CN109162700A - 一种基于no2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，包括孔洞密封模块和腔衰荡测NO2浓度模块；所述孔洞密封模块包括密封平板、环形密封O圈环、通气小孔、衰荡腔皮管连接端、样气皮管连接端以及煤岩固定件等，用于密封钻孔孔洞气体，控制NO2气体的进出；所述腔衰荡测NO2浓度模块用于测量稀释后的NO2浓度；所述高浓度NO2样气、流量控制阀和样气电磁阀用于向孔洞冲入定量高浓度NO2；所述进气电磁阀、过滤膜、进气端和出气端用于对所述腔体提供孔洞内气体；所述系统属于钻孔后测量技术，利用腔衰荡技术测量孔洞中稀释后的NO2浓度，进而推算出孔洞的深度，避免了井下复杂环境和塌孔的影响，提高了测量准确性。

Description

一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量 系统

技术领域

本发明涉及煤矿检测技术领域，具体是一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统。

背景技术

煤矿瓦斯是关乎煤矿安全的重要因素，瓦斯突出极易造成矿难。为此，国家煤矿安全监察局总结提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的方针，抽采瓦斯已成为煤炭开采的前提。目前，抽采瓦斯多通过煤矿瓦斯钻机向煤层中打入一定长度的钻杆，再达到指定深度后再抽出钻杆，进而形成抽采瓦斯的孔洞。以甲烷为主的煤层气会通过孔洞将高浓度的甲烷排除，同时还伴随有少量的乙烷、丙烷、氮气和二氧化碳。可见，钻孔是否达到指定深度关乎瓦斯抽采的效果，关系到煤炭开采的安全，对其进行深度测量具有重要的意义。

现有的测量技术主要基于对钻杆数量的计数，属于钻孔过程的监控，但是该技术受环境等因素影响较大，同时钻杆钻孔时孔壁存在一定压力，对于松软煤层的煤矿,当将钻杆从钻孔中取出后，钻孔极容易出现塌孔，从而造成钻孔堵塞，无法准确测定瓦斯排放孔的深度。这不仅会给后续的瓦斯抽放和煤层注水等造成影响，还会直接给后期的煤矿安全生产带来潜在的严重隐患。为此，开发一种钻孔作业完成后的深度测量系统尤为重要。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，属于钻孔后测量技术，利用腔衰荡技术测量孔洞中稀释后的NO2浓度，进而推算出孔洞的深度，避免了井下复杂环境和塌孔的影响，提高了测量准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，包括孔洞密封模块和腔衰荡测NO2浓度模块；所述孔洞密封模块包括密封平板、环形密封O圈环、通气小孔、衰荡腔皮管连接端、样气皮管连接端以及煤岩固定件等，用于密封钻孔孔洞气体，控制NO2气体的进出；所述腔衰荡测NO2浓度模块包括高浓度NO2样气、流量控制阀、样气电磁阀、激光器、隔离器、反射镜、光阑、镜架固定件、高反镜、镜架、腔主体、光电探测元件、数据处理单元、进气电磁阀、过滤膜、进气端和出气端等；所述高浓度NO2样气、流量控制阀和样气电磁阀用于向孔洞冲入定量高浓度NO2；所述激光器激光依次通过隔离器、反射镜和光阑，多级转向光通路进入腔体；所述镜架固定件和镜架用于固定高反镜；所述镜架固定件、高反镜、镜架、腔主体和光电探测元件水平密封设置；所述进气电磁阀、过滤膜、进气端和出气端用于对所述腔体提供孔洞内气体。

具体包括以下步骤：

步骤一：钻杆取出孔洞后，设置O圈于环形密封O圈环内，将密封平板紧贴煤岩表面，实现对孔洞气体的密封，再用煤岩固定件固定，此时孔洞气体为煤层气，通过通气小孔从衰荡腔皮管连接端和样气皮管连接端流出，NO2浓度值为0，样气电磁阀和进气电磁阀为关闭状态；

步骤二：启动系统，先打开进气电磁阀，煤层气气体经进气电磁阀、过滤膜从进气端进入腔体，此时激光器激光依次通过隔离器、反射镜和光阑，多级转向光通路进入腔体，再从出气端出去；

步骤三：信号处理单元处理特定波段的激光在煤层气气体下的吸收衰减情况，得到煤层气气体衰荡时间；

步骤四：关闭进气电磁阀，打开样气电磁阀，高浓度NO2气体经流量控制阀向孔洞充入定量NO2后，由流量控制阀关断，此时，孔洞内煤层气稀释NO2；

步骤五：待流量控制阀关断后，进气电磁阀开启，稀释后的NO2气体经进气电磁阀、过滤膜从进气端进入腔体，此时激光器激光依次通过隔离器、反射镜和光阑，多级转向光通路进入腔体；

步骤六：信号处理单元处理特定波段的激光在被稀释NO2浓度下的吸收衰减情况，得到被稀释NO2浓度吸收衰荡时间，计算得到被稀释NO2浓度；

步骤七：推算孔洞体积，因为孔洞直径一定，故可到孔洞实际深度值。

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：属于钻孔后测量技术，利用腔衰荡技术测量孔洞中稀释后的NO2浓度，进而推算出孔洞的深度，避免了井下复杂环境和塌孔的影响，提高了测量准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的孔洞密封模块结构示意图；

图中，1、孔洞密封模块，101、密封平板，102、环形密封O圈环，103、通气小孔，104、衰荡腔皮管连接端，105、样气皮管连接端，106、煤岩固定件孔，107、煤岩固定件，201、高浓度NO2气体，202、流量控制阀，203、样气电磁阀，204、激光器，205、隔离器，206、反射镜，207、光阑，208、高反镜，209、镜架固定件，210、镜架，211、腔主体，212、光电探测元件，213、信号处理单元，214、进气电磁阀，215、过滤膜，216、进气端，217、出气端，3、煤岩，4、孔洞。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。

请参阅图1一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，包括孔洞密封模块1和腔衰荡测NO2浓度模块；所述孔洞密封模块1包括密封平板101、环形密封O圈环102、通气小孔103、衰荡腔皮管连接端104、样气皮管连接端105以及煤岩固定件106等，用于密封钻孔孔洞4气体，控制NO2气体的进出；所述腔衰荡测NO2浓度模块包括高浓度NO2样气201、流量控制阀202、样气电磁阀203、激光器204、隔离器205、反射镜206、光阑207、镜架固定件208、高反镜209、镜架210、腔主体211、光电探测元件212、数据处理单元213、进气电磁阀214、过滤膜215、进气端216和出气端217等；所述高浓度NO2样气201、流量控制阀202和样气电磁阀203用于向孔洞4冲入定量高浓度NO2；所述激光器204激光依次通过隔离器205、反射镜206和光阑207，多级转向光通路进入腔体5；所述镜架固定件209和镜架210用于固定高反镜208；所述镜架固定件209、高反镜208、镜架210、腔主体211和光电探测元件212水平密封设置；所述进气电磁阀214、过滤膜215、进气端216和出气端217用于对所述腔体提供孔洞4内气体。

具体包括以下步骤：

步骤一：钻杆取出孔洞4后，设置O圈于环形密封O圈环102内，将密封平板101紧贴煤岩3表面，实现对孔洞4气体的密封，再用煤岩固定件107固定，此时孔洞4气体为煤层气，通过通气小孔103从衰荡腔皮管连接端104和样气皮管连接端105流出，NO2浓度值为0，样气电磁阀203和进气电磁阀214为关闭状态；

步骤二：启动系统，先打开进气电磁阀214，煤层气气体经进气电磁阀214、过滤膜215从进气端216进入腔体211，此时激光器204激光依次通过隔离器205、反射镜206和光阑207，多级转向光通路进入腔体211，再从出气端207出去；

步骤三：信号处理单元213处理特定波段405nm的激光在煤层气气体下的吸收衰减情况，得到煤层气气体衰荡时间τ₀；

步骤四：关闭进气电磁阀214，打开样气电磁阀203，高浓度n_高的NO2气体经流量控制阀202向孔洞4充入定量V_NO2的NO₂后，由流量控制阀202关断，此时，孔洞4内煤层气稀释NO₂；

步骤五：待流量控制阀202关断后，进气电磁阀214开启，稀释后的NO2气体经进气电磁阀214、过滤膜215从进气端216进入腔体211，此时激光器204激光依次通过隔离器205、反射镜206和光阑207，多级转向光通路进入腔体211；

步骤六：信号处理单元213处理特定波段405nm的激光在被稀释NO2浓度下的吸收衰减情况，得到被稀释NO2浓度吸收衰荡时间，计算得到被稀释NO2浓度τ；

步骤七：推算孔洞体积，因为孔洞直径D一定，故可到孔洞实际深度值。

具体地，特定405nm激光波段上，煤层气中的高浓度甲烷、乙烷、丙烷、氮气和二氧化碳等不存在吸收峰，而对NO2存在较强的吸收峰，故通过测定405nm对气体NO2的吸收衰减特性可算出NO2的浓度。

具体地，信号处理单元依托腔衰荡技术测NO2的浓度，腔衰荡技术基于朗伯比尔(lambert-Beer)定律，采用高反镜多次反射增加光程的方式提高探测能力，通过其计算NO2的浓度表达式为：

在表达式1-1中，A为稀释后NO2的浓度，d为腔体实际长度，L_s为样品长度，c为光速，τ为稀释后NO2的气体衰荡时间，τ₀为高浓度NO2的气体衰荡时间。

具体地，孔洞4的体积表达式为：

在表达式1-2中，V为孔洞体积，D为孔洞直径，L为孔洞实际长度。

具体地，稀释后的NO2浓度表达式为：

在表达式1-3中，A为稀释后NO2的浓度，V_NO2为定量高浓度NO2体积，V为孔洞体积，n_高为NO2高浓度气体浓度值。

具体地，孔洞实际长度L的表达式为：

具体地，测量系统在配备矿用本质安全外壳后，可以应用于煤矿井下各类复杂环境，检测精度不受环境影响。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于：包括孔洞密封模块和腔衰荡测NO2浓度模块；所述孔洞密封模块包括密封平板、环形密封O圈环、通气小孔、衰荡腔皮管连接端、样气皮管连接端以及煤岩固定件等，用于密封钻孔孔洞气体，控制NO2气体的进出；所述腔衰荡测NO2浓度模块包括高浓度NO2样气、流量控制阀、样气电磁阀、激光器、隔离器、反射镜、光阑、镜架固定件、高反镜、镜架、腔主体、光电探测元件、数据处理单元、进气电磁阀、过滤膜、进气端和出气端等；所述高浓度NO2样气、流量控制阀和样气电磁阀用于向孔洞冲入定量高浓度NO2；所述激光器激光依次通过隔离器、反射镜和光阑，多级转向光通路进入腔体；所述镜架固定件和镜架用于固定高反镜；所述镜架固定件、高反镜、镜架、腔主体和光电探测元件水平密封设置；所述进气电磁阀、过滤膜、进气端和出气端用于对所述腔体提供孔洞内气体。

2.根据权利要求1所述的一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于，所述测量方法属于钻孔后测量技术，利用腔衰荡技术测量孔洞中稀释后的NO2浓度，进而推算出孔洞的深度，避免了井下复杂环境和塌孔的影响，提高了测量准确性。

3.根据权利要求1所述的一种基于NO2吸收特性的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：钻杆取出孔洞后，设置O圈于环形密封O圈环内，将密封平板紧贴煤岩表面，实现对孔洞气体的密封，再用煤岩固定件固定，此时孔洞气体为煤层气，通过通气小孔从衰荡腔皮管连接端和样气皮管连接端流出，NO2浓度值为0，样气电磁阀和进气电磁阀为关闭状态；

步骤二：启动系统，先打开进气电磁阀，煤层气气体经进气电磁阀、过滤膜从进气端进入腔体，此时激光器激光依次通过隔离器、反射镜和光阑，多级转向光通路进入腔体，再从出气端出去；

步骤三：信号处理单元处理特定波段的激光在煤层气气体下的吸收衰减情况，得到煤层气气体衰荡时间；

步骤四：关闭进气电磁阀，打开样气电磁阀，高浓度NO2气体经流量控制阀向孔洞充入定量NO2后，由流量控制阀关断，此时，孔洞内煤层气稀释NO2；

步骤五：待流量控制阀关断后，进气电磁阀开启，稀释后的NO2气体经进气电磁阀、过滤膜从进气端进入腔体，此时激光器激光依次通过隔离器、反射镜和光阑，多级转向光通路进入腔体；

步骤六：信号处理单元处理特定波段的激光在被稀释NO2浓度下的吸收衰减情况，得到被稀释NO2浓度吸收衰荡时间，计算得到被稀释NO2浓度；

步骤七：推算孔洞体积，因为孔洞直径一定，故可到孔洞实际深度值。