CN106841407B - 一种煤矿综采工作面采空区气体检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿综采工作面采空区气体检测装置，包括在保护煤柱上设置的若干个钻孔，每个钻孔内设置有一个采样管，所述钻孔分成两组，一组钻孔水平设置，另一组钻孔竖直设置，氮气注入管以采样管为对称轴中心对称设置，氮气注入管上设置有旁路管，旁路管的顶部连接有喷射管，旁路管内设置有螺旋导流槽，螺旋导流槽上平均设置有若干个缺口，氮气注入管的出口设置有第一斜切面，喷射管的出口设置有第二斜切面，第一斜切面和第二斜切面相互垂直，氮气注入管的底面设置有弧形凹槽。本发明还提供了一种使用上述检测装置进行检测的方法。本发明能够改进现有技术的不足，提高空气采样的速度和检测精确度。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全监测技术领域，尤其是一种煤矿综采工作面采空区气体检测装置及其检测方法。
背景技术
火灾是煤矿的一种主要灾害，其中在我国大量煤矿存在煤矿采空区自然发火。采空区煤炭自然发火不仅造成了严重的煤炭资源浪费，而且威胁着井下作业人员的人身安全。煤炭仍将是我国的主要能源，作为我国基础能源的地位不可动摇。我国煤矿所开采的煤层有75％的煤层是属于容易自燃和自燃煤层，每年因自然发火封闭的工作面和冻结的煤炭数量惊人。随着煤矿采深的增加，煤层自然发火的危险性会更大。不断发生的煤层自燃火灾给国内外矿井带来了巨大损失，不但会打乱正常的生产秩序，且可能造成人员的伤亡，其危害相当大。
采空区煤炭自燃的根本原因是采空区存在遗煤，同时由于采空区丙部漏风的存在，造成遗煤和氧气接触，最终引发采空区煤炭自燃。因此，如果能够掌握采空区内部气体特别是氧气在采空区内部空间的分布规律，就可以提高自然发火预防措施的针对性和有效性，可以减少和控制采空区煤炭自然发火的发生。
采空区气体浓度监测是预防采空区煤炭自然发火的一项基础性工作，往往需要根据气体监测结果进行采空区三带划分并制定相应的防灭火措施。对于综采工作面而言，由于井下工作面后方完全被液压支架封死，在工作面无法实现测点的布置，因此目前综采工作面采空区气体观测的一般方法是沿着工作面推进方向，在上下顺槽埋设束管，然后通过束管抽取采空区气体，通过地面气相色谱或者其他仪器进行分析。例如中国发明专利CN101487388 B公开的煤矿回采采空区的气体检测方法及其装置。这种方法存在的问题是：空气采样速度不均匀，采样检测精确度不高。
因此，为了掌握采空区气体的空间分布，提高防灭火措施的针对性就需要一种新的检测综采工作面采空区气体空间分布测点布置方法和相应的检测技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿综采工作面采空区气体检测装置及其检测方法，能够解决现有技术的不足，提高空气采样的速度和检测精确度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种煤矿综采工作面采空区气体检测装置，包括在保护煤柱上设置的若干个钻孔，每个钻孔内设置有一个采样管，采样管的外侧设置有保护管，采样管连接有气相色谱仪，所述钻孔分成两组，一组钻孔水平设置，另一组钻孔竖直设置，水平设置的钻孔与竖直设置的钻孔交错设置，保护管内设置有三个氮气注入管，氮气注入管以采样管为对称轴中心对称设置，氮气注入管上设置有旁路管，旁路管位于采样管和氮气注入管中心连接线的延长线上，旁路管与氮气注入管垂直设置，旁路管的顶部连接有喷射管，喷射管与氮气注入管平行设置，旁路管内设置有螺旋导流槽，螺旋导流槽上平均设置有若干个缺口，氮气注入管的出口设置有第一斜切面，喷射管的出口设置有第二斜切面，第一斜切面和第二斜切面相互垂直，氮气注入管的底面设置有弧形凹槽。
作为优选，所述采样管与氮气注入管和旁路管的内径之比为5∶3∶1。
作为优选，所述采样管的进口处设置有粉尘过滤器，粉尘过滤器包括外壳，外壳内设置有第一过滤棉层，第一过滤棉层的两侧分别设置有一排旋转轴，旋转轴上连接有叶片，第一过滤棉两侧的叶片交错设置，位于第一过滤棉同一侧的叶片安装角度相同，第一过滤棉两侧的叶片安装角度差为30°。
作为优选，所述外壳底部设置有第二过滤棉层，外壳与氮气注入管之间设置有吹扫管，吹扫管的出口位于第一过滤棉层的顶部。
作为优选，所述保护管的外壁设置有螺旋齿，螺旋齿上设置有若干列通孔，保护管的两端设置有固定法兰，保护管两端的固定法兰通过第一加强筋连接在一起，第一加强筋穿过通孔，位于不同保护管上相邻的固定法兰的侧壁上螺纹连接有第二加强筋，第二加强筋两端设置有弹簧体。
用于上述煤矿综采工作面采空区气体检测装置的检测方法，包括以下步骤：
A、将待测采样管对应的气相色谱仪打开，将其与采样管封闭，开启与待测采样管位于同一保护管内的氮气注入管以及相邻保护管内的氮气注入管；
B、气相色谱仪对采集到的气体进行分析；
C、取样结束前，首先关闭与采样位置相邻的保护管内的氮气注入管，间隔2min～3min后，逐渐降低与采样管位于同一保护管内的氮气注入管的流量，保持5min～7min，最终关闭氮气注入管，关闭所有氮气注入管后，气相色谱仪再进行采样分析2min～3min。
作为优选，检测开始时，位于与采样管同一保护管内的氮气注入管的氮气注入流量为400mL/s，位于相邻保护管内的氮气注入管的氮气注入流量为1.5L/s。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明采用氮气注入的方式提高了采样速率，通过优化注气管和采样管的结构，降低了采用氮气注入后对原始采样环境均衡度的干扰。粉尘过滤器具有自清洁功能可以在井下高浓度粉尘的环境下长时间使用。保护管可以提高对煤层的保护。检测过程中对于氮气流量的控制可以提高采样准确度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中保护管内部的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中喷射管与氮气注入管部位的俯视图。
图4是本发明一个具体实施方式中粉尘过滤器的结构图。
图5是本发明一个具体实施方式中保护管外部连接部分的结构图。
图6是本发明一个具体实施方式中旁路管内部的结构图。
图中：1、钻孔；2、采样管；3、保护管；4、气相色谱仪；5、氮气注入管；6、旁路管；7、喷射管；8、螺旋导流槽；9、缺口；10、第一斜切面；11、第二斜切面；12、弧形凹槽；13、粉尘过滤器；14、外壳：15、第一过滤棉层；16、旋转轴；17、叶片；18、第二过滤棉层；19吹扫管；20、螺旋齿；21、通孔；22、固定法兰；23、第一加强筋；24、第二加强筋；25、弹簧体；26、环形挡板。
具体实施方式
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
参照图1-6，本发明一个具体实施方式包括在保护煤柱上设置的若干个钻孔1，每个钻孔1内设置有一个采样管2，采样管2的外侧设置有保护管3，采样管2连接有气相色谱仪4，所述钻孔1分成两组，一组钻孔1水平设置，另一组钻孔1竖直设置，水平设置的钻孔与竖直设置的钻孔交错设置，保护管3内设置有三个氮气注入管5，氮气注入管5以采样管2为对称轴中心对称设置，氮气注入管5上设置有旁路管6，旁路管6位于采样管2和氮气注入管5中心连接线的延长线上，旁路管6与氮气注入管5垂直设置，旁路管6的顶部连接有喷射管7，喷射管7与氮气注入管5平行设置，旁路管6内设置有螺旋导流槽8，螺旋导流槽8上平均设置有若干个缺口9，氮气注入管5的出口设置有第一斜切面10，喷射管7的出口设置有第二斜切面11，第一斜切面10和第二斜切面11相互垂直氮气注入管5的底面设置有弧形凹槽12。采样管2与氮气注入管5和旁路管6的内径之比为5∶3∶1。采样管2的进口处设置有粉尘过滤器13，粉尘过滤器13包括外壳14，外壳14内设置有第一过滤棉层15，第一过滤棉层15的两侧分别设置有一排旋转轴16，旋转轴16上连接有叶片17，第一过滤棉15两侧的叶片交错设置，位于第一过滤棉15同一侧的叶片安装角度相同，第一过滤棉15两侧的叶片安装角度差为30°。外壳14底部设置有第二过滤棉层18，外壳14与氮气注入管5之间设置有吹扫管19，吹扫管19的出口位于第一过滤棉层15的顶部。保护管3的外壁设置有螺旋齿20，螺旋齿20上设置有若干列通孔21，保护管3的两端设置有固定法兰22，保护管3两端的固定法兰22通过第一加强筋23连接在一起，第一加强筋23穿过通孔21，位于不同保护管3上相邻的固定法兰22的侧壁上螺纹连接有第二加强筋24，第二加强筋24两端设置有弹簧体25。采样管2的进口处设置有环形挡板26，环形挡板26的内径由外侧向内侧逐渐扩大，环形挡板26侧面与采样管2轴线的夹角为25°。采样管2的进口位于环形挡板26内部，采样管2的进口与环形挡板26内径较小的一端的端面在采样管2轴线方向的距离为10cm，氮气注入管5出口与环形挡板26内径较小的一端平齐。喷射管7的出口位于环形挡板26的外侧，喷射管7的出口与环形挡板26内径较小的一端的端面在采样管2轴线方向的距离为5cm，保护管3的外沿与环形挡板26内径较小的一端的端面在采样管2轴线方向的距离为20cm。
用于上述煤矿综采工作面采空区气体检测装置的检测方法，包括以下步骤：
A、将待测采样管2对应的气相色谱仪4打开，将其与采样管2封闭，开启与待测采样管2位于同一保护管3内的氮气注入管5以及相邻保护管3内的氮气注入管5；
B、气相色谱仪4对采集到的气体进行分析；
C、取样结束前，首先关闭与采样位置相邻的保护管3内的氮气注入管5，间隔2min后，逐渐降低与采样管2位于同一保护管3内的氮气注入管5的流量，保持6min，最终关闭氮气注入管5，关闭所有氮气注入管5后气相色谱仪4再进行采样分析3min，在与采样管2位于同一保护管3内的氮气注入管5的流量降低的过程中，流量变化率逐渐降低，流量变化率曲线为：
其中，检测开始时，位于与采样管2同一保护管3内的氮气注入管5的氮气注入流量为400mL/s，位于相邻保护管3内的氮气注入管5的氮气注入流量为1.5L/s。
本发明通过使用氮气注入，同时优化了气体流动路径结构，不仅提高了采样速率，而且可以高精度地对采样环境内的空气进行分析，使用方便，结构稳定。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种煤矿综采工作面采空区气体检测装置，包括在保护煤柱上设置的若干个钻孔(1)，每个钻孔(1)内设置有一个采样管(2)，采样管(2)的外侧设置有保护管(3)，采样管(2)连接有气相色谱仪(4)，其特征在于：所述钻孔(1)分成两组，一组钻孔(1)水平设置，另一组钻孔(1)竖直设置，水平设置的钻孔与竖直设置的钻孔交错设置，保护管(3)内设置有三个氮气注入管(5)，氮气注入管(5)以采样管(2)为对称轴中心对称设置，氮气注入管(5)上设置有旁路管(6)，旁路管(6)位于采样管(2)和氮气注入管(5)中心连接线的延长线上，旁路管(6)与氮气注入管(5)垂直设置，旁路管(6)的顶部连接有喷射管(7)，喷射管(7)与氮气注入管(5)平行设置，旁路管(6)内设置有螺旋导流槽(8)，螺旋导流槽(8)上平均设置有若干个缺口(9)，氮气注入管(5)的出口设置有第一斜切面(10)，喷射管(7)的出口设置有第二斜切面(11)，第一斜切面(10)和第二斜切面(11)相互垂直，氮气注入管(5)的底面设置有弧形凹槽(12)。
2.根据权利要求1所述的煤矿综采工作面采空区气体检测装置，其特征在于：所述采样管(2)与氮气注入管(5)和旁路管(6)的内径之比为5∶3∶1。
3.根据权利要求1所述的煤矿综采工作面采空区气体检测装置，其特征在于：所述采样管(2)的进口处设置有粉尘过滤器(13)，粉尘过滤器(13)包括外壳(14)，外壳(14)内设置有第一过滤棉层(15)，第一过滤棉层(15)的两侧分别设置有一排旋转轴(16)，旋转轴(16)上连接有叶片(17)，第一过滤棉(15)两侧的叶片交错设置，位于第一过滤棉(15)同一侧的叶片安装角度相同，第一过滤棉(15)两侧的叶片安装角度差为30°。
4.根据权利要求3所述的煤矿综采工作面采空区气体检测装置，其特征在于：所述外壳(14)底部设置有第二过滤棉层(18)，外壳(14)与氮气注入管(5)之间设置有吹扫管(19)，吹扫管(19)的出口位于第一过滤棉层(15)的顶部。
5.根据权利要求1所述的煤矿综采工作面采空区气体检测装置，其特征在于：所述保护管(3)的外壁设置有螺旋齿(20)，螺旋齿(20)上设置有若干列通孔(21)，保护管(3)的两端设置有固定法兰(22)，保护管(3)两端的固定法兰(22)通过第一加强筋(23)连接在一起，第一加强筋(23)穿过通孔(21)，位于不同保护管(3)上相邻的固定法兰(22)的侧壁上螺纹连接有第二加强筋(24)，第二加强筋(24)两端设置有弹簧体(25)。
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