CN107503741A - 一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具 - Google Patents

一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具 Download PDF

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Abstract

一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，水变头和钻杆之间的测温阀块包括中心回转腔体和信号传输反馈部件，水变头的连接端插入中心回转腔体一端的管接头，中心回转腔体另一端与钻杆连接；信号传输反馈部件通过定位套配合安装在中心回转腔体上，且定位套与中心回转腔体之间的空腔中间隔设有导电环；信号传输反馈部件包括信号线Ⅰ、信号线Ⅱ、信号输入端和信号输出端，信号线Ⅰ、信号线Ⅱ将感温电缆与信号输入端和信号输出端连在一起。本发明操作方便，不仅能够探测区域的温度分布情况，还可以在钻杆深入钻孔时测量钻孔沿程的温度，从而准确地探测煤矿井下采空区及其它着火区域温度，从而有利于提前做好预防工作，降低了火灾发生的概率。

Description

一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具
技术领域
本发明涉及一种钻具，具体是一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，属于煤矿井下探测装置。
背景技术
在煤矿井下，煤自燃是影响工作面安全回采的灾害之一，而在其中采空区是煤自燃频发区域。由于采空区处于封闭空间，无法实时测量其内部空间各处温度，目前现场操作时多采用气体探测法反演采空区煤自燃程度，并基于反演结果采取相应的火灾治理措施。但是采用这种方法时，受煤矿井下风流、采动以及地质赋存的影响，一旦检测到标志性气体，则遗煤已经进入到了自燃阶段，不能起到提前预防的效果，直接增大了火灾发生的概率，提高了火灾治理的投入。
为了解决这样的问题，可以预先监测易着火位置的温度情况，目前可以考虑采用光纤测温技术、热电偶技术和红外探测技术等直接测温。然而光线测温技术是预先向采空区或者易着火区域铺设光纤，利用光时域反射技术进行采空区温度实时测量，由于光纤一般铺设在煤层底板，受煤层顶板垮塌以及矿井水的影响，该方法经常出现光纤被砸断，光纤或感温探头被浸泡等问题；此外该方法需要预埋，而对于没有预埋且已经着火的区域，无法测量其内部温度。而如果通过在钻孔中伸入热电偶测温，虽然有时能够测量出着火空间的温度，但是其操作复杂，且受钻孔围岩状况及采空区多孔介质导热性差的影响，准确性和敏感性差。最后，红外探测技术仅适用于表层温度变化较明显的区域测温，不适用于矿井下采空区或者废弃巷道区域温度的探测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，可以实时监测到采空区危险区域的温度及其变化规律，以利于提前做好预防工作，进一步能够减少火灾治理投入，提高现场作业安全性和经济性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，包括水变头和钻杆，所述水变头和钻杆之间设有测温阀块，测温阀块包括中心回转腔体和信号传输反馈部件，所述水变头的连接端插入中心回转腔体一端的管接头，中心回转腔体另一端的外螺纹接头与钻杆的内螺纹接头配合连接；
所述信号传输反馈部件通过定位套配合安装在中心回转腔体上，所述中心回转腔体和定位套之间设有一对回转轴承，且定位套与中心回转腔体之间的空腔中间隔设有导电环，导电环套在中心回转腔体上，且导电环内圈直径大于中心回转腔体外圈直径，导电环与中心回转腔体之间填充绝缘体；所述信号传输反馈部件包括信号线Ⅰ、信号线Ⅱ、以及结构相同的信号输入端和信号输出端，所述信号输入端和信号输出端对应导电环的位置皆从外部沿径向插入并穿过定位套，且信号输入端、信号输出端中心皆设有传导杆，所述传导杆前端设有导电半球，导电半球前端面与导电环的环形外表面接触；
所述信号线Ⅰ、信号线Ⅱ置于连通的中心回转腔体和钻杆中，且信号线Ⅰ一端穿过中心回转腔体侧壁并固定在信号输入端对应位置处的导电环内圈，另一端与固定在钻杆上的感温电缆输入端连接；信号线Ⅱ一端穿过中心回转腔体侧壁并固定在信号输出端对应位置处的导电环内圈，另一端与固定在钻杆上的感温电缆输出端连接。
进一步的，为了保证导电半球与导电环外圈可以始终稳定接触，延长使用寿命，所述传导杆上套有弹簧，且弹簧一端顶住导电半球，另一端设在其所在的信号输入端或信号输出端的内壁上。
优选的，所述信号输入端和信号输出端皆有两个，分别沿定位套长度方向并列设在定位套上。
优选的，所述感温电缆设在钻杆表面的定位槽中，所述定位槽沿钻杆长度方向设在其外壁上，且定位槽两端设有通孔，感温电缆铺设在定位槽中，且两端从通孔插入钻杆内。
进一步的，定位槽中铺设高强度耐高温树脂，高强度耐高温树脂覆盖感温电缆，两端分别通过卡簧固定在钻杆上。
优选的，所述绝缘体为绝缘尼龙。
进一步的，信号线Ⅰ、信号线Ⅱ与其穿过的中心回转腔体侧壁之间的空隙之间填充有树脂。
优选的，为了保证冷却水的正常供给，水变头中部活动套设有旋转套，所述旋转套上有进水口，所述进水口通过水变头中的水道与连接端连通在一起。
将本发明的装置接到钻机水变头和钻杆之间，在打钻期间，从外部通过信号输入端持续向测温阀块输入电信号，电信号经信号线Ⅰ、感温电缆、信号线Ⅱ传至信号输出端，当温度超过感温电缆的设定温度时，感温电缆发生短路，短路信号通过信号输出端可以输出至与其相连的报警部件发出警示。同一工作区域的不同监测点以及在同一监测点更换不同检测温度的感温电缆即可监测大范围工作区域的温度，多个测点可以构成温度网，用以指导采空区等火灾防治。
本发明与煤矿现有打钻设备匹配度高，可以现场安装操作。由于其设在钻具中，测量时不会受煤层的压力或其他外界冲击的影响；不需要预埋，测量位置可灵活选择；实用状态下，不仅能够探测区域的温度分布情况，还可以在钻杆深入钻孔时测量钻孔沿程的温度，非常适用于煤矿井下容易着火的隐蔽区域的温度监控。其定点温度检测和钻孔沿程温度变化趋势的检测结果可以相互印证和补充，使其具有较高的准确度和灵敏度，能够准确地探测煤矿井下采空区及其它着火区域的温度，从而有利于提前做好预防工作，指导工作面火灾防治、降低了火灾发生的概率，最终大大减少了火灾治理的投入成本，提高了现场作业的安全性。
附图说明
图1是本发明的测温阀块结构示意图；
图2是本发明钻杆的局部剖视图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明水变头的示意图；
图中，1.水变头，11.钻机连接口，12.旋转套，12a.进水口，13.连接端，14.水道，
2.测温阀块，21.中心回转腔体，21a.管接头，21b.外螺纹接头，22.定位套，23.回转轴承，24.导电环，25.绝缘体，
3.钻杆，31.内螺纹接头，32.接头，33.感温电缆，33a.定位槽，33b.通孔，33c.高强度耐高温树脂，33d.卡簧，
40a.传导杆，40b.导电半球，40c.弹簧，40d.树脂，41.信号线Ⅰ，42.信号线Ⅱ，43.信号输入端，44.信号输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至图4所示，一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，包括水变头1和钻杆3，所述水变头1和钻杆3之间设有测温阀块2，测温阀块2包括中心回转腔体21和信号传输反馈部件，钻机与水变头1的钻机连接口11连接，水变头1的连接端13插入中心回转腔体21一端的管接头21a，中心回转腔体21另一端的外螺纹接头21b与钻杆3的内螺纹接头31配合连接，钻杆3另一端通过接头32连接一钻头(图中未示出)；所述信号传输反馈部件通过定位套22配合安装在中心回转腔体21上，所述中心回转腔体21和定位套22之间设有一对回转轴承23，且定位套22与中心回转腔体21之间的空腔中间隔设有导电环24，导电环24套在中心回转腔体21上，且导电环24内圈直径大于中心回转腔体21外圈直径，导电环24与中心回转腔体21之间填充绝缘体25；所述信号传输反馈部件包括信号线Ⅰ41、信号线Ⅱ42、以及结构相同的信号输入端43和信号输出端44，所述信号输入端43和信号输出端44对应导电环24的位置皆从外部沿径向插入并穿过定位套22，且信号输入端43、信号输出端44中心皆设有传导杆40a，所述传导杆40a前端设有导电半球40b，导电半球40b前端面与导电环24的环形外表面接触；信号输出端44外接报警部件。
所述信号线Ⅰ41、信号线Ⅱ42置于连通的中心回转腔体21和钻杆3中，且信号线Ⅰ41一端穿过中心回转腔体21侧壁并固定在信号输入端43对应位置处的导电环24内圈，另一端与固定在钻杆3上的感温电缆33输入端连接；信号线Ⅱ42一端穿过中心回转腔体21侧壁并固定在信号输出端44对应位置处的导电环24内圈，另一端与固定在钻杆3上的感温电缆33输出端连接。
优选的，所述传导杆40a上套有弹簧40c，且弹簧40c一端顶住导电半球40b，另一端设在其所在的信号输入端43或信号输出端44的内壁上。这样的设置能够有效避免钻进过程中因外力产生的刚性碰撞引发的接触不良等问题，弹簧40c可以吸收冲击，保证了导电半球40b与导电环24外圈可以始终稳定接触。
优选的，所述信号输入端43和信号输出端44皆有两个，分别沿定位套22长度方向并列设在定位套22上，相应地，信号线Ⅰ41、信号线Ⅱ42分别有两根，两根信号线Ⅰ41分别与两个信号输入端43所处位置的导电环24接触，并共同与钻杆3上的感温电缆33输入端连接；两根信号线Ⅱ42分别与两个信号输出端44所处位置的导电环24接触，并共同与钻杆3上的感温电缆33输出端连接。两个信号同时输出输入，增强了信号反馈的强度，保证测量的稳定性和准确率。
优选的，如图2至图3所示，所述感温电缆33设在钻杆3表面的定位槽33a中，所述定位槽33a沿钻杆3长度方向设在其外壁上，且定位槽33a两端设有通孔33b，感温电缆33铺设在定位槽33a中，且两端从通孔33b插入钻杆3内。
进一步的，为了避免在钻杆旋转过程中与岩石碰撞产生的摩擦力和高温损坏感温电缆33，保证感温电缆33的安装稳固，定位槽33a中铺设高强度耐高温树脂33c，高强度耐高温树脂33c覆盖感温电缆33，两端分别通过卡簧33d固定在钻杆3上。
优选的，所述绝缘体25为绝缘尼龙。
进一步的，为了确保信号线Ⅰ41、信号线Ⅱ42与中心回转腔体21之间绝缘，信号线Ⅰ41、信号线Ⅱ42与其穿过的中心回转腔体21侧壁之间的空隙之间填充有树脂40d。
优选的，如图4所示，水变头1中部活动套设有旋转套12，所述旋转套12上有进水口12a，所述进水口12a通过水变头1中的水道14与连接端13连通在一起。在钻机通过水变头1带动钻杆3旋转过程中，旋转套12不会发生回转，冷却水可以从进水口12a进入，通过水道14和连接端13输入至后部连接的钻杆3中，从而钻杆3的旋转不会影响冷却水的正常供给。
工作原理：使用前，根据检测需要选择所需型号的感温电缆33，选择的感温电缆33的检测温度应小于煤层理论自燃的温度值，并将预先选取的感温电缆33安装到前文所述的位置。将钻机、水变头1、测温阀块2、钻杆3以及钻头连接好后，开始打钻，在打钻期间，从外部通过信号输入端43持续向测温阀块2输入电信号，电信号经信号线Ⅰ41、感温电缆33、信号线Ⅱ42传至信号输出端44，当温度超过感温电缆33的设定温度时，感温电缆33发生短路，短路信号通过信号输出端44输出至与其相连的报警部件，报警部件包括PLC控制器和警示灯，PLC控制器收到信号后即可控制警示灯发光报警。实际工作中，在同一工作区域的不同监测点以及在同一监测点更换不同检测温度的感温电缆即可监测大范围工作区域的温度，多个测点可以构成温度网，用以指导采空区等火灾防治，提高工作效率，降低火灾隐患。

Claims (8)

1.一种用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，包括水变头(1)和钻杆(3)，其特征在于，所述水变头(1)和钻杆(3)之间设有测温阀块(2)，测温阀块(2)包括中心回转腔体(21)和信号传输反馈部件，所述水变头(1)的连接端(13)插入中心回转腔体(21)一端的管接头(21a)，中心回转腔体(21)另一端的外螺纹接头(21b)与钻杆(3)的内螺纹接头(31)配合连接；
所述信号传输反馈部件通过定位套(22)配合安装在中心回转腔体(21)上，所述中心回转腔体(21)和定位套(22)之间设有一对回转轴承(23)，且定位套(22)与中心回转腔体(21)之间的空腔中间隔设有导电环(24)，导电环(24)套在中心回转腔体(21)上，且导电环(24)内圈直径大于中心回转腔体(21)外圈直径，导电环(24)与中心回转腔体(21)之间填充绝缘体(25)；所述信号传输反馈部件包括信号线Ⅰ(41)、信号线Ⅱ(42)、以及结构相同的信号输入端(43)和信号输出端(44)，所述信号输入端(43)和信号输出端(44)对应导电环(24)的位置皆从外部沿径向插入并穿过定位套(22)，且信号输入端(43)、信号输出端(44)中心皆设有传导杆(40a)，所述传导杆(40a)前端设有导电半球(40b)，导电半球(40b)前端面与导电环(24)的环形外表面接触；
所述信号线Ⅰ(41)、信号线Ⅱ(42)置于连通的中心回转腔体(21)和钻杆(3)中，且信号线Ⅰ(41)一端穿过中心回转腔体(21)侧壁并固定在信号输入端(43)对应位置处的导电环(24)内圈，另一端与固定在钻杆(3)上的感温电缆(33)输入端连接；信号线Ⅱ(42)一端穿过中心回转腔体(21)侧壁并固定在信号输出端(44)对应位置处的导电环(24)内圈，另一端与固定在钻杆(3)上的感温电缆(33)输出端连接。
2.根据权利要求1所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，所述传导杆(40a)上套有弹簧(40c)，且弹簧(40c)一端顶住导电半球(40b)，另一端设在其所在的信号输入端(43)或信号输出端(44)的内壁上。
3.根据权利要求1所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，所述信号输入端(43)和信号输出端(44)皆有两个，分别沿定位套(22)长度方向并列设在定位套(22)上。
4.根据权利要求1所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，所述感温电缆(33)设在钻杆(3)表面的定位槽(33a)中，所述定位槽(33a)沿钻杆(3)长度方向设在其外壁上，且定位槽(33a)两端设有通孔(33b)，感温电缆(33)铺设在定位槽(33a)中，且两端从通孔(33b)插入钻杆(3)内。
5.根据权利要求4所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，定位槽(33a)中铺设高强度耐高温树脂(33c)，高强度耐高温树脂(33c)覆盖感温电缆(33)，两端分别通过卡簧(33d)固定在钻杆(3)上。
6.根据权利要求1所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，所述绝缘体(25)为绝缘尼龙。
7.根据权利要求1所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，信号线Ⅰ(41)、信号线Ⅱ(42)与其穿过的中心回转腔体(21)侧壁之间的空隙之间填充有树脂(40d)。
8.根据权利要求1所述的用于煤矿井下采空区温度探测的随钻测温钻具，其特征在于，水变头(1)中部活动套设有旋转套(12)，所述旋转套(12)上有进水口(12a)，所述进水口(12a)通过水变头(1)中的水道(14)与连接端(13)连通在一起。
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