CN109707371B - 一种快速测定煤层钻孔深度装置和方法 - Google Patents

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本发明属于快速测定煤层钻孔深度的技术，具体是一种快速测定煤层钻孔深度装置和方法。包括将钻孔口密封的机械封孔装置，机械封孔装置上有充气管路与排气管路，充气管路上设置有控制气体进出的截止阀Ⅰ和记录钻孔实时压力的压力表，排气管路上设置有截止阀Ⅱ，排气管路的截止阀Ⅱ后分支为两条管路，一条管路为高压输出管路，包括当压力高于P2时能够快速释放孔内高压气体的高压开关以及流量计Ⅰ，另一条管路为低压输出管路，包括控制压力在P2~（P2‑ΔP）范围内方允许气体流出的控压阀以及流量计Ⅱ。本发明提高钻孔深度测量的准确性与可靠性。

Description

一种快速测定煤层钻孔深度装置和方法
技术领域
本发明属于快速测定煤层钻孔深度的技术，具体是一种快速测定煤层钻孔深度装置和方法。
背景技术
矿井瓦斯抽采是高瓦斯矿井必须采取的瓦斯防治措施，抽采钻孔的达标与否直接影响着瓦斯抽采效果，瓦斯钻孔深度的测定是检验钻孔是否达标的最重要条件，也是钻孔施工管理的最重要内容。
目前，测量煤层钻孔深度的方法与装置有多种。有随钻测量装置，通过钻杆来测量钻孔深度的测量仪，以及通过液压钻机所用油的总量推算钻孔的深度。这类装置往往需要与钻孔工艺相结合，测量效率低，且完孔后不能进行重复测量。
另外还有一些利用声波和光波测量钻孔深度的方法，例如微震定位测量仪，声波反射法测量钻孔深度，磁感应测量钻孔深度，和基于射频技术的测量仪。这类仪器往往受钻孔周围煤介质均一性的影响，测量精度有待进一步提高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提高测量装置的准确性，提供一种快速测定煤层钻孔深度装置和方法。
本发明采取以下技术方案：一种快速测定煤层钻孔深度装置，包括将钻孔口密封的机械封孔装置，机械封孔装置上有充气管路与排气管路，充气管路上设置有控制气体进出的截止阀Ⅰ和记录钻孔实时压力的压力表，排气管路上设置有截止阀Ⅱ，排气管路的截止阀Ⅱ后分支为两条管路，一条管路为高压输出管路，包括当压力高于P2时能够快速释放孔内高压气体的高压开关以及流量计Ⅰ，另一条管路为低压输出管路，包括控制压力在P2范围内方允许气体流出的控压阀以及流量计Ⅱ。
进一步的，高压开关和控压阀结构相同但安装方向相反，包括释放管，释放管内设置密封圆环以及与密封圆环相对的管内壁均布支撑脚，密封圆环与释放管同轴，密封圆环和支撑脚之间设有密封帽与导流罩，密封帽呈半球状，导流罩呈锥体结构，密封帽与导流罩一体连接，密封帽的边环上连接有弹簧，弹簧的另一端和支撑脚上的基础环连接，弹簧安装在轴向的控制螺杆上，控制螺杆的首端安装在圆环上，其杆体穿过密封帽的边环、弹簧和基础环，控制螺杆的尾端螺纹连接在支撑脚上，基础环与控制螺杆固定。
一种快速测定煤层钻孔深度装置的测定方法，包括以下步骤，
S100～将充气管路截止阀Ⅰ处于打开状态，排气管路上的截止阀Ⅱ处于关闭状态，用打气筒向钻孔内打气，将钻孔内气压提升至P1，平衡10分钟至稳定。
S200～关闭充气管路的截止阀Ⅰ，打开排气管路的截止阀Ⅱ，钻孔内的自由气体与吸附气体从高压输出管路快速排出，管内压力降至P2，高压开关关闭，记录流量计Ⅰ示数。
S300～控压阀在孔内压力降到P2后自动开启，指示灯亮，从流量计II获得钻孔释放的吸附气体量，每分钟记录一次解吸气体体积，测定5~10min，获得每分钟气体解吸速度cm3/min，按式
Figure 304562DEST_PATH_IMAGE001
进行回归处理，Vt—为t 时的瓦斯解吸速度，cm3/ min；V0—为时间t = 0时的瓦斯解吸速度，cm3/ min；b—为衰减系数；得到V0和b值，获得孔内压力为P2时钻孔内煤壁吸附气体的释放气体体积随时间的变化规律，反算流量计Ⅰ测量期间，钻孔内煤壁吸附气体释放体积，获得钻孔中自由气体释放体积。
S400～根据气态方程得出钻孔体积，进而根据钻孔直径可计算出钻孔的深度。钻孔体积：
Figure 525459DEST_PATH_IMAGE002
；式中：V——钻孔的体积，m3；P0——钻孔外大气压，Pa；V1——流量计Ⅰ记录释放的气体体积，m3；V2——经反算获得通过流量计I测量期间的钻孔煤壁吸附气体体积，m3；P1——钻孔放气前孔内气压，Pa。
钻孔深度：
Figure 879080DEST_PATH_IMAGE003
，式中：L——钻孔深度，m；D——钻孔直径，m。
P1取3~5个大气压，P2值取0~1个大气压。
与现有技术相比，本发明以提高钻孔深度测量的简便性与准确性为宗旨，通过对钻孔中煤壁吸附气体释放速度的计量，最大限度排出钻孔内煤壁吸附气体对钻孔体积测量的干扰，提高钻孔深度测量的准确性与可靠性，该方法适用于不同类型煤层的钻孔深度测定。
附图说明
图1为快速测定钻孔深度的装置简图；
图2为高压开关结构示意图；
图3为控压阀结构示意图；
图中：1-机械封孔装置，2-充气管路，3-排气管路，4-截止阀Ⅰ，5-压力表，6-截止阀Ⅱ，7-高压开关，8-流量计Ⅰ，9-控压阀，10-流量计Ⅱ。
具体实施方式
如图1所示，一种快速测定煤层钻孔深度装置，包括将钻孔口密封的机械封孔装置1，机械封孔装置1上有充气管路2与排气管路3，充气管路2上设置有控制气体进出的截止阀Ⅰ4和记录钻孔实时压力的压力表5，排气管路3上设置有截止阀Ⅱ6，排气管路3的截止阀Ⅱ6后分支为两条管路，一条管路为高压输出管路，包括当压力高于P2时能够快速释放孔内高压气体的高压开关以及流量计Ⅰ，另一条管路为低压输出管路，包括控制压力在P2范围内方允许气体流出的控压阀以及流量计Ⅱ。
如图2、3所示，高压开关7和控压阀9结构相同但安装方向相反，包括释放管A，释放管A内设置密封圆环D以及与密封圆环D相对的管内壁均布支撑脚E，密封圆环D与释放管A同轴，密封圆环D和支撑脚E之间设有密封帽B与导流罩K，密封帽B呈半球状，导流罩K呈锥体结构，密封帽B与导流罩K一体连接，密封帽B的边环上连接有弹簧C，弹簧C的另一端和支撑脚E上的基础环G连接，弹簧C安装在轴向的控制螺杆F上，控制螺杆F的首端安装在圆环D上，其杆体穿过密封帽B的边环、弹簧C和基础环G，控制螺杆F的尾端螺纹连接在支撑脚E上，基础环G与控制螺杆F固定。
高压开关7工作过程如图2所示，当气体压力高于P2时，高压开关的密封帽B）左移，高压开关开启；当气体压力小于P2时，在弹簧力的作用下密封帽B与密封圆环D被压紧，高压开关关闭。
控压阀9工作过程如图3所示，当气体压力高于P2时，控压阀的密封帽B左移，在气体压力作用下密封帽B与密封圆环D被压紧，控压阀关闭；当气体压力低于（P2-ΔP）时，在弹簧力的作用下，密封帽B右移，控压阀亦被关闭，当气体压力在P2~（P2-ΔP）之间时控压阀开启，指示灯亮。
一种快速测定煤层钻孔深度装置的测定方法，包括以下步骤，
S100～将充气管路截止阀Ⅰ4处于打开状态，排气管路上的截止阀Ⅱ6处于关闭状态，用打气筒向钻孔内打气，将钻孔内气压提升至P1，平衡10分钟至稳定。
S200～关闭充气管路的截止阀Ⅰ4，打开排气管路的截止阀Ⅱ6，钻孔内的自由气体与吸附气体从高压输出管路快速排出，管内压力降至P2，高压开关7关闭，记录流量计Ⅰ8示数。
S300～控压阀9在孔内压力降到P2后自动开启，指示灯亮，从流量计II10获得钻孔释放的吸附气体量，每分钟记录一次解吸气体体积，测定5~10min，获得每分钟气体解吸速度cm3/min，按式
Figure 552638DEST_PATH_IMAGE001
进行回归处理，得到V0和b值，Vt—为t 时的瓦斯解吸速度，cm3/ min；V0—为时间t = 0时的瓦斯解吸速度，cm3/ min；b—为衰减系数。
获得孔内压力为P2时钻孔内煤壁吸附气体的释放气体体积随时间的变化规律，反算流量计Ⅰ8测量期间，钻孔内煤壁吸附气体释放体积，获得钻孔中自由气体释放体积。
S400～根据气态方程得出钻孔体积，进而根据钻孔直径可计算出钻孔的深度。钻孔体积：
Figure 17117DEST_PATH_IMAGE002
；
式中：V——钻孔的体积，m3；
P0——钻孔外大气压，Pa；
V1——流量计Ⅰ记录释放的气体体积，m3；
V2——经反算获得通过流量计I测量期间的钻孔煤壁吸附气体体积，m3；
P1——钻孔放气前孔内气压，Pa。
钻孔深度：
Figure 217154DEST_PATH_IMAGE003
式中：L——钻孔深度，m；
D——钻孔直径，m。
利用高压开关7在孔内压力由P1降到P2期间释放钻孔内的自由气体与吸附气体；利用控压阀9获得孔内压力为P2时钻孔内煤壁吸附气体的释放气体体积随时间的变化规律。
排气管路上的高压开关7与控压阀9，高压开关7完成钻孔气体的初次释放，保证孔内压力由P1降到P2后释放孔内的全部自由气体，控压阀9在孔内压力降到P2且孔内自由气体全部释放后开启。
高压开关7与控压阀9达到设定压力后可自动打开或关闭，当高压开关7开启后高压开关指示灯亮，当控压阀9开启后控压阀指示灯亮。高压开关7后配置大流量流量计，控压阀9后配置小流量流量计。
根据流量计Ⅱ测得的（吸附）气体释放体积随时间的变化规律，反算流量计Ⅰ测量期间，钻孔内煤壁吸附气体释放体积，获得钻孔中自由气体释放体积。
P1与P2的取值即要考虑钻孔煤壁对气体的解吸能力，即钻孔在高压（压力大于P2）时释放的气体量与流量计适配，又要考虑气体在P2~（P2-ΔP）释放时，ΔP的误差影响。从减小误差的角度出发，ΔP越小、P1与P2的差值越高，误差越小。
以上所述，仅是本发明专利的较佳实施例而已，并非是对本发明专利用作其它形式的限制，任何熟悉本专业的专业技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离发明专利技术方案内容，依据本发明专利的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明专利技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种快速测定煤层钻孔深度装置，其特征在于：包括将钻孔口密封的机械封孔装置（1），机械封孔装置（1）上有充气管路（2）与排气管路（3），充气管路（2）上设置有控制气体进出的截止阀Ⅰ（4）和记录钻孔实时压力的压力表（5），排气管路（3）上设置有截止阀Ⅱ（6），排气管路（3）的截止阀Ⅱ（6）后分支为两条管路，一条为高压输出管路，包括当压力高于P2时能够快速释放孔内高压气体的高压开关（7）与流量计（8），另一条管路为低压输出管路，包括压力低于P2时方允许气体流出的控压阀（9）以及流量计Ⅱ（10）。
2.根据权利要求1所述的快速测定煤层钻孔深度装置，其特征在于：所述的高压开关（7）和控压阀（9）结构相同但安装方向相反，包括释放管（A），释放管（A）内设置密封圆环（D）以及与密封圆环（D）相对的管内壁均布支撑脚（E），密封圆环（D）与释放管（A）同轴，密封圆环（D）和支撑脚（E）之间设有密封帽（B）与导流罩（K），密封帽（B）呈半球状，导流罩（K）呈锥体结构，密封帽（B）与导流罩（K）一体连接，密封帽（B）的边环上连接有弹簧（C），弹簧（C）的另一端和支撑脚（E）上的基础环（G）连接，弹簧（C）安装在轴向的控制螺杆（F）上，控制螺杆（F）的首端安装在圆环（D）上，控制螺杆（F）的杆体穿过密封帽（B）、弹簧（C）和基础环（G），控制螺杆（F）的尾端螺纹连接在支撑脚（E）上，基础环（G）与控制螺杆（F）固定。
3.一种如权利要求2所述的快速测定煤层钻孔深度装置的测定方法，其特征在于：包括以下步骤，
S100～将充气管路截止阀Ⅰ（4）处于打开状态，排气管路上的截止阀Ⅱ（6）处于关闭状态，用打气筒向钻孔内打气，将钻孔内气压提升至P1，平衡10分钟至稳定；
S200～关闭充气管路的截止阀Ⅰ（4），打开排气管路的截止阀Ⅱ（6），钻孔内的自由气体与吸附气体从高压输出管路快速排出，管内压力降至P2，高压开关（7）关闭，记录流量计Ⅰ（8）示数；
S300～控压阀（9）在孔内压力降到P2后自动开启，指示灯亮，控制孔内压力在P2~P2-ΔP范围内，从流量计Ⅱ（10）获得钻孔释放的吸附气体量，每分钟记录一次解吸气体体积，测定5~10min，获得每分钟气体解吸速度cm3/min，按式
Figure 453545DEST_PATH_IMAGE001
Vt—为t 时的瓦斯解吸速度，cm3/ min；
V0—为时间t = 0时的瓦斯解吸速度，cm3/ min；
b—为衰减系数；
进行回归处理得到V0和b值，获得孔内压力为P2时钻孔内煤壁吸附气体的释放气体体积随时间的变化规律，反算流量计Ⅰ（8）测量期间，钻孔内煤壁吸附气体释放体积，获得钻孔中自由气体释放体积；
S400～根据气态方程得出钻孔体积，进而根据钻孔直径可计算出钻孔的深度，钻孔体积：
Figure 473453DEST_PATH_IMAGE002
；
式中：V——钻孔的体积，m3；
P0——钻孔外大气压，Pa；
V1——流量计Ⅰ记录释放的气体体积，m3；
V2——经反算获得通过流量计I测量期间的钻孔煤壁吸附气体体积，m3；
P1——钻孔放气前孔内气压，Pa；
钻孔深度：
Figure 616990DEST_PATH_IMAGE003
式中：L——钻孔深度，m；
D——钻孔直径，m。
4.根据权利要求3所述的快速测定煤层钻孔深度装置的测定方法，其特征在于：P1取3~5个大气压，P2值取0~1个大气压。
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