CN105927278B - 预测煤巷突出的逐段钻进流量法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法及其装置，属于预测煤巷突出危险性的方法及装置；该装置由麻花钻杆，封孔装置，双锥体过滤筒,导流装置，流量管，低流速传感器，高流速传感器，煤屑漏斗，煤屑排出管，本安型数据采集处理器，手压泵和煤电钻构成；本发明将平板电脑与传感器技术结合，在煤巷钻进过程中通过逐段测定钻孔的瓦斯涌出量来预测各段煤体的突出危险性；采用本安型的数据采集处理器及电池供电，构成一种轻量化的预测煤巷突出的方法及装置；本装置结构轻便，使用简单，测试准确可靠，可以直接判断煤巷工作面前方是否有突出危险，突出危险煤体位置在哪，能够安全掘进多远。

Description

预测煤巷突出的逐段钻进流量法及其装置

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，特别是一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法及其装置。

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И.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。

2014年，我们又提出了一种增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置（ZL201410374949.8）。在这一发明中，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。但在使用过程中，我们又发现，沿着煤层钻进过程中，当钻头进入到集中应力带时，钻头很难保持连续钻进过程，存在着卡钻的因素。为此，工人们不得不来回拖动煤电钻，疏通钻孔后再继续钻进，因此，在卡钻的位置，钻孔瓦斯流量的数据是叠加的，处理困难。此外，由于位移传感器和功率传感器需要采用井下127伏电源供电，主机需要采用笨重的隔爆腔体保护，这些都给井下操作人员使用该设备增添了难度，影响了该方法在煤矿井下的推广应用。

发明内容

本发明的目的是要提供预测煤巷突出的逐段钻进流量法及其装置，它并不详细记录打钻期间钻头每一刻的位置，只记录每根钻杆起始时间和结束时间和在这个过程中瓦斯的涌出情况。这样，就能计算出各段钻杆打钻期间涌出的瓦斯涌出量，这个瓦斯涌出量的大小与其所在位置煤层的压力，含量及煤体的强度都有关系，据此可以预测该段煤层是否具有突出危险。为煤矿现场的科学管理提供依据。

本发明按以下技术方案实现：

一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法，在煤巷工作面安置一个封孔装置，通过封孔装置向前方煤体打钻，每送进一根钻杆，就按压一次本安型数据采集处理器上的电平开关，逐段测定各段钻孔钻进过程中的瓦斯涌出量，与临界值相比，即可判断是否有哪一段钻孔的瓦斯涌出量超标，是否具有突出危险性；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个预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据。

预测煤巷突出的逐段钻进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，将流量管上的高流速传感器、低流速传感器与本安型数据采集处理器相连，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，保持煤屑漏斗中的煤屑处于加满状态；启动本安型数据采集处理器上的数据采集程序，开始采集高流速传感器、低流速传感器及电平开关的电流信号，同时按下电平开关，随后松开，在采集的数据中，标记出一小段高电平信号；再启动煤电钻，带动麻花钻杆向煤层前方打钻，同时记录从钻孔中涌出的瓦斯流量；

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，再次按下电平开关，随后松开，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，按下电平开关，随后松开，标示打钻结束；点击本安型数据采集处理器上的数据采集程序，停止数据采集；

第六步，点击本安型数据采集处理器上的数据处理程序，将测定的电流信号转换为各传感器的瓦斯流量值，比较高流速传感器、低流速传感器测定的流量值，如果低流速传感器在测定范围，则以低流速传感器的测定值为钻孔的瓦斯流量值，如果低流速传感器的测定值达到或超出测定范围，则以高流速传感器的测定值为钻孔的瓦斯流量值，对每两个高电平信号之间的流量进行计算，分别计算出每段钻杆钻进期间的瓦斯涌出量；

第七步，点击本安型数据采集处理器上的显示程序，在主机屏幕上显示出沿孔深各段钻孔的瓦斯涌出量曲线；

第八步，在沿孔深各段钻孔的瓦斯涌出量曲线上看是否有超出临界值的部位，如果全部低于临界值，则预测无突出危险性；若有，则预测有突出危险性；根据工作面前方有多少段钻孔的瓦斯涌出量低于临界值的情况，也能够确定该工作面下一掘进循环的安全进尺深度；

第九步，点击本安型数据采集处理器上的储存程序，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘，结束测定工作。

一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法的装置，该装置包括封孔装置，所述封孔装置的一部分设置在煤孔中，封孔装置的另一部分依次连接双锥体过滤筒和煤屑漏斗，最后连接煤屑排出管，所述双锥体过滤筒出口端安装有流量管，所述流量管上安装有低流速传感器和高流速传感器，所述低流速传感器和高流速传感器的输出端分别通过导线与本安型数据采集处理器的输入端相连接，所述封孔装置内穿插有麻花钻杆，所述麻花钻杆的尾端安装有煤电钻。

优选的是，所述封孔装置连接手压泵，所述手压泵将水注入到封孔胶囊中将封孔装置固定在煤体中。

优选的是，所述流量管内安装有导流装置。

优选的是，所述本安型数据采集处理器包括变送器模块、变送器电源模块、便携式PAD和电平开关，所述变送器模块包括单片机、无线发送模块以及线性隔离和AD采集模块；所述低流速传感器、高流速传感器和电平开关的输出端与线性隔离和AD采集模块的输入端相连，所述线性隔离和AD采集模块又与单片机相连，单片机将处理的信号通过无线发送模块传输到便携式PAD上，进行储存和显示，并且在便携式PAD显示屏上能够对采集到的数据进行处理和显示；所述变送器电源模块即为低流速传感器、高流速传感器、电平开关供电，又为变送器模块供电。

优选的是，所述变送器电源模块包括电池、二级过流过压短路保护模块和电源变压模块。

优选的是，所述单片机采用MCU STM32F103型单片机。

本发明有益效果：

由于采用了上述方案，煤巷突出预测过程中数据处理更加方便，钻进过程中遇到卡钻、喷孔等现象时，无论现场工人怎样操作，不影响数据的采集与处理，因为在本发明中，我们只计算电平开关给出的两个信号之间的时间段内钻孔的瓦斯涌出量，无论这个过程中间发生喷孔或卡钻，只要不影响涌出的瓦斯计量即可，并且一根钻杆的长度通常固定为一米，根据高电平信号的数量，就可以确认某一瓦斯涌出量峰值所在位置，这对于煤矿的突出预测来说，精度已经足够了。

本发明另外一个优点是去掉了位移传感器和功率传感器，流量传感器和平板电脑的供电就可以采用电池来满足，整个数据采集处理器就可以设计成本安型，设备的重量由原先的100多kg减少为5～7kg左右，同时不需要在井下现场接入动力电源，工人的工作量大大减少。这对于这种方法的现场推广是非常有好处的。

本发明装置已在现场对煤巷工作面的突出危险性进行了实测，在有突出危险的煤巷工作面，局部钻孔段的瓦斯涌出量较高，甚至出现喷孔；而在没有突出危险的煤巷工作面，则整个钻孔的瓦斯涌出量都比较小，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.采用了逐段测定钻孔的瓦斯涌出量，不再详细记录与瓦斯流量值一一对应的钻头位置，而只是记录每段钻杆钻进期间的瓦斯流量和起止时间，简化了数据处理过程，使得这套装置非常适应现场的条件；2.数据采集处理器采用了本安设计，大大降低了设备的重量。采用了本安电池供电，减少了在工作面连接动力电源的环节，工人的工作量大大减少。

附图说明

图1 为按照本发明的预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置的一优选实施例结构示意图；

图2为根据图1所示实施例中预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置的局部放大图；

图3为根据图1所示实施例中预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置的电气原理框图；

图中，1、麻花钻杆；2、封孔装置；3、双锥体过滤筒；4、导流装置；5、流量管；6、高流速传感器；7、低流速传感器；8、煤屑漏斗；9、煤屑排出管；10、本安型数据采集处理器；11、手压泵；12、煤电钻。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法，在煤巷工作面安置一个封孔装置2，通过封孔装置2向前方煤体打钻，每送进一根钻杆，就按压一次本安型数据采集处理器10上的电平开关，逐段测定各段钻孔钻进过程中的瓦斯涌出量，与临界值相比，即可判断是否有哪一段钻孔的瓦斯涌出量超标，是否具有突出危险性；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个预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据。

预测煤巷突出的逐段钻进流量法的具体步骤如下：

第一步，将流量管5和煤屑漏斗8及煤屑排出管9与封孔装置2连接，将流量管5上的高流速传感器6、低流速传感器7与本安型数据采集处理器10相连，麻花钻杆1从煤屑排出管9中直接插入，进入到煤层中，后部连上煤电钻12，即可进行打钻测试；

第二步，先向煤屑漏斗8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8，保持煤屑漏斗8中的煤屑处于加满状态；启动本安型数据采集处理器10上的数据采集程序，开始采集低流速传感器7、高流速传感器6及电平开关的电流信号，同时按下电平开关，随后松开，在采集的数据中，标记出一小段高电平信号；再启动煤电钻12，带动麻花钻杆1向煤层前方打钻，同时记录从钻孔中涌出的瓦斯流量；

第三步，当打完一根钻杆后，停下煤电钻12；拔下煤电钻12与麻花钻杆1之间的插销，使得煤电钻12与麻花钻杆1脱离，接入一根新的麻花钻杆1；

第四步，再次按下电平开关，随后松开，启动煤电钻12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1打到预定的深度为止，按下电平开关，随后松开，标示打钻结束；点击本安型数据采集处理器10上的数据采集程序，停止数据采集；

第六步，点击本安型数据采集处理器10上的数据处理程序，将测定的电流信号转换为各传感器的瓦斯流量值，比较低流速传感器7、高流速传感器6测定的流量值，如果低流速传感器7在测定范围，则以低流速传感器7的测定值为钻孔的瓦斯流量值，如果低流速传感器7的测定值达到或超出测定范围，则以高流速传感器6的测定值为钻孔的瓦斯流量值，对每两个高电平信号之间的流量进行计算，分别计算出每段钻杆钻进期间的瓦斯涌出量；

第七步，点击本安型数据采集处理器10上的显示程序，在主机屏幕上显示出沿孔深各段钻孔的瓦斯涌出量曲线；

第八步，在沿孔深各段钻孔的瓦斯涌出量曲线上看是否有超出临界值的部位，如果全部低于临界值，则预测无突出危险性；若有，则预测有突出危险性；根据工作面前方有多少段钻孔的瓦斯涌出量低于临界值的情况，也能够确定该工作面下一掘进循环的安全进尺深度；

第九步，点击本安型数据采集处理器10上的储存程序，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘，结束测定工作。

一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法的装置，该装置包括封孔装置2，封孔装置2的一部分设置在煤孔中，封孔装置2的另一部分依次连接双锥体过滤筒3、煤屑漏斗8和煤屑排出管9。封孔装置2连接手压泵11，手压泵11将水注入到封孔胶囊中将封孔装置2固定在煤体中，双锥体过滤筒3出口端安装有流量管5，流量管5内安装有导流装置4，流量管5上安装有高流速传感器6和低流速传感器7，高流速传感器6和低流速传感器7的输出端分别通过导线与本安型数据采集处理器10的输入端相连接，封孔装置2内穿插有麻花钻杆1，麻花钻杆1的尾端安装有煤电钻12。

本安型数据采集处理器10包括塑料壳体、变送器模块、变送器电源模块、便携式PAD，电平开关以及传感器的插座，均按本质安全型设计，符合防爆要求；在开始钻进前、每装上一节麻花钻杆1后及最后结束钻进，都要按压一次电平开关，按压后自动弹起，在这一期间，采集的数据中产生了一段高电平的数据标记。

变送器模块包括单片机、无线发送模块以及线性隔离和AD采集模块；高流速传感器6、低流速传感器7和电平开关的输出端与线性隔离和AD采集模块的输入端相连，线性隔离和AD采集模块又与单片机相连，单片机将处理的信号通过无线发送模块传输到便携式PAD上，进行储存和显示，并且在便携式PAD显示屏上能够对采集到的数据进行处理和显示；变送器电源模块即为高流速传感器6、低流速传感器7、电平开关供电，又为变送器模块供电。变送器电源模块包括电池、二级过流过压短路保护模块和电源变压模块。单片机采用MCU STM32F103型单片机。

便携式PAD在测定过程中，始终监测高流速传感器的信号，一旦流速超过某一临界值，即在便携式PAD显示屏上显示喷孔警告，也提前告诉工作面操作人员麻花钻头1已经进入突出煤体。这一警告的目的一是告诉操作人员，钻头进入突出煤体后，钻进过程中随时会发生大的喷孔，也就是孔内突出，容易推出钻杆，发生突出危险。如果不需要进一步探测，可以就此结束钻进，通知防突人员采取防突措施。二是告诉操作人员，如果需要进一步钻进，可以点击便携式PAD上显示的警示内容，便携式PAD继续显示测定的数据，但操作人员应避开孔口方向，同时保持煤电钻运转但停止进钻，敲击双锥体过滤筒3，迫使由喷孔推入到双锥体过滤筒3下部的煤屑落下，疏通双锥体过滤筒3内的瓦斯通道，然后再继续钻进，确保逐段钻进测定的瓦斯流量准确。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法，其特征在于：在煤巷工作面安置一个封孔装置（2），通过封孔装置（2）向前方煤体打钻，每送进一根钻杆，就按压一次本安型数据采集处理器（10）上的电平开关，逐段测定各段钻孔钻进过程中的瓦斯涌出量，与临界值相比，即可判断是否有哪一段钻孔的瓦斯涌出量超标，是否具有突出危险性；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个预测钻孔，根据两次的测定结果，取最危险的测定结果作为预报依据；

具体步骤如下：

第一步，将流量管（5）和煤屑漏斗（8）及煤屑排出管（9）与封孔装置（2）连接，将流量管（5）上的高流速传感器（6）、低流速传感器（7）与本安型数据采集处理器（10）相连，麻花钻杆（1）从煤屑排出管（9）中直接插入，进入到煤层中，后部连上煤电钻（12），即可进行打钻测试；

第二步，先向煤屑漏斗（8）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（8），保持煤屑漏斗（8）中的煤屑处于加满状态；启动本安型数据采集处理器（10）上的数据采集程序，开始采集高流速传感器（6）、低流速传感器（7）及电平开关的电流信号，同时按下电平开关，随后松开，在采集的数据中，标记出一小段高电平信号；再启动煤电钻（12），带动麻花钻杆（1）向煤层前方打钻，同时记录从钻孔中涌出的瓦斯流量；

第三步，当打完一根钻杆后，停下煤电钻（12）；拔下煤电钻（12）与麻花钻杆（1）之间的插销，使得煤电钻（12）与麻花钻杆（1）脱离，接入一根新的麻花钻杆（1）；

第四步，再次按下电平开关，随后松开，启动煤电钻（12）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（1）打到预定的深度为止，按下电平开关，随后松开，标示打钻结束；点击本安型数据采集处理器（10）上的数据采集程序，停止数据采集；

第六步，点击本安型数据采集处理器（10）上的数据处理程序，将测定的电流信号转换为各传感器的瓦斯流量值，比较高流速传感器（6）、低流速传感器（7）测定的流量值，如果低流速传感器（7）在测定范围，则以低流速传感器（7）的测定值为钻孔的瓦斯流量值，如果低流速传感器（7）的测定值达到或超出测定范围，则以高流速传感器（6）的测定值为钻孔的瓦斯流量值，对每两个高电平信号之间的流量进行计算，分别计算出每段钻杆钻进期间的瓦斯涌出量；

第七步，点击本安型数据采集处理器（10）上的显示程序，在主机屏幕上显示出沿孔深各段钻孔的瓦斯涌出量曲线；

第八步，在沿孔深各段钻孔的瓦斯涌出量曲线上看是否有超出临界值的部位，如果全部低于临界值，则预测无突出危险性；若有，则预测有突出危险性；根据工作面前方有多少段钻孔的瓦斯涌出量低于临界值的情况，也能够确定该工作面下一掘进循环的安全进尺深度；

第九步，点击本安型数据采集处理器（10）上的储存程序，并赋予文件名，对本次预测的数据进行存盘，结束测定工作。

2.一种实现权利要求1所述的预测煤巷突出的逐段钻进流量法的装置，包括封孔装置（2）、采集处理器（10），所述封孔装置（2）的一部分设置在煤孔中，封孔装置（2）的另一部分依次连接双锥体过滤筒（3）和煤屑漏斗（8），最后连接煤屑排出管（9）所述封孔装置（2）内穿插有麻花钻杆（1），所述麻花钻杆（1）的尾端安装有煤电钻（12），所述封孔装置（2）连接手压泵（11），通过手压泵（11）将水注入到封孔胶囊中使封孔装置（2）固定在煤体中，所述双锥体过滤筒（3）出口端安装有流量管（5），所述流量管（5）上安装有低流速传感器（7）和高流速传感器（6），所述流量管（5）内安装有导流装置（4），其特征在于：所述的低流速传感器（7）和高流速传感器（6）的输出端分别通过导线与本安型数据采集处理器（10）的输入端相连接；

所述本安型数据采集处理器（10）包括塑料壳体、变送器模块、变送器电源模块、便携式PAD、电平开关以及传感器的插座，均按本质安全型设计，符合防爆要求；所述变送器模块包括单片机、无线发送模块以及线性隔离和AD采集模块；

所述低流速传感器（7）、高流速传感器（6）和电平开关的输出端与线性隔离和AD采集模块的输入端相连，所述线性隔离和AD采集模块又与单片机相连，单片机将处理的信号通过无线发送模块传输到便携式PAD上，进行储存和显示，并且在便携式PAD显示屏上，对采集到的数据进行处理和显示；

所述变送器电源模块为低流速传感器（7）、高流速传感器（6）和电平开关供电，又为变送器模块供电；便携式PAD在测定过程中，始终监测高流速传感器（6）的信号，一旦流速超过设定临界值，即在便携式PAD显示屏上显示喷孔警告，提前告诉工作面操作人员麻花钻头已经进入突出煤体。

3.根据权利要求2所述的预测煤巷突出的逐段钻进流量法的装置，其特征在于：所述的变送器电源模块包括电池、二级过流过压短路保护模块和电源变压模块。

4.根据权利要求2所述的预测煤巷突出的逐段钻进流量法的装置，其特征在于：所述单片机为MCU STM32F103型单片机。