线与控制及处理器连接，上夹煤板设有声波接收器，声波接收器一端与标准试验煤柱接触，另一端通过导线与控制及处理器连接。本发明提供的装置，具有测量精确，操作便捷，省时省力等优点。本发明还提供了一种利用上述装置测瓦斯压力的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定煤层瓦斯压力的装置，具体涉及一种利用超声波测瓦斯压力的装置及方法。
背景技术
高瓦斯矿井和突出矿井的开采往往有瓦斯涌出和煤与瓦斯突出事故，严重影响和制约着煤炭的安全开采和煤炭行业的健康发展。煤层瓦斯压力是评估煤层突出危险性的重要指标之一，煤层在开采之前必须预先对煤层瓦斯压力进行探测，进而采取相应的瓦斯抽采措施。而现有的钻孔测瓦斯压力的方法主要是预先钻孔，放置压力传感器，封堵抽采钻孔、测压等操作，其存在着封孔质量差，工人长时间看管仪表，测压耗时长，测压效率低，测压不精确的问题。
超声波在煤柱中传递速度与煤柱所处的气体压力有关，在地面压差不大的情况下，波速几乎相同，但是在井下煤层中，尤其是高瓦斯、瓦斯突出矿井，瓦斯压力达到了0.1MPa以上，在这种压力下，超声波在煤柱中传递速度与标准压力下相差较大，因为试验煤柱长度是已知的，如果得到超声波在煤柱中的传播时间即可以得到超声波在煤柱中传播的速度，煤柱中瓦斯压力不同时，超声波在煤柱中传播速度不同，并且煤柱中超声波传播速度与煤柱中瓦斯压力呈线性关系。在实验室对不同瓦斯压力情况下超声波在含瓦斯煤柱中的速度进行标定，即可以得到瓦斯压力与超声波速度的函数关系，在此函数关系基础上测定超声波在煤柱中传播的时间差即可反推出瓦斯压力。
发明内容
本发明设计出一种利用超声波测瓦斯压力的装置，具有测量精确，操作便捷，省时省力等优点。本发明还提供了一种利用上述装置测瓦斯压力的方法，简化了测压操作，测压操作简单便捷，节约了工人大量的工作时间，显著提高了瓦斯压力的测量精度和测量效率。
一种利用超声波测瓦斯压力的装置，包括声波仪、导线、控制及处理器、显示器，所述声波仪包括外壳、封闭盖、下夹煤板、上夹煤板、声波发射器、标准试验煤柱和声波接收器，所述外壳一端封闭，另一端开口，所述开口用所述封闭盖封闭，所述外壳内表面喷有吸声涂层，所述外壳外表面布有网孔；所述外壳中间放置标准试验煤柱，所述标准试验煤柱两端分别用下夹煤板和上夹煤板夹持；所述下夹煤板上设有声波发射器，所述声波发射器一端与所述标准试验煤柱接触，另一端穿过封闭盖通过导线与控制及处理器连接，所述上夹煤板上设有声波接收器，所述声波接收器一端与所述标准试验煤柱接触，另一端穿过封闭盖通过导线与控制及处理器连接。
本发明所述的一种利用超声波测瓦斯压力的装置，其中，所述外壳长度为500～900mm，直径为50～70mm。
本发明所述的一种利用超声波测瓦斯压力的装置，其中，所述标准试验煤柱长度为400～800mm，直径为40～66mm，所述标准试验煤柱为完整的煤柱，本发明所说的完整的煤柱是指无较大裂纹或无破碎的煤柱。
本发明所述的一种利用超声波测瓦斯压力的装置，其中，所述外壳由金属铁制成。
本发明所述的一种利用超声波测瓦斯压力的装置，其中，所述上夹煤板和所述下夹煤板表面附有吸声填充层，所述吸声填充层为多层硅酸铝棉。
本发明所述的一种利用超声波测瓦斯压力的装置，其中，所述封闭盖为螺纹旋转封闭盖。
一种使用上述装置测瓦斯压力的方法，包括以下步骤：
(a)向将进行瓦斯抽采的待测煤层打钻孔；
(b)通过步骤(a)中所述钻孔，取出所述煤层中的煤柱，加工成标准试验煤柱，所述标准试验煤柱在与待测煤层相同温度，压力为标准大气压条件下解析；解析完成后，在上述温度和压力条件下测出瓦斯压力值(压力校准值)，并以所述瓦斯压力值对声波仪进行校零；
(c)在步骤(a)中所述钻孔中放置步骤(b)中所述声波仪，所述声波仪放置在步骤(a)中所述煤层中间位置，将导线引出至瓦斯钻孔孔口，所述导线与控制及处理器连接，启动装置测试超声波信号，确认装置无故障后，用封孔材料封堵瓦斯钻孔；
(d)步骤(b)所述标准试验煤柱吸附瓦斯，当所述标准试验煤柱中内外压力平衡，所述内外压力的值接近于原始瓦斯压力时，步骤(c)中所述控制及处理器根据声波发射器发射超声波与声波接受器接收超声波的时间差测得瓦斯压力。
本发明所述的装置测瓦斯压力的方法，其中，步骤(b)中所述瓦斯压力值是以标准大气压下，待测煤层温度下，标准试验煤柱解析48h后，采用超声波测瓦斯压力的装置测得的压力值。
本发明所述的装置测瓦斯压力的方法，其中，步骤(d)中所述超声波的频率为10KHz～2.5MHz，精度0.1μs；幅度：0～150dB。
本发明所述的装置测瓦斯压力的方法，其中，步骤(d)中所述标准试验煤柱吸附瓦斯时间为48h。
本发明提供的一种利用超声波测瓦斯压力的装置，具有测量精确，操作便捷，省时省力等优点；所述标准试验煤柱长度为400～800mm，直径为40～66mm，所述标准试验煤柱为完整的煤柱，有利于压力测试的精确性，且易于加工成型；所述上夹煤板和所述下夹煤板表面附有吸声填充层为多层硅酸铝棉，多层硅酸铝棉兼有较强的吸声性能和稳定性；所述封闭盖为螺纹旋转封闭盖；可以调整夹紧标准试验煤柱，使实验测试更加精确。
本发明提供的使用上述装置测瓦斯压力的方法，声波发射器发射的超声波通过标准试验煤柱传递，而其他扩散的超声波被周围的吸声涂层或吸声材料吸收，不会干扰数据的准确性，且由于瓦斯钻孔中仅仅引出两条引线，钻孔封堵严密性较高，测得压力接近真实压力，具有测量精确，操作便捷，省时省力等优点。
附图说明
图1为本发明利用超声波测瓦斯压力的装置的工作原理图；
图2为本发明利用超声波测瓦斯压力的装置的主视图；
图3为本发明利用超声波测瓦斯压力的装置沿图2中A-A线的剖视图；
图4为本发明利用超声波测瓦斯压力的装置的工作状态的示意图。
图中，1—控制及处理器，2—显示器，3—导线，4—声波发射器，5—标准试验煤柱，6—声波接收器，7—封闭盖，8—下夹煤板，9—外壳，10—上夹煤板11—网孔，12—封孔材料，13—岩层，14—煤层。
下面结合具体实施例和附图对本发明利用超声波测瓦斯压力的装置及方法进一步说明。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示，一种利用超声波测瓦斯压力的装置，包括声波仪、导线3、控制器及处理器1、显示器2，声波仪包括外壳9、封闭盖7、下夹煤板8、上夹煤板10、声波发射器4、标准试验煤柱5和声波接收器6，长度为500mm、直径为50mm的外壳9一端封闭，另一端开口，所述开口用螺纹旋转封闭盖7封闭，外壳9由金属铁制成，外壳9外表面布有网孔11，外壳9内表面喷有吸声涂层；外壳9中间放置长度为400mm，直径为40mm的标准试验煤柱5，标准试验煤柱5为完整的煤柱，该完整的煤柱是指无较大裂纹或无破碎的煤柱，标准试验煤柱5一端用下夹煤板8夹持，另一端用上夹煤板10夹持，下夹煤板8上设有声波发射器4，声波发射器4一端与标准试验煤柱5接触，另一端穿过封闭盖7通过导线3与控制及处理器1连接，上夹煤板10上设有声波接收器6，声波接收器6一端与标准试验煤柱5接触，另一端穿过封闭盖7通过导线3与控制及处理器1连接，下夹煤板8和所述上夹煤板10表面附有吸声填充层，该吸声填充层为多层硅酸铝棉。
本实施例利用超声波测瓦斯压力的装置的工作原理是：通过控制及处理器1激活声波发射器4，声波发射器4向标准试验煤柱5中发射超声波，超声波在标准试验煤柱5介质中传播，声波接收器6接收到标准试验煤柱5中传递的超声波后发送到控制器及处理器1，控制器及处理器1根据发射超声波与接受超声波间的时间差进行处理计算得出煤层中瓦斯压力，若持续15分钟控制器及处理器1测得瓦斯压力数据稳定，则所测得数据即可认为瓦斯压力。
本实施例上述装置测瓦斯压力的方法，包括以下步骤：
(a)向将进行瓦斯抽采的待测煤层14打钻孔；
(b)通过步骤(a)中所述钻孔，取出所述煤层14中的煤柱，加工成标准试验煤柱5，所述标准试验煤柱5在与待测煤层14相同温度，压力为标准大气压条件下解析48h，所述解析为瓦斯由吸附状态转化成游离状态；解析完成后，在上述温度和压力条件下测出瓦斯压力值(压力校准值)，并以所述瓦斯压力值对声波仪进行校零；
(c)在步骤(a)中所述钻孔中放置步骤(b)中所述声波仪，所述声波仪放置在步骤(a)中所述煤层14中间位置，将导线3引出至瓦斯钻孔孔口，导线3与控制及处理器1连接，启动装置测试超声波信号，确认装置无故障后，用封孔材料12封堵瓦斯钻孔；
(d)步骤(b)中所述标准试验煤柱5吸附瓦斯时间为48h，当所述标准试验煤柱5中内外压力平衡，所述内外压力的值接近于原始瓦斯压力时，步骤(c)中所述控制及处理器根据声波发射器4发射超声波与声波接受器6接收超声波的时间差测得瓦斯压力，超声波频率为10KHz，精度0.1μs；幅度：0dB。
实施例2
如图1、图2、图3和图4所示，一种利用超声波测瓦斯压力的装置，包括声波仪、导线3、控制器及处理器1、显示器2，声波仪包括外壳9、封闭盖7、下夹煤板8、上夹煤板10、声波发射器4、标准试验煤柱5和声波接收器6，长度为900mm、直径为70mm的外壳9一端封闭，另一端开口，所述开口用螺纹旋转封闭盖7封闭，外壳9由金属铁制成，外壳9外表面布有网孔11，外壳9内表面喷有吸声涂层；外壳9中间放置长度为800mm，直径为66mm的标准试验煤柱5，标准试验煤柱5为完整的煤柱，该完整的煤柱是指无较大裂纹或无破碎的煤柱，标准试验煤柱5一端用下夹煤板8夹持，另一端用上夹煤板10夹持，下夹煤板8上设有声波发射器4，声波发射器4一端与标准试验煤柱5接触，另一端穿过封闭盖7通过导线3与控制及处理器1连接，上夹煤板10上设有声波接收器6，声波接收器6一端与标准试验煤柱5接触，另一端穿过封闭盖7通过导线3与控制及处理器1连接，下夹煤板8和所述上夹煤板10表面附有吸声填充层，该吸声填充层为多层硅酸铝棉。
本实施例利用超声波测瓦斯压力的装置的工作原理同实施例1。
本实施例上述装置测瓦斯压力的方法，包括以下步骤：
(b)向将进行瓦斯抽采的待测煤层14打钻孔；
(b)通过步骤(a)中所述钻孔，取出所述煤层14中的煤柱，加工成标准试验煤柱5，所述标准试验煤柱5在与待测煤层14相同温度，压力为标准大气压条件下解析48h，所述解析为瓦斯由吸附状态转化成游离状态；解析完成后，在上述温度和压力条件下测出瓦斯压力值(压力校准值)，并以所述瓦斯压力值对声波仪进行校零；
(c)在步骤(a)中所述钻孔中放置步骤(b)中所述声波仪，所述声波仪放置在步骤(a)中所述煤层14中间位置，将导线3引出至瓦斯钻孔孔口，导线3与控制及处理器1连接，启动装置测试超声波信号，确认装置无故障后，用封孔材料12封堵瓦斯钻孔；
(d)步骤(b)中所述标准试验煤柱5吸附瓦斯时间为48h，当所述标准试验煤柱5中内外压力平衡，所述内外压力的值接近于原始瓦斯压力时，步骤(c)中所述控制及处理器根据声波发射器4发射超声波与声波接受器6接收超声波的时间差测得瓦斯压力，超声波频率为2.5MHz，精度0.1μs；幅度：150dB。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本本发的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用超声波测瓦斯压力的装置，其特征在于：包括声波仪、导线(3)、控制及处理器(1)、显示器(2)，所述声波仪包括外壳(9)、封闭盖(7)、下夹煤板(8)、上夹煤板(10)、声波发射器(4)、标准试验煤柱(5)和声波接收器(6)，所述外壳(9)一端封闭，另一端开口，所述开口用封闭盖(7)封闭，所述外壳(9)内表面喷有吸声涂层，所述外壳(9)外表面布有网孔(11)；所述外壳(9)中放置标准试验煤柱(5)，所述标准试验煤柱(5)一端用下夹煤板(8)夹持，另一端用上夹煤板(10)夹持；所述下夹煤板(8)上设有声波发射器(4)，所述声波发射器(4)一端与所述标准试验煤柱(5)接触，另一端穿过封闭盖(7)通过导线(3)与控制及处理器(1)连接，所述上夹煤板(10)上设有声波接收器(6)，所述声波接收器(6)一端与所述标准试验煤柱(5)接触，另一端穿过封闭盖(7)通过导线(3)与控制及处理器(1)连接。
2.根据权利要求1所述利用超声波测瓦斯压力的装置，其特征在于：所述外壳(9)长度为500～900mm，直径为50～70mm。
3.根据权利要求2所述利用超声波测瓦斯压力的装置，其特征在于：所述标准试验煤柱(5)长度为400～800mm，直径为40～66mm，所述标准试验煤柱(5)为完整的煤柱。
4.根据权利要求3所述利用超声波测瓦斯压力的装置，其特征在于：所述外壳(9)由金属铁制成。
5.根据权利要求4所述利用超声波测瓦斯压力的装置，其特征在于：所述上夹煤板(10)和所述下夹煤板(8)表面附有吸声填充层，所述吸声填充层为多层硅酸铝棉。
6.根据权利要求1-5任意一项所述利用超声波测瓦斯压力的装置，其特征在于：所述封闭盖(7)为螺纹旋转封闭盖。
7.利用权利要求1～6中任一所述的装置测瓦斯压力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)向进行瓦斯抽采的待测煤层(14)打钻孔；
(b)通过步骤(a)中所述钻孔，取出所述煤层(14)中的煤柱，加工成标准试验煤柱(5)，所述标准试验煤柱(5)在与待测煤层(14)相同温度、压力为一个标准大气压条件下解析；解析完成后，在上述温度和压力条件下测出瓦斯压力值，并以所述瓦斯压力值对声波仪进行校零；
(c)在步骤(a)中所述钻孔中放置步骤(b)中所述声波仪，所述声波仪放置在步骤(a)中所述煤层(14)中间位置，将导线(3)引出至瓦斯钻孔孔口，所述导线(3)与控制及处理器(1)连接，启动装置测试超声波信号，确认装置无故障后，用封孔材料封堵(12)瓦斯钻孔；
(d)步骤(b)所述标准试验煤柱(5)吸附瓦斯，当所述标准试验煤柱(5)中内外压力平衡，所述内外压力的值接近于原始瓦斯压力时，步骤(c)中所述控制及处理器(1)根据声波发射器(4)发射超声波与声波接受器(6)接受超声波的时间差进行处理测得瓦斯压力。
8.根据权利要求7所述的装置测瓦斯压力的方法，其特征在于：步骤(b)中所述瓦斯压力值是以标准大气压下，与待测煤层(14)相同温度下，所述标准试验煤柱(5)解析48h后，采用超声波测瓦斯压力的装置测得的压力值。
9.根据权利要求8所述的装置测瓦斯压力的方法，其特征在于：步骤(d)中所述超声波的频率为10KHz～2.5MHz，精度0.1μs；幅度：0～150dB。
10.根据权利要求9所述的装置测瓦斯压力的方法，其特征在于：步骤(d)中所述标准试验煤柱(5)吸附瓦斯时间为48h。
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