CN104612657A - 联合测定qst值的装置 - Google Patents

Abstract

联合测定QST值的装置，属于矿山安全技术领域。包括螺旋钻杆***、带孔钻屑收集袋、重力传感器、空气泵及数据采集器，螺旋钻杆***包括相连接的第一螺旋钻杆及辅助螺旋钻杆，第一螺旋钻杆内腔中部设有中空的缸体，缸体中部的内壁设有用于固定活塞底端位置的卡头，活塞前端为阻风套与第一螺旋钻杆围绕成的与活塞相匹配的活塞容腔，阻风套内毗邻第一螺旋钻杆外壁及空腔处设有温度传感器，第一螺旋钻杆内壁设有与缸体相连通的送气管，第一螺旋钻杆内腔还设有测量管，测量管贯穿缸体及活塞的内部，最后一节辅助螺旋钻杆尾部设有封孔器；带孔钻屑收集袋设置于重力传感器上，空气泵与送气管相连，数据采集器与测量管尾部相连接，适用于矿井防突预测。

Description

联合测定QST值的装置

技术领域

本发明属于矿山安全技术领域，尤其是涉及联合测定QST值的装置。

背景技术

作为我国的主体能源，煤炭的开发及煤矿的安全问题一直是研究的热点。然而，井下煤层赋存及开采条件复杂，且我国煤层瓦斯含量普遍较高，其中50％以上的煤层为高瓦斯煤层，高突矿井占全国矿井总数的44％。煤与瓦斯突出严重，危险系数高，煤矿瓦斯***、高温作业引起的灾害事故屡见不鲜，因此，煤矿单位必须开展突出预测并采取行之有效的治理措施。

目前，用于预测煤矿井下工作面煤与瓦斯突出危险或防突措施效果检验的方法较多，其中，最常用的是复合指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性。复合指标法的指标有瓦斯涌出初速度(Q值)和钻屑量(S值)。在实际测量过程中，通常是先钻孔收集钻屑测量S值，再退出钻杆，向钻孔中送入封孔器，待封孔后，才测量Q值。瓦斯涌出初速度是钻孔结束后2min时的瞬时值，对测量时间有极高的要求和限制,然而在实际操作中，从退出钻杆到送入封孔器实现封孔的工序繁琐耗时，且等测完Q值后，需退出封孔器再次送入钻杆继续钻进，并如此往复。这样的测量过程工作量巨大，若时间把握不当，甚至不能测到有效的Q值。在风钻过程中，钻杆与煤壁高速摩擦，温度急剧升高，同时在钻进过程中会向钻孔内不间断送入空气，钻孔内氧气充足，瓦斯含量大，当钻杆温度达到一定值时，极易引起煤炭燃烧或瓦斯***，故实时测量钻进过程中钻孔孔内温度(T值)，对预防矿井安全隐患有重要作用。而目前的方法是对Q值、S值、T值进行独自测量。为了更好地预测煤巷掘进工作面突出危险性，亟需一种能够联合测定QST值的装置。

发明内容

本发明为克服现有技术中钻具不能实现封孔且Q、S、T值需单独测量的缺点，提供一种联合测定QST值的装置，能够实现可封孔进行Q值的测量，并由单一装置实现Q、S、T三值的联合测定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：联合测定QST值的装置，包括螺旋钻杆***、带孔钻屑收集袋、重力传感器、空气泵及数据采集器，数据采集器包括瓦斯流量计及无线通信装置，所述螺旋钻杆***包括第一螺旋钻杆及若干节辅助螺旋钻杆，辅助螺旋钻杆连接于第一螺旋钻杆的尾部，第一螺旋钻杆内腔中部设有中空的缸体，其前端设有开口且后端封闭，缸体通过连接条单元进行固定，缸体中部的内壁边侧设有用于限制活塞缩回的最终位置的卡头，活塞的前部为圆锥体，活塞的后部为圆柱体，圆柱体的外径与缸体的内径相匹配，活塞前端为阻风套与第一螺旋钻杆围绕成的与活塞相匹配的活塞容腔，活塞容腔前端有测量空腔，测量空腔用于容纳螺旋钻杆***钻孔时所涌出的瓦斯，阻风套内毗邻第一螺旋钻杆外壁及测量空腔处设有能够进行无线通信的温度传感器，第一螺旋钻杆内壁设有与缸体相连通的送气管，第一螺旋钻杆内腔还设有测量管，测量管贯穿缸体及活塞的内部，辅助螺旋钻杆的内腔中设有分别与第一螺旋钻杆的送气管及测量管相连通的送气管和测量管，测量管的外侧间隔设有固定条单元，通过固定条单元将测量管固定于辅助螺旋钻杆的内腔中部；最后一节辅助螺旋钻杆的尾部设有封孔器；所述带孔钻屑收集袋设置于重力传感器上，用于收集螺旋钻杆***钻进过程中排出的全部钻屑；所述空气泵与送气管相连通，空气泵通过送气管向进行缸体充气或抽气；数据采集器与测量管尾部及重力传感器相连接。

具体的，所述连接条单元包括三个环绕缸体外壁分布且互成120°夹角的连接条。

具体的，所述固定条单元包括三个环绕测量管外壁分布且互成120°夹角的固定条。

进一步的，所述送气管为三条，分别设置于三个贴附于螺旋钻杆内壁的固定条的中部。

优选的，在每段长度为1m的辅助螺旋钻杆中设置3个固定条单元，分别位于距该段辅助螺旋钻杆端口0.2m、0.5m和0.8m处。

优选的，所述固定条与测量管接触部位的长度为20mm。

进一步的，所述无线通信装置为nRF905多信道单片收发芯片。

进一步的，第一螺旋钻杆及辅助螺旋钻杆的材质为低铬镍抗氧化钢。

进一步的，螺旋钻杆***的外径为42mm，所述封孔器从顶端到底端的外径逐渐增大，封孔器最大外径为45mm。

优选的，第一螺旋钻杆的长度为2m，所述测量空腔的长度为0.5m。

本发明的有益效果是：能够在封孔条件下测量Q值，并便捷、准确、一体化地实时记录Q值、S值和T值，当测量值出现异常，能够及时采取相应保护措施，有效提高煤矿钻孔安全性，保证工作人员的人身安全及矿井的安全。本发明适用于矿井安全开发，尤其适用于矿井防突预测。

附图说明

图1是本发明螺旋钻杆***的结构示意图；

图2是本发明的第一螺旋钻杆的剖视图；

图3是图2的横截面结构示意图；

图4是本发明螺旋钻杆***的活塞向前推送实现闭风时的结构示意图；

图5是本发明在使用时的结构示意图；

其中，1为螺旋钻杆***，2为缸体，3为活塞，4为阻风套，5为测量管，6为温度传感器，7为封孔器，8为带孔钻屑收集袋，9为重力传感器，10为空气泵，11为数据采集器，12为连接条，13为卡头，14为固定条，15为送气管。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

如图1至5所示，本发明的联合测定QST值的装置，包括螺旋钻杆***1、带孔钻屑收集袋8、重力传感器9、空气泵10及数据采集器11，数据采集器11包括瓦斯流量计及无线通信装置，

所述螺旋钻杆***包括第一螺旋钻杆及若干节辅助螺旋钻杆，辅助螺旋钻杆连接于第一螺旋钻杆的尾部，第一螺旋钻杆内腔中部设有中空的缸体2，其前端设有开口且后端封闭，以螺旋钻杆***来看，缸体与钻杆***顶端相匹配的端口即为缸体的前端，缸体2通过连接条单元进行固定，所述连接条单元包括三个环绕缸体外壁分布且互成120°夹角的连接条，即缸体与钻杆内腔由连接条12相连；缸体2中部的内壁边侧设有卡头13，卡头13用于限制活塞3缩回的最终位置，卡头13与活塞3底端相接触，活塞的前部为圆锥体，活塞的后部为圆柱体，圆柱体的外径与缸体2的内径相匹配，活塞3前端为阻风套4与第一螺旋钻杆围绕成的与活塞相匹配的活塞容腔，缸体2内充有气体，活塞3的后部装入缸体内，其前部位于缸体之外，活塞容腔前端有测量空腔，测量空腔用于容纳螺旋钻杆***钻孔时所涌出的瓦斯，以便其从测量管中导出，优选的，第一螺旋钻杆的长度为2m，所述测量空腔的长度为0.5m，此时瓦斯排放效果较佳。阻风套4内毗邻第一螺旋钻杆外壁及测量空腔处设有能够进行无线通信的温度传感器6，第一螺旋钻杆内壁设有与缸体2相连通的送气管15，第一螺旋钻杆1内腔还设有测量管5，测量管5贯穿缸体2及活塞3的内部；阻风套4能够有效实现闭风，即当钻杆停止钻进时且封孔器送至合适的位置实现封孔后，通过空气泵10向缸体2中充入气体，缸体内的气压将活塞3被推进与阻风套4紧密接触，此时活塞3伸出，其底端未与卡头13接触，阻风套4可阻隔钻杆前端通过钻孔与外界的空气流动，则第一螺旋钻杆前方可形成与外部隔绝的瓦斯测量室，通过与测量管相连的数据采集器11可测得瓦斯涌出初速度Q值，当测量完毕从缸体2抽气时，外部气压将活塞3推回缸体，此时活塞缩回，缩回到最终位置时卡头13与活塞3的底端相接触，以防止活塞3退回过多。

为了达到迅速对缸体进行充气和抽气，所述送气管有三条，如图3所示，三条送气管分别设置于三个贴附于螺旋钻杆内壁的固定条的中部，即三条送气管互成120°夹角分布。送气管在固定条中间，相当于中空的设计。

辅助螺旋钻杆的内腔中设有分别与第一螺旋钻杆的送气管及其测量管相连通的送气管和测量管，即辅助螺旋钻杆的内腔中设有送气管和测量管，其送气管与第一螺旋钻杆的送气管相连通，其测量管与第一螺旋钻杆的送气管相连通；测量管的外侧间隔设有固定条单元，通过固定条单元将测量管固定于辅助螺旋钻杆的内腔中部，所述固定条单元包括三个环绕测量管外壁分布且互成120°夹角的固定条，固定条起固定测量管的作用，其径向分布与连接条相同，在每段规格为1m的螺旋钻杆中布置3段固定条，分别位于0.2m、0.5m和0.8m处。所述固定条与测量管接触部位的长度为20mm，即图2中送气管下方至测量管之间的固定条的长度为20mm。当任意两节螺旋钻杆首尾相接时，测量管实现有效密闭对接。最后一节辅助螺旋钻杆的尾部设有封孔器7，其前部可接螺旋钻杆，后部可接钻机，在螺旋钻杆***不能继续钻进或钻进困难时，可由切割出来的煤屑紧固在钻孔内实现封孔作用；

在使用时，重力传感器9安装在钻孔孔口位置，带孔钻屑收集袋8悬挂在重力传感器上，收集袋上自带两个孔洞，上方孔洞用作钻杆通过，下方孔洞用作放出钻屑，完成一次测量后，可由下方孔洞放出全部钻屑，然后继续钻进，收集下一次的钻屑；

空气泵通过软管与钻杆中的送气管相连，可向缸体充气和抽气，以适时的向前推送和向后退回活塞，数据采集器11的瓦斯流量计通过软管与测量管尾部相连，通过封孔器实现封孔，在螺旋钻杆***1前段形成瓦斯测量室，通过测量管可顺利地测量瓦斯涌出初速度Q值；所述带孔钻屑收集袋设置于重力传感器9上，用于收集螺旋钻杆***钻进过程中排出的全部钻屑，而后通过重力传感器9测量钻屑量S值，并传递给数据采集器11；温度传感器6能够实时探测钻孔孔内温度T值，并通过其无线传输装置将钻头部位温度值发送出给数据采集器11，以便数据采集器11实时记录T值。

温度传感器6能够进行无线通信，即其中具有无线通信装置，例如可以采用nRF905多信道单片收发芯片，采用无线射频发射技术，实现信号的实时传送。

为了使得螺旋钻杆***的使用寿命及使用安全性，第一螺旋钻杆及辅助螺旋钻杆的材质为低铬镍抗氧化钢。

为了保证钻孔安全性与本发明使用时测量的准确性，所述螺旋钻杆***外径选择标准尺寸φ42mm，所述封孔器从顶端到底端的外径逐渐增大，封孔器最大外径为45mm，封孔器直径略大于螺旋钻杆***外径，以保证完全密封。

具体使用时的实施步骤如下：A.在打钻位置外安装重力传感器，在重力传感器上悬挂带孔钻屑收集袋，将螺旋钻杆***穿过带孔钻屑收集袋，并放置好空气泵10及数据采集器11，在掘进工作面前方煤体中施工直径φ42mm的钻孔；

B.在钻进将要达到预定瓦斯涌出初速度测量深度例如10m时，将直径45mm封孔器接上螺旋钻杆***钻进煤体中，待螺旋钻杆***不能继续钻进或钻进困难时，可由切割出来的煤屑紧固在钻孔内实现封孔作用；

C.将空气泵与送气管相连，向缸体充入气体，缸体内的气压至将活塞的前部推入活塞容腔内与腔壁紧密接触，如此钻杆前方在封孔器的封孔作用和阻风套的闭风作用下，形成与外部隔绝的瓦斯测量室；

D.将数据采集器与测量管相连，即可测量瓦斯涌出初速度Q值；在整个钻进过程中，通过温度传感器实时测量钻孔孔内温度T值，并无线传输给数据采集器；此外，钻屑经螺旋叶片疏导至钻孔外，全部落入带孔钻屑收集袋，重力传感器将测得的钻屑量S值传送到数据采集器，每钻进1m后停止钻动，待重力数据稳定时，测量一次钻屑量S值，值得注意的是，每测量一次钻屑量后，需将带孔钻屑收集袋下方孔洞打开，放出前次测量全部钻屑；并将所有数据记录到表1中；

E.测量结束后，反转钻机将封孔器和所有的螺旋钻杆退出钻孔。

表1 数据记录表

Claims (10)

1.联合测定QST值的装置，其特征在于，包括螺旋钻杆***(1)、带孔钻屑收集袋(8)、重力传感器(9)、空气泵(10)及数据采集器(11)，数据采集器(11)包括瓦斯流量计及无线通信装置，

所述螺旋钻杆***包括第一螺旋钻杆及若干节辅助螺旋钻杆，辅助螺旋钻杆连接于第一螺旋钻杆的尾部，第一螺旋钻杆内腔中部设有中空的缸体(2)，其前端设有开口且后端封闭，缸体(2)通过连接条单元进行固定，缸体(2)中部的内壁边侧设有卡头(13),所述卡头(13)用于限制活塞缩回的最终位置，活塞的前部为圆锥体，活塞的后部为圆柱体，圆柱体的外径与缸体(2)的内径相匹配，活塞(3)前端为阻风套(4)与第一螺旋钻杆围绕成的与活塞相匹配的活塞容腔，活塞容腔前端有测量空腔，测量空腔用于容纳螺旋钻杆***钻孔时所涌出的瓦斯，阻风套(4)内毗邻第一螺旋钻杆外壁及测量空腔处设有能够进行无线通信的温度传感器(6)，第一螺旋钻杆内壁设有与缸体(2)相连通的送气管(15)，第一螺旋钻杆(1)内腔还设有测量管(5)，测量管(5)贯穿缸体(2)及活塞(3)的内部；辅助螺旋钻杆的内腔中设有分别与第一螺旋钻杆的送气管及测量管相连通的送气管和测量管，测量管的外侧间隔设有固定条单元，通过固定条单元将测量管固定于辅助螺旋钻杆的内腔中部，最后一节辅助螺旋钻杆的尾部设有封孔器(7)；

所述带孔钻屑收集袋设置于重力传感器(9)上，用于收集螺旋钻杆***钻进过程中排出的全部钻屑，所述空气泵(10)与送气管(15)相连通，数据采集器(11)与测量管尾部及重力传感器相连接。

2.如权利要求1所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，所述连接条单元包括三个环绕缸体外壁分布且互成120°夹角的连接条。

3.如权利要求1所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，所述固定条单元包括三个环绕测量管外壁分布且互成120°夹角的固定条。

4.如权利要求3所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，所述送气管为三条，分别设置于三个贴附于螺旋钻杆内壁的固定条的中部。

5.如权利要求1或2或3或4所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，在每段长度为1m的辅助螺旋钻杆中设置3个固定条单元，分别位于距该段辅助螺旋钻杆端口0.2m、0.5m和0.8m处。

6.如权利要求5所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，所述固定条与测量管接触部位的长度为20mm。

7.如权利要求1所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，所述无线通信装置为nRF905多信道单片收发芯片。

8.如权利要求1所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，第一螺旋钻杆及辅助螺旋钻杆的材质为低铬镍抗氧化钢。

9.如权利要求8所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，螺旋钻杆***的外径为42mm，所述封孔器从顶端到底端的外径逐渐增大，封孔器最大外径为45mm。

10.如权利要求1所述的联合测定QST值的装置，其特征在于，第一螺旋钻杆的长度为2m，所述测量空腔的长度为0.5m。