CN105545296B - 一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统及测试方法，属于煤矿动力灾害监测设备领域。其特征在于：包括用于对煤层进行湿式钻孔的钻孔装置，以及对钻孔装置钻孔得到的水、煤混合物进行固液分离的固液分离装置，所述的固液分离装置包括动力单元以及由动力单元带动转动的旋转分离机构。包括如下步骤：步骤a，选定监测区域；步骤b，进行湿式钻孔；步骤c，对煤粉与水的混合物进行收集；步骤d，进行固液分离；步骤e，称重并记录煤粉重量；步骤f，数据分析。在本煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统中，即使煤层的自然含水率较高，也可以使用钻屑法对煤层的动力灾害危险程度进行鉴别，从而消除了安全隐患，有利于煤矿的安全生产。

Description

一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统及测试方法

技术领域

一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统及测试方法，属于煤矿动力灾害监测设备领域。

背景技术

钻屑法由于其设备简单，检测结果直观，便于现场操作和判别的优点，成为目前国内外使用较为普遍的一种用于监测煤矿动力灾害的监测方法。钻屑法的基本原理是通过在煤层中利用钻机施工直径Φ42~50mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，实现对煤矿动力灾害危险程度的鉴别。对于一定条件的煤体，在正常应力作用下，不同钻孔深度的煤体的应力状态是不同的，此时钻孔的煤粉量也不相同。当煤层的应力集中程度增加或应力状态异常时，钻孔的煤粉量将发生改变。根据煤粉量的变化，即可预测煤体的受力状态，并进一步预测动力灾害危险性。

钻屑法在实施时法受煤矿井下地质条件影响较大，在现有技术中，钻屑法均采用干式钻屑的方式，即通过钻机在对煤层进行钻孔时，需要通过钻孔排出的干燥的煤粉的量按照常规的鉴别方法对煤矿的动力灾害危险程度进行鉴别，一旦煤粉中掺入一定程度的水分，则无法通过钻屑法实现对煤矿的动力灾害危险程度的检测。但在实际情况中，很多矿井煤层自然含水率较高，在使用钻机进行钻孔时，煤粉潮湿的情况时常出现，甚至会发生钻孔出水情况，导致不能正常排出煤粉，因此钻屑法无法继续进行。但实际上煤体内部依然有可能存在高应力区，因此会对煤矿造成安全隐患，不利于煤矿的安全生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统及测试方法，实现了在自然含水率较高的煤层中仍然可以使用钻屑法对煤矿的动力灾害危险程度进行鉴别，从而消除了安全隐患，有利于煤矿的安全生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，其特征在于：包括用于对煤层进行湿式钻孔的钻孔装置，以及对钻孔装置钻孔得到的水、煤混合物进行固液分离的固液分离装置，所述的固液分离装置包括动力单元以及由动力单元带动转动的旋转分离机构。

优选的，所述的固液分离装置还包括上端敞口的外壳，所述的动力单元固定在外壳底部，动力单元的转动轴竖直向上与所述的旋转分离机构连接。

优选的，在所述的外壳内设置有集水壳体，集水壳体通过支架架设在外壳内，所述的旋转分离机构置于集水壳体内，所述的动力单元的转动轴向上穿过集水壳体的底面与旋转分离机构连接。

优选的，所述的集水壳体上端敞口，在敞口处设置有密封盖，在集水壳体的底部设置有出水管，出水管穿过外壳的侧壁引出。

优选的，所述的旋转分离机构包括上端开口并由动力单元带动转动的旋转内壳，在旋转内壳内连接固定有滤布兜，滤布兜上端开口，在其上端开口处设置有过滤单元。

优选的，所述的过滤单元包括设置在滤布兜上端开口处的二次过滤网以及设置在二次过滤网上部的一次过滤网，二次过滤网和一次过滤网均连接在旋转内壳的内壁上。

优选的，所述的动力单元为风动装置，风动装置的进风管穿过外壳引出。

优选的，所述的钻孔装置包括钻机，通过连接件连接在钻机输出轴的通水钻杆以及连接在通水钻杆端部的通水钻头。

一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，在煤层上选定监测区域；

步骤b，利用钻孔装置在选定的监测区域内进行湿式钻孔；

步骤c，将钻孔装置钻出的煤粉与水的混合物进行收集；

步骤d，利用固液分离装置对煤粉与水的混合物进行固液分离；

步骤e，称重并记录固液分离装置中残留的煤粉重量；

步骤f，通过对监测区域内钻孔得到的煤粉的重量进行分析，对监测区域所在的煤层动力灾害的危险程度进行鉴别。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统中，通过钻孔装置对煤层进行湿式钻孔，并通过固液分离装置对钻孔得到的水和煤粉的混合物进行固液分离，从而得到钻孔钻出的煤粉的重量，因此即使煤层的自然含水率较高，也可以使用钻屑法对煤层的动力灾害危险程度进行鉴别，从而消除了安全隐患，有利于煤矿的安全生产。

2、通过在外壳内设置集水壳体，通过旋转分离装置分离出的水可以迅速排出，便于煤粉的收集和称重。

3、通过设置旋转分离装置，利用离心的原理实现固液分离，可以实现煤粉与水的高效分离，且工作原理简单可靠。

4、通过在旋转内壳中设置滤布兜，并在滤布兜上方设置二次过滤网和一次过滤网，可以在最大程度上对煤粉进行保留，测量效果更为精确。

5、采用风动装置作为动力，可以借助井下常见的压风系统作为动力实现，动力源取用方便且针对井下环境，安全性更高。

附图说明

图1为煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统钻孔装置结构示意图。

图2为煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统煤粉固液分离装置结构示意图。

图3为煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试方法流程图。

图4为实施例2煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统固液分离装置旋转分离组件俯视图。

图5为实施例2煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统固液分离装置旋转分离组件正视图。

图6为实施例3煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统固液分离装置结构示意图。

其中：1、钻机 2、连接件 3、通水钻杆 4、进水口 5、通水钻头6、密封盖 7、一次过滤网 8、二次过滤网 9、煤粉过滤腔 10、旋转内壳 11、外壳 12、集水壳体 13、滤布兜 14、进风管 15、支架 16、转轴 17、风动装置 18、出水管 19、弧形立板 20、底板 21、网罩 22、固定件。

具体实施方式

图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~6对本发明做进一步说明。

实施例1：

一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，包括用于钻取煤粉的钻孔装置、用于进行煤粉收集的收集装置以及将钻孔装置钻出的煤粉进行干燥的固液分离单元。

本煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统中的钻孔装置为通水型钻机系统，如图1所示，通水型钻机系统包括钻机1，连接在钻机1输出端的通水钻杆3以及安装在通水钻杆3端部的通水钻头5。通水钻杆3与钻机1之间通过连接件2可靠连接。在连接件2的一侧设置有进水口4，进水口4与通水钻杆3内部轴向设置的进水通道连接，通水钻杆3内部的进水通道同时与通水钻头5内部的进水通道相联通。在实际使用时，钻机1通过通水钻杆3带动通水钻头5同步转动。在通水钻杆3以及通水钻头5转动的同时，水经进水口4进入通水钻杆3以及通水钻头5的进水通道后由通水钻头5的端部输出。

在进行实际钻孔的过程中，由收集装置将钻孔装置钻出的煤粉和水的混合物进行收集，然后将收集装置收集到的煤粉和水的混合物倒入固液分离单元中进行煤粉与水的分离，收集装置可以用多种形式的容器实现，如水桶等。

如图2所示，固液分离装置包括上端敞口的外壳11，在外壳11的底部设置有风动装置17，风动装置17由风力带动转动，风动装置17的进风管14穿过外壳11的侧壁后引出。在风动装置17上部通过支架15固定有集水壳体12，集水壳体12同样为上端敞口的设计，在集水壳体12上端的敞口处安装有密封盖6，集水壳体12底部设置有出水管18，出水管18穿过外壳11的侧壁后引出。在集水壳体12的内部设置有可转动的旋转分离组件，风动装置17上端的转动轴向上穿过集水壳体12的底面之后与旋转分离组件连接并带动其在集水壳体12内转动。风动装置17由气动马达实现，采用风动装置17作为动力，可以借助井下常见的压风系统作为动力实现，动力源取用方便且针对井下环境，安全性更高。

旋转分离组件包括上端敞口的旋转内壳10，旋转内壳10的外壁周圈开设有多个用于排水的排水孔。上述风动装置17转动轴的顶部与旋转内壳10的底部固定连接，因此风动装置17在转动时可以带动旋转内壳10进行转动。在旋转内壳10内部放置有滤布兜13，滤布兜13上端开口，其兜体与旋转内壳10的内壁相贴合，滤布兜13上部开口边沿与旋转内壳10的内壁连接固定。在滤布兜13的上部开口处安装有二次过滤网8，二次过滤网8的周圈与旋转内壳10的内壁固定连接。在二次过滤网8的上部还设置有一次过滤网7，一次过滤网7的周圈同样与旋转内壳10的内部固定连接。

固液分离装置的具体工作过程为：打开外壳11上端的密封盖6，然后将收集装置收集到的煤粉与水的混合物倒入外壳11内的旋转内壳10内。煤粉与水的混合物依次经过一次过滤网7和二次过滤网8的两层过滤后，一部分煤粉残留在一次过滤网7和二次过滤网8上。经过一次过滤网7和二次过滤网8的两层过滤后的混合物流入滤布兜13内部的煤粉过滤腔9内。

然后盖上密封盖6，并通过进风管14向风动装置17中通入高压气体，风动装置17中通入高压气体之后开始高速转动，并通过其上端的转动轴带动旋转内壳10高速转动，旋转内壳10转动的同时会带动其内的滤布兜13进行转动。滤布兜13在转动时会产生一定程度的变形并紧贴旋转内壳10的内壁，在滤布兜13转动的过程中，之前倒入煤粉过滤腔9中的混合物中的水会被逐渐甩出，并通过开设在旋转内壳10外壁周圈的排水孔甩出旋转内壳10进入集水壳体12中，并在其自身重力的作用下落入集水壳体12底部后经集水壳体12底部的出水管18流出外壳11，完成煤粉与水混合物的固液分离。

在本煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统中，旋转内壳10与风动装置17的输出轴之间采用可拆卸的设计。在完成混合物的固液分离之后，可将旋转内壳10拆下，通过固液分离前后称重的方式测得残留在旋转内壳10中的煤粉的重量，为鉴别煤层动力灾害的危险程度提供判断依据。

如图3所示，煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试方法，包括如下步骤：

步骤1001，选定监测区域；

根据监测要求，在煤层上选定监测区域。

步骤1002，进行湿式钻孔；

利用钻孔装置在选定的监测区域内进行湿式钻孔。

在将通水钻头5、通水钻杆3连接完成之后，通过连接件2将通水钻杆3与钻机1的输出轴连接，启动钻机1，通过通水钻头5在监测区域内进行湿式钻孔。

步骤1003，收集水煤混合物；

在进行湿式钻孔的过程中，通过收集装置将钻孔装置钻出的煤粉与水的混合物进行收集。

步骤1004，水煤混合物的固液分离；

取下固液分离装置外壳11上端的密封盖6，将收集到的煤粉与水的混合物倒入外壳11内的旋转内壳10内，并进入滤布兜13中。然后盖上密封盖6，并通过向风动装置17的进风管14中通入高压气体驱动其转动，进而带动旋转内壳10以及其内的滤布兜13进行转动。在滤布兜13转动的过程中，混合物中的水会被逐渐甩出，并通过开设在旋转内壳10进入集水壳体12中，最后经集水壳体12底部的出水管18流出外壳11。

步骤1005，称重、记录煤粉重量；

固液分离完成之后，将固液分离装置中的旋转内壳10拆下，通过对旋转内壳10进行固液分离前、后称重的方式得到残留在旋转内壳10中残留煤粉的重量并进行记录。

步骤1006，数据分析；

通过对整个监测区域内钻孔得到的煤粉的重量进行分析，对监测区域所在的煤层动力灾害的危险程度进行鉴别。

实施例2：

本实施例与实施例1不同之处在于：在旋转分离组件中省去旋转内壳10，由旋转支架代替。如图4~5所示，旋转支架包括底板20以及竖直固定在底板20上表面的多个弧形立板19，弧形立板19均匀固定在底板20上表面周圈。风动装置17转动轴的顶部与底板20的底部可拆卸的连接在一起，通过风动装置17在转动时可以带动旋转支架进行转动。

上端开口的滤布兜13放置在底板20上，其兜体的周边与弧形立板19固定连接，在滤布兜13的上部开口处向上依次设置有二次过滤网8和一次过滤网7，二次过滤网8和一次过滤网7同样通过周圈的弧形立板19实现固定。

本实施例中，固液分离装置的具体工作过程为：打开外壳11上端的密封盖6，然后将收集装置收集到的煤粉与水的混合物倒入外壳11内。煤粉与水的混合物依次经过一次过滤网7和二次过滤网8的两层过滤后，流入滤布兜13内部的煤粉过滤腔9内。

然后盖上密封盖6，并通过进风管14向风动装置17中通入高压气体，风动装置17中通入高压气体之后开始高速转动，并通过其上端的转动轴带动旋转支架高速转动，旋转支架转动的同时会带动其内的滤布兜13进行转动。在滤布兜13转动的过程中，之前倒入煤粉过滤腔9中的混合物中的水会被逐渐甩出，并通过弧形立板19之间的间隙进入集水壳体12中，并在其自身重力的作用下落入集水壳体12底部后经集水壳体12底部的出水管18流出外壳11，完成煤粉与水混合物的固液分离。

实施例3：

在本实施例中，与实施例1的区别在于：旋转内壳10与风动装置17的转动轴采用不可拆卸的设计，风动装置17的转动轴向上穿过集水壳体12后与旋转内壳10的底部连接带动其转动。如图6所示，在旋转内壳10设置有网罩21，网罩21上方开口，网罩21与旋转内壳10之间通过可拆卸的固定件22连接固定，风动装置17在带动旋转内壳10转动时同时带动网罩21转动，固定件22可通过多种可拆卸的方式实现，如插接式。

在网罩21内部放置有滤布兜13，滤布兜13上端开口，其兜体与网罩21的内壁相贴合，滤布兜13上部开口边沿与网罩21的内壁连接固定。在滤布兜13的上部开口处向上依次设置有二次过滤网8和一次过滤网7，二次过滤网8和一次过滤网7周圈与网罩21的内壁固定连接。

本实施例中的固液分离装置在进行固液分离的过程中，旋转内壳10在风动装置17的带动下转动时，会同时带动网罩21以及网罩21内的滤布兜13进行转动，滤布兜13在转动时会产生一定程度的变形并紧贴网罩21的内壁，在滤布兜13转动的过程中，之前倒入煤粉过滤腔9中的混合物中的水会被逐渐甩出，并依次通过网罩21表面的网孔以及开设在旋转内壳10外壁周圈的排水孔甩出旋转内壳10进入集水壳体12中，并在其自身重力的作用下落入集水壳体12底部后经集水壳体12底部的出水管18流出外壳11，完成煤粉与水混合物的固液分离。

实施例4：

实施例4与实施例1的区别在于：在本实施例中风动装置17利用电动机实现，电动机的转轴竖直向上穿过集水壳体12后与旋转分离组件连接。

本煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统在具体实施时，可以使以上各实施例的任意排列组合。本煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统及测试方法同样适用于自然含水率较低的煤层动力灾害危险程度进行鉴别。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，其特征在于：包括用于对煤层进行湿式钻孔的钻孔装置，以及对钻孔装置钻孔得到的水、煤混合物进行固液分离的固液分离装置，所述的固液分离装置包括动力单元以及由动力单元带动转动的旋转分离机构；

所述的钻孔装置包括钻机（1），通过连接件（2）连接在钻机（1）输出轴的通水钻杆（3）以及连接在通水钻杆（3）端部的通水钻头（5）；

所述的旋转分离机构包括上端开口并由动力单元带动转动的旋转内壳（10），在旋转内壳（10）内连接固定有滤布兜（13），滤布兜（13）上端开口，在其上端开口处设置有过滤单元；

所述的过滤单元包括设置在滤布兜（13）上端开口处的二次过滤网（8）以及设置在二次过滤网（8）上部的一次过滤网（7），二次过滤网（8）和一次过滤网（7）均连接在旋转内壳（10）的内壁上。

2.根据权利要求1所述的煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，其特征在于：所述的固液分离装置还包括上端敞口的外壳（11），所述的动力单元固定在外壳（11）底部，动力单元的转动轴竖直向上与所述的旋转分离机构连接。

3.根据权利要求2所述的煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，其特征在于：在所述的外壳（11）内设置有集水壳体（12），集水壳体（12）通过支架（15）架设在外壳（11）内，所述的旋转分离机构置于集水壳体（12）内，所述的动力单元的转动轴向上穿过集水壳体（12）的底面与旋转分离机构连接。

4.根据权利要求3所述的煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，其特征在于：所述的集水壳体（12）上端敞口，在敞口处设置有密封盖（6），在集水壳体（12）的底部设置有出水管（18），出水管（18）穿过外壳（11）的侧壁引出。

5.根据权利要求1或2所述的煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统，其特征在于：所述的动力单元为风动装置（17），风动装置（17）的进风管（14）穿过外壳（11）引出。

6.一种利用权利要求1~5任一项所述的煤矿动力灾害的湿式钻屑法测试系统实现的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，在煤层上选定监测区域；

步骤b，利用钻孔装置在选定的监测区域内进行湿式钻孔；

步骤c，将钻孔装置钻出的煤粉与水的混合物进行收集；

步骤d，利用固液分离装置对煤粉与水的混合物进行固液分离；

步骤e，称重并记录固液分离装置中残留的煤粉重量；

步骤f，通过对监测区域内钻孔得到的煤粉的重量进行分析，对监测区域所在的煤层动力灾害的危险程度进行鉴别。