CN107725029B - 一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，包括四种钻杆：常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆，膨胀封孔器钻杆上设有膨胀封孔器钻杆胶囊；测试通道钻杆两端分别连接膨胀封孔器钻杆；测试通道钻杆包括测试通道第一钻杆、测试通道第二钻杆……测试通道第N钻杆，其中N为自然数。本方法的优点是实现了长钻孔瓦斯流量测试和钻测一体化，使长钻孔瓦斯流量数据的测试更加便捷、高效。

Description

一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置及方法

技术领域

本发明涉及瓦斯流量测试领域，尤其是涉及煤矿井下瓦斯流量测试装置及方法。

背景技术

《防治煤与瓦斯突出规定》第六条“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。突出矿井采掘工作做到不掘突出头、不采突出面”，目前我们国家的区域防突措施主要有保护层开采、底（顶）板巷穿层钻孔预抽和本煤层长钻孔抽采。煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力测试是目前现行的主要两个区域预测和检验指标，但煤层瓦斯压力测试条件要求较为严格，测试周期长、难度大，煤层含量测试面临部分取样钻孔长度长，取样难度大，长钻孔瓦斯解吸规律不确定等问题，也影响了对区域预测和检验的准确性。尤其是近些年，不少矿井尝试采用“以孔代巷”作为区域措施，但由于没有足够的巷道空间，在煤与瓦斯突出预测及措施效果检验时往往只能施工长钻孔取样进行煤层瓦斯含量测试从而确定工作面前方的突出危险性，长钻孔测试指标的准确性所面临更加大的困难。

因此，探求一种对长距离、便捷高效的煤层瓦斯突出危险性预测的装置及方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置及方法，实现长钻孔瓦斯流量测试和钻测一体化，使长钻孔瓦斯流量数据的测试更加便捷、高效。

本发明的技术方案是：

一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，包括四种钻杆：常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆，膨胀封孔器钻杆上设有膨胀封孔器钻杆胶囊；测试通道钻杆两端分别连接膨胀封孔器钻杆；测试通道钻杆包括测试通道第一钻杆、测试通道第二钻杆……测试通道第N钻杆，其中N为自然数；常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和若干根测试通道钻杆均为中空的长管状，常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆的中间为进风通道；常规连接钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆的管壁内沿各钻杆的长度方向设有两端通透的钻杆通道，钻杆通道沿管壁的圆周方向设有m个，m≥3。

钻杆通道包括连接通道、压风通道和测试通道，其中，膨胀封孔器钻杆上设有连接通道和x个压风通道，其中x的数量为1≤x<m，压风通道在钻杆长度方向的中间位置连接有与管壁外侧连通的侧壁气体通道；测试通道钻杆上设有连接通道和y个测试通道，其中y的数量为1≤y<m，且每个测试通道钻杆的测试通道的位置均与其它测试通道钻杆的测试通道的位置不相同，测试通道在钻杆长度方向的中间位置连接有与管壁外侧连通的侧壁气体通道；膨胀封孔器钻杆与测试通道钻杆连接时，膨胀封孔器钻杆的压风通道与测试通道钻杆上相邻的连接通道连通，测试通道钻杆的测试通道与膨胀封孔器钻杆上相邻的连接通道连通。

钻杆包括钻杆本体，钻杆快接结构包括一体连接在钻杆本体一端端部的连接部，连接部为空心圆筒状，连接部的外侧面为第一圆柱面，连接部与钻杆本体连接处环形的台阶面称为本体台阶面，第一圆柱面的外径小于钻杆本体的外径，第一圆柱面上沿钻杆的径向方向设有至少一对第一凹槽，第一凹槽内设有连接销，连接销的底面和第一凹槽的底面之间设有复位弹簧；对应在钻杆本体的另一端设有连接销凹槽，安装时连接销弹起插入到连接销凹槽内。

沿管壁的圆周方向设的钻杆通道数量m≥5。

第一凹槽上靠近第一凹槽出口处设有防止连接销脱出的阻挡台阶，连接销的底部设有防脱台阶；阻挡台阶的内径大于连接销上部的外径且小于防脱台阶的外径。

第一圆柱面、本体台阶面与相邻钻杆的连接处均设有密封结构。

设有钻杆通道的钻杆上钻杆通道的数量m=10，压风通道的数量x=2，两个压风通道关于钻杆中心对称设置。

单个测试通道钻杆上的测试通道的数量y=1。

侧壁气体通道设置在压风通道在钻杆长度方向的中间位置；测试通道所连通的侧壁气体通道在钻杆长度方向的中间位置。

煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试方法，

（1）在施工地点通过连接不同类型钻杆，进行钻进，施工钻孔时，通过进风通道在施工钻孔时进入压风，保障了钻孔的正常进行；

（2）测试时，采用连接管连接压风通道，压风通道进入高压风，压缩空气通过压风通道，使膨胀封孔器钻杆胶囊膨胀；两个膨胀封孔器钻杆膨胀后的胶囊将位于两个膨胀封孔器钻杆中间的测试通道钻杆的钻杆外壁与钻孔壁之间封闭，则封闭段之内的煤层瓦斯通过该处的测试通道钻杆的侧壁气体通道进入测试通道，并通过其它钻杆的钻杆通道最后进入流量测试装置，根据不同深度钻孔瓦斯流量测试的需求，多段同时测试；

（3）流量测试装置系统将各测试通道采集的钻孔瓦斯流量测试数据进行自动记录信号集成，生成钻孔瓦斯流量测试记录数据表格及曲线；

（4）根据各测试通道瓦斯流量测试数据，预测煤体前方突出危险性或检验瓦斯抽采效果。

压风通道进入高压风，高压风采用矿井压风或者打气筒输入压缩空气。

本发明中，长钻孔瓦斯流量测试装置由以下部分组成：长钻孔瓦斯流量测试常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆、测试通道第一钻杆、测试通道第二钻杆、测试通道第三钻杆、测试通道第四钻杆、测试通道第五钻杆、测试通道第六钻杆、测试通道第七钻杆、测试通道第八钻杆、瓦斯流量记录装置系统等组成，测试通道的数量可以根据需要进行确定，各钻杆的长度为0.8~2m，一般为1m，直径为42mm~75m，一般为42mm。

常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆、测试通道第一钻杆、测试通道第二钻杆、测试通道第三钻杆、测试通道第四钻杆、测试通道第五钻杆、测试通道第六钻杆、测试通道第七钻杆、测试通道第八钻杆之间可通过连接销连接，每一支钻杆连接处均有密封胶圈（包含通道密封胶圈和钻杆密封胶圈），使连接紧密，不透气。连接销由钻杆一端由两个弹簧控制的凸起和钻杆另一端的两个凹槽组成，连接时，将钻杆的一端塞至连接钻杆的另一端，此时连接销凸起压缩至最低，并进入另一只钻杆的连接销凹槽内，弹簧弹起，两只钻杆连接。各种类型钻杆之间连接可以根据测试钻孔深度及测试通道数目需求进行确定。

每一支钻杆均有进风通道、压风通道、测试通道、连接销、密封圈组成，其中，进风通道位于钻杆圆柱横截面中部，压风通道、测试通道环绕进风通道。进风通道的主要作用是在施工钻孔时进入压风，保障了钻孔的正常进行；测试通道的主要作用是进行钻孔瓦斯流量测试，可以满足不同深度钻孔瓦斯流量测试的需求，可以多段同时测试；压风通道的主要作用是进入高压风，使膨胀封孔器钻杆胶囊膨胀，提供测试条件。

流量测试装置系统为数据采集装置，将各测试通道采集的钻孔瓦斯流量测试数据进行自动记录信号集成，可生成钻孔瓦斯流量测试记录数据表格及曲线。

测试时，在施工地点根据测试需要连接不同类型钻杆，进行钻进（钻进方法同正常钻进），钻进完成后，采用连接管连接压风通道0，采用矿井压风或者打气筒输入压缩空气，当打入压力达到达到1MPa以上时，此时，膨胀封孔器钻杆胶囊膨胀，使打气筒或压缩空气压缩停止作业，关闭注气阀门。

将钻孔瓦斯流量记录装置系统接入各测试通道，此时，各测试通道的瓦斯流量数据通过瓦斯流量测试装置系统记录并生成表格及流量曲线。

分析各测试通道瓦斯流量测试数据，预测煤体前方突出危险性或检验瓦斯抽采效果。

本方法的优点是实现了长钻孔瓦斯流量测试和钻测一体化，使长钻孔瓦斯流量数据的测试更加便捷、高效。该方法可有效进行区域煤层瓦斯流量测试的测试工作，为区域煤层突出危险性及措施效果检验提供测试装置及方法。

附图说明

图1是本发明的常规连接钻杆的结构示意图（左侧图为在连接销凹槽处的截面示意图）；

图2是本发明的第一节封堵钻杆的结构示意图；

图3是膨胀封孔器钻杆在正常状态的示意图；

图4是膨胀封孔器钻杆在工作状态的示意图；

图5是测试通道第一~第八钻杆的示意图（其中省略第四~第七）；

图6是孔口流量计连接示意（以8号通道为例）；

图7是本发明钻探时的示意图；

图8是对膨胀封孔器钻杆进行加压时的示意图；

图9是膨胀封孔器钻杆膨胀后连接孔口流量计时的示意图；

图10是第一凹槽和连接销的示意图（左侧为压缩状态，右侧为弹起状态）。

其中图1、3、4、5、6中，在钻杆截面图中，数字0~8是对钻杆通道的数字标号。

具体实施方式

如图1~5所示， 本发明的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，包括四种钻杆：第一节封堵钻杆1、常规连接钻杆2、膨胀封孔器钻杆3和测试通道钻杆4，膨胀封孔器钻杆3上设有膨胀封孔器钻杆胶囊6；测试通道钻杆4两端分别连接膨胀封孔器钻杆3；测试通道钻杆4包括测试通道第一钻杆41、测试通道第二钻杆42、测试通道第三钻杆43……测试通道第N钻杆，其中N为自然数。各钻杆连接处均设置有钻杆快接结构和密封结构。

第一节封堵钻杆1、常规连接钻杆2、膨胀封孔器钻杆3和测试通道钻杆4均为中空的长管状，第一节封堵钻杆1、常规连接钻杆2、膨胀封孔器钻杆3和测试通道钻杆4的中间为进风通道5；常规连接钻杆2、膨胀封孔器钻杆3和测试通道钻杆4的管壁内沿各钻杆的长度方向设有两端通透的钻杆通道，钻杆通道沿管壁的圆周方向设有m个，m一般应大于等于3，也可以大于等于5。本实施例为10个。

钻杆通道包括连接通道9、压风通道7和测试通道8三种，其中，膨胀封孔器钻杆3上设有8个连接通道和x个压风通道7，其中x的数量为1≤x<m，本实施例中为2个。压风通道7在膨胀封孔器钻杆3长度方向的中间位置连接有与管壁外侧连通的侧壁气体通道10（出风通道）；测试通道钻杆4上设有连接通道和y个测试通道8，其中y的数量为1≤y<m，本实施例为1个，且每个测试通道钻杆4的测试通道8的位置均与其它测试通道钻杆4的测试通道8的位置不相同，测试通道8在钻杆长度方向的中间位置连接有与管壁外侧连通的侧壁气体通道10（进风通道）。连接通道9和压风通道7、测试通道8区别在于，连接通道9不与管壁外侧连通，没有设置侧壁气体通道10。

膨胀封孔器钻杆3与测试通道钻杆4连接时，膨胀封孔器钻杆3的压风通道7与测试通道钻杆4上相邻的连接通道9连通，测试通道钻杆4的测试通道8与膨胀封孔器钻杆3上相邻的连接通道9连通。

以常规连接钻杆2为例，钻杆包括钻杆本体11，钻杆快接结构包括一体连接在钻杆本体11左端端部的连接部12，连接部12为也空心圆筒状，连接部12的外侧面为第一圆柱面13，连接部12与钻杆本体11连接处环形的台阶面称为本体台阶面14，第一圆柱面13的外径小于钻杆本体11的外径，如图10所示，第一圆柱面13上沿钻杆的径向方向设有至少一对第一凹槽15，第一凹槽15内设有连接销16，连接销16的底面和第一凹槽15的底面之间设有复位弹簧17；对应在钻杆本体11的右端设有连接销凹槽18，安装时连接销16弹起插入到连接销凹槽18内。每对第一凹槽15关于钻杆的轴线对称设置。

为了保证连接销16不脱出，第一凹槽15上靠近第一凹槽15出口处设有防止连接销脱出的阻挡台阶，连接销16的底部设有防脱台阶。阻挡台阶的内径大于连接销上部的外径且小于防脱台阶的外径。

第一圆柱面13、本体台阶面14与相邻钻杆的连接处均设有密封结构。本体台阶面14左端设有凸出本体台阶面14的密封圈。

在本实施例中，常规连接钻杆2、膨胀封孔器钻杆3和测试通道钻杆4上的钻杆通道的数量均为m=10；膨胀封孔器钻杆3上压风通道7的数量x=2，其它8个为连杆通道9，两个压风通道7的每侧各有4个连杆通道9，两个压风通道7关于钻杆中心对称设置；测试通道钻杆4上测试通道8的数量y=1，其它9个为连杆通道9。

在本实施例中，两个压风通道7称为0通道，8个测试通道钻杆的各测试通道8沿顺时针方向依次设置；8个测试通道钻杆4各自的测试通道8依次为1，2，3……8测试通道。

在施工时，钻头19连接第一节封堵钻杆1，然后是依次为膨胀封孔器钻杆3、测试通道钻杆4、膨胀封孔器钻杆3，在两个膨胀封孔器钻杆3之间为了增加长度或者根据钻孔长度需要，可以设置多根常规连接钻杆2，常规连接钻杆2起到连接进风通道5和压风通道7、测试通道8的作用。

煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试方法，

（1）如图7所示，在施工地点通过连接不同类型钻杆，钻机22进行钻进，施工钻孔时，通过进风通道5在施工钻孔时进入压风，保障了钻孔的正常进行；

（2）如图8所示，测试时，采用连接管20连接压风通道7，压风通道7进入高压风，（采用矿井压风或者打气筒输入压缩空气，）压缩空气通过压风通道7，使膨胀封孔器钻杆胶囊6膨胀；两个膨胀封孔器钻杆3膨胀后的胶囊6将位于两个膨胀封孔器钻杆3中间的测试通道钻杆4的钻杆外壁与钻孔壁之间封闭，则封闭段之内的煤层瓦斯通过该处的测试通道钻杆4的侧壁气体通道10（进风通道）进入测试通道8，并通过其它钻杆的钻杆通道最后进入流量测试装置21，根据不同深度钻孔瓦斯流量测试的需求，多段同时测试；分析钻孔内不同深度处的瓦斯的流量。

（3）如图6、9所示，流量测试装置21系统将各测试通道8采集的钻孔瓦斯流量测试数据进行自动记录信号集成，可生成钻孔瓦斯流量测试记录数据表格及曲线；流量测试装置21包括孔口流量计。

（4）根据各测试通道8瓦斯流量测试数据，预测煤体前方突出危险性或检验瓦斯抽采效果。

Claims (10)

1.一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：包括四种钻杆：常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆，膨胀封孔器钻杆上设有膨胀封孔器钻杆胶囊；测试通道钻杆两端分别连接膨胀封孔器钻杆；测试通道钻杆包括测试通道第一钻杆、测试通道第二钻杆……测试通道第N钻杆，其中N为自然数；常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和若干根测试通道钻杆均为中空的长管状，常规连接钻杆、第一节封堵钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆的中间为进风通道；常规连接钻杆、膨胀封孔器钻杆和测试通道钻杆的管壁内沿各钻杆的长度方向设有两端通透的钻杆通道，钻杆通道沿管壁的圆周方向设有m个，m≥3；

钻杆通道包括连接通道、压风通道和测试通道，其中，膨胀封孔器钻杆上设有连接通道和x个压风通道，其中x的数量为1≤x<m，压风通道在钻杆长度方向的中间位置连接有与管壁外侧连通的侧壁气体通道；测试通道钻杆上设有连接通道和y个测试通道，其中y的数量为1≤y<m，且每个测试通道钻杆的测试通道的位置均与其它测试通道钻杆的测试通道的位置不相同，测试通道在钻杆长度方向的中间位置连接有与管壁外侧连通的侧壁气体通道；膨胀封孔器钻杆与测试通道钻杆连接时，膨胀封孔器钻杆的压风通道与测试通道钻杆上相邻的连接通道连通，测试通道钻杆的测试通道与膨胀封孔器钻杆上相邻的连接通道连通。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：钻杆包括钻杆本体，钻杆快接结构包括一体连接在钻杆本体一端端部的连接部，连接部为空心圆筒状，连接部的外侧面为第一圆柱面，连接部与钻杆本体连接处环形的台阶面称为本体台阶面，第一圆柱面的外径小于钻杆本体的外径，第一圆柱面上沿钻杆的径向方向设有至少一对第一凹槽，第一凹槽内设有连接销，连接销的底面和第一凹槽的底面之间设有复位弹簧；对应在钻杆本体的另一端设有连接销凹槽，安装时连接销弹起插入到连接销凹槽内。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：沿管壁的圆周方向设的钻杆通道数量m≥5。

4.根据权利要求2所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：第一凹槽上靠近第一凹槽出口处设有防止连接销脱出的阻挡台阶，连接销的底部设有防脱台阶；阻挡台阶的内径大于连接销上部的外径且小于防脱台阶的外径。

5.根据权利要求2所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：第一圆柱面、本体台阶面与相邻钻杆的连接处均设有密封结构。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：设有钻杆通道的钻杆上钻杆通道的数量m=10，压风通道的数量x=2，两个压风通道关于钻杆中心对称设置。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：单个测试通道钻杆上的测试通道的数量y=1。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试装置，其特征在于：侧壁气体通道设置在压风通道在钻杆长度方向的中间位置；测试通道所连通的侧壁气体通道在钻杆长度方向的中间位置。

9.采用如权利要求1~8任一条所述的测试装置的煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试方法，其特征在于：

（1）在施工地点通过连接不同类型钻杆，进行钻进，施工钻孔时，通过进风通道在施工钻孔时进入压风，保障了钻孔的正常进行；

（2）测试时，采用连接管连接压风通道，压风通道进入高压风，压缩空气通过压风通道，使膨胀封孔器钻杆胶囊膨胀；两个膨胀封孔器钻杆膨胀后的胶囊将位于两个膨胀封孔器钻杆中间的测试通道钻杆的钻杆外壁与钻孔壁之间封闭，则封闭段之内的煤层瓦斯通过该处的测试通道钻杆的侧壁气体通道进入测试通道，并通过其它钻杆的钻杆通道最后进入流量测试装置，根据不同深度钻孔瓦斯流量测试的需求，多段同时测试；

（3）流量测试装置系统将各测试通道采集的钻孔瓦斯流量测试数据进行自动记录信号集成，生成钻孔瓦斯流量测试记录数据表格及曲线；

（4）根据各测试通道瓦斯流量测试数据，预测煤体前方突出危险性或检验瓦斯抽采效果。

10.根据权利要求9所述的煤矿井下长钻孔瓦斯流量测试方法，其特征在于：压风通道进入高压风，高压风采用矿井压风或者打气筒输入压缩空气。

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