CN111521537B - 一种块煤钻进过程的多维数据测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，包括用于吸附解吸块煤的吸附罐、具有与吸附罐相同尺寸的用于平衡压力的参考罐、容纳吸附罐及参考罐的高低温试验箱；吸附罐内置测温钻杆，并采用无接触的磁力联轴器配合的方式，由驱动电机带动转动，测温钻杆通过推进装置上下移动；参考罐及吸附罐均分别通过分气路、主气路与用于供气的气源***、用于抽气的抽真空***、气体收集装置连通。本发明能够成不同温度环境下，钻头钻进块煤过程中的各项维度数据的测定；包括钻头温度变化、随钻参数变化、块煤的瓦斯含量数据、钻头钻进过程瓦斯实时解析量、瓦斯吸附膨胀变形实时监测数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，属于矿业工程领域。
背景技术
渗透率是煤层气抽采设计的关键参数，其时空变化决定着煤层气的起始状态、迁移和产量。学者对渗透率的影响因素进行了广泛的研究，包括地应力、瓦斯含量、瓦斯压力、地温、煤体力学性质等，研究结果加深了人们对渗透率演化认识。渗透率演化背景下的渗透率预测方法是研究热点，基于理论及数值计算的渗透率预测方法几十年来日臻成熟。近年来，以大数据多维度分析为基础的机器学习开始应用于渗透率预测领域，学者聚焦于BP神经网络、粒子群、随机森林、人工蜂群等算法的改进以充分发挥其在预测中的非线性学习能力和快速求解能力。
发明人基于机器学习技术，拟提出一种多维度数据来源的块煤渗透率分析方法，需要获得在不同温度环境下，钻头钻进块煤过程中的各项维度数据，包括钻头温度变化、随钻参数变化、块煤的瓦斯含量数据、钻头钻进过程瓦斯实时解析量、瓦斯吸附膨胀变形实时监测数据等。目前，现有的瓦斯吸附解析实验装置功能单一，难以在钻头钻进块煤的过程中，对多维度数据进行实时监控测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，以获得不同温度环境下，钻头钻进块煤过程中的各项维度数据，包括钻头温度变化、随钻参数变化、块煤的瓦斯含量数据、钻头钻进过程瓦斯实时解析量、瓦斯吸附膨胀变形实时监测数据等。
为实现上述目的，本发明提供的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，包括：
用于吸附解吸块煤的吸附罐、具有与吸附罐相同尺寸的用于平衡压力的参考罐、容纳吸附罐及参考罐的高低温试验箱；
所述吸附罐内置块煤固定件、用于测量块煤形变的应变片，吸附罐内部的竖直旋转固定有可竖向移动的、内部中空的测温钻杆，该测温钻杆位于所述块煤固定件上方，测温钻杆的底部安装有可更换的切削钻头；吸附罐上方设有具有推力监测功能的推进装置，并通过中空的连接杆与吸附罐内部的测温钻杆通过平面轴承连接，连接杆与吸附罐顶部密封配合；磁力联轴器内永磁体通过平键配合套装在所述测温钻杆上，吸附罐外部设有与磁力联轴器内永磁体配合的可上下移动的磁力联轴器外永磁体，为该磁力联轴器外永磁体提供旋转动力的、且具有监测扭矩大小的动力装置与磁力联轴器外永磁体滚动连接；动力装置、磁力联轴器外永磁体与连接杆同步上下运动；所述切削钻头中空、内置温度传感器，并通过测温钻杆内部空间及连接杆的内部空间导出至吸附罐外部，连接杆中的内部空间的出口处密封处理；
所述参考罐及所述吸附罐均分别通过分气路与主气路连通，且临近参考罐及吸附罐的进出气孔位置的分气路上均设有电磁阀、压力传感器和数显表；主气路与用于供气的气源***、用于抽气的抽真空***、气体收集装置连通。
进一步地，所述测温钻杆的上部沿着周向凸起形成环形的凸体，所述磁力联轴器内永磁体呈环形、并通过所述平键配合套装在该凸体上；所述吸附罐内壁向内凸起形成中部具有通孔的固定部，该固定部位于所述凸体的下方，且其通孔处安装有内花键A，内花键A内配合安装有具有安装孔的外花键A，所述测温钻杆的下部穿过所述安装孔，并通过旋转轴承A固定在该安装孔中。
优选的，所述旋转轴承A有两个，上下布置。
优选的，所述磁力联轴器外永磁体固呈环形，且其内圈与旋转轴承B的外圈固定配合；旋转轴承B的内圈与内花键B外圈配合，与内花键B配合的外花键B套装在所述吸附罐的外壁，且内花键B的长度与所述测温钻杆的上下行程相适应。
优选的，所述参考罐包括上方设有开口的罐体A，与开口配合的用于封堵罐体的容器堵头A，容器堵头A中部具有向上的凸起部A，容器压冒A中部设有与凸起部A配合的通孔A，容器压冒A的边缘向下凸起、与罐体A的开口处外壁通过螺纹配合，罐体A与容器堵头A之间设置有用于密封的橡胶O型圈；所述吸附罐包括上方设有开口的罐体B，与开口配合的用于封堵罐体的容器堵头B，容器堵头B与罐体B之间设置有用于密封的橡胶O型圈，且容器堵头B中部具有向上的凸起部B，凸起部B中部设有供所述连接杆安装的通孔，容器压冒B中部设有与凸起部B配合的通孔B，容器压冒B的边缘向下凸起、与罐体B的开口处外壁通过螺纹配合；凸起部B与所述连接杆之间设有用于密封的高弹性蓄能密封圈。
优选的，所述推进装置包括：伺服控制***的伸缩式液压缸、与伸缩式液压缸配合的液压伸缩杆、固定伸缩式液压缸的固定架，液压伸缩杆与所述连接杆之间安装有压力传感器。
进一步的，所述动力装置包括旋转驱动电机，旋转驱动电机通过同步带带动所述磁力联轴器外永磁体旋转，且旋转驱动电机连接有扭矩传感器；驱动电机及所述内花键B通过固定杆与所述连接杆固定连接。
进一步的，所述气源***包括内含浓度99.999％、压力为20MPa的高纯甲烷的气瓶，气瓶上设有减压阀，且该减压阀通过气路A连接至所述主气路，气路A串联有压力传感器、机械式压力表、手动阀。
进一步的，所述抽真空***包括真空管系、与真空管系连通的真空规管、与真空规管连通的复合真空管，及与真空管系连通的真空泵，所述真空管系通过气路B与所述主气路连通。
进一步的，所述气体收集装置包括用于测量气体流量的流量计和利用排水法集气的量筒。
利用上述块煤钻进过程的多维数据测量装置，可完成不同温度环境下，钻头钻进块煤过程中的各项维度数据的测定；包括钻头温度变化、随钻参数变化、块煤的瓦斯含量数据、钻头钻进过程瓦斯实时解析量、瓦斯吸附膨胀变形实时监测数据等。
而与上述块煤钻进过程的多维数据测量装置可配套有：用于各因素X条件下块煤渗透率及相关变形测量的电液伺服三轴渗流试验装置；气源***同时向电液伺服三轴渗流试验装置、块煤钻进过程的多维数据测量装置供气；抽真空***同时与电液伺服三轴渗流试验装置、块煤钻进过程的多维数据测量装置联通，以对两者进行抽真空；气体收集装置也可同时连接两装置，以收集气体；液压泵站与两装置连接，以供应液压油；数据采集控制***采集两装置产生的数据。
本发明提出的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，能够针对多维度数据来源的块煤渗透率分析方法中，不能直接在现场测量的数据，进行数据测量。具体包括①本装置对变形进行测量并用于分析渗透率的变化规律，包括体积变形、吸附膨胀变形、温升变形、瓦斯压力变形，②本装置可以建立随钻参数与力学性质的联系，并作为渗透率预测样本，③本装置可以研究块煤的吸附解吸，④本装置可以研究研究地温环境与样品中部线高温耦合下含瓦斯煤的解吸规律，用于定量分析原煤在一定瓦斯压力平衡后进行钻孔，钻削参数与瓦斯损失量的关系。与此同时，设计出的测温钻杆及测温钻头，能够满足密封条件下，实时监测钻头钻削过程中的温度变化；利用磁力传动的非接触传动原理和高弹密封圈保证了解吸罐的气密性要求；通过推进装置与测温钻杆分离设计，使高速旋转运动和直线往复运动分开，解决了解吸和钻孔结合后的气密性难题，并实时监测这个过程中推力、转速、扭矩、气体解吸量、钻削温度等数据。
附图说明
图1是本发明一种块煤钻进过程的多维数据测量装置的结构示意图；
图2是本发明中的吸附罐结构示意图；
图3是图2中区域D的放大示意图；
图4是本发明中测温钻杆的立体结构示意图；
图5是本发明一种块煤钻进过程的多维数据测量装置的一个应用实施例示意图；
图中：
1.气源***1，11.气瓶，12.减压阀，13.气路A；
2.抽真空***，21.真空管系，22.真空规管，23.复合真空管，24.真空泵，25.气路B；
3.块煤钻进过程的多维数据测量装置，31.吸附罐，311.罐体B，3111.固定部，312.容器堵头B，313.容器压冒B，314.测温钻杆，3141.切削钻头，3142.凸体，3143.磁力联轴器内永磁体，3144.内花键A，3145.外花键A，3146.旋转轴承A，315.推进装置，3151.伸缩式液压缸，3152.液压伸缩杆，3153.压力传感器，3154.连接杆，316.块煤，3161.块煤固定件，3162.应变片，317.固定杆，3181.磁力联轴器外永磁体，3182.旋转轴承B，3183.内花键B，3184.外花键B，3185.旋转驱动电机，3186.扭矩传感器，3187.同步带，319.平面轴承；32.参考罐，321.罐体A，322.容器堵头A，323.容器压冒A，33.高低温试验箱；
4.气体收集装置，41.量筒；
5.电液伺服三轴渗流试验装置，51.主机，511.加载框架，512.三轴压缩室，513.丝杠，52.恒温油浴***，521.恒温箱，522.气体缓冲罐，523.温控器，524.循环泵，525.电加热器；
6.液压泵站；
7.数据采集控制***；
8.主气路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
发明人提出一种多维度数据来源的块煤渗透率分析方法，利用公式(1)，并通过机器学习的方法，分析出块煤煤渗透。公式(1)为：
K＝f(X11,X12,X15,X21,X22,X23,X24,X31,X32,X41,X51,X52,X53)
其中：K为渗透率，X11,X12,X21,X22,X23,X24,X31,X32,X41,X51,X52,X53为训练值，分别为：X11为含水率X11、X12为温度或地温，X15为瓦斯压力，X21为地应力变形、X22为瓦斯压力变形、X23为热应力变形、X24为吸附膨胀力变形，X31为加载路径、X32为加载速率，X41为随钻参数，X51为煤的损失瓦斯量、X52为现场解吸瓦斯量、X53为残存瓦斯量。
上述方法中，需要获得在不同温度环境下，钻头钻进块煤过程中的各项维度数据，包括钻头温度变化、随钻参数变化、块煤的瓦斯含量数据、钻头钻进过程瓦斯实时解析量、瓦斯吸附膨胀变形实时监测数据等。
本发明公开了一种块煤钻进过程的多维数据测量装置3，以图1为例，进行说明，本发明具体包括：
用于吸附解吸块煤316的吸附罐31、具有与吸附罐31相同尺寸的用于平衡压力的参考罐32；容纳吸附罐31及参考罐32的高低温试验箱33。进行试验时，参考罐32内先充入设定压力的气体，后连通参考罐32和吸附罐31，直到压力平衡。高低温试验箱33能够提供不同的试验环境所需温度范围：-40℃-180℃，可以使试验在不同温度下进行。
吸附罐31内置块煤固定件3161、用于测量块煤316形变的应变片3162，块煤固定件3161用于固定试验的块煤316，应变片3162贴在块煤316上，用于测量块煤316试验过程中的形变。
吸附罐31内部的竖直旋转固定有可竖向移动的、内部中空的测温钻杆314，该测温钻杆314位于块煤固定件3161上方，测温钻杆314的底部安装有可更换的切削钻头3141；吸附罐31上方设有具有推力监测功能的推进装置315，并通过中空的连接杆3154与吸附罐31内部的测温钻杆314通过平面轴承319连接，连接杆3154与吸附罐31顶部密封配合；推进装置315可以向下推进测温钻杆314，使切削钻头3141进入块煤316中。
为了确保吸附罐31的密封性，采用无接触的磁力联轴器配合的方式，带动测温钻杆314旋转。如图3所示，具体有如下结构：磁力联轴器内永磁体3143通过平键配合套装在测温钻杆314上，吸附罐31外部设有与磁力联轴器内永磁体3143配合的可上下移动的磁力联轴器外永磁体3181，为该磁力联轴器外永磁体3181提供旋转动力的、且具有监测扭矩大小的动力装置与磁力联轴器外永磁体3181滚动连接；动力装置带动磁力联轴器外永磁体3181旋转，磁力联轴器外永磁体3181通过相互间的磁力带动磁力联轴器内永磁体3143同步旋转，由此，可以带动测温钻杆314的旋转。动力装置、磁力联轴器外永磁体3181与连接杆3154可以通过连接机构，同步上下运动。
如图1至图4所示，作为测温钻杆314进一步地方案，测温钻杆314的上部沿着周向凸起形成环形的凸体3142，磁力联轴器内永磁体3143呈环形、并通过平键配合套装在该凸体3142上；由此，可以确保磁力联轴器内永磁体3143尽量贴近吸附罐31的内壁，以确保磁力联轴器内永磁体3143及磁力联轴器内外磁体能够良好的配合。
为了确保测温钻杆314高速旋转过程中，具有良好的稳定性，吸附罐31内壁向内凸起形成中部具有通孔的固定部3111，该固定部3111位于凸体3142的下方，且其通孔处安装有内花键A3144，内花键A3144内配合安装有具有安装孔的外花键A3145，测温钻杆314的下部穿过安装孔，并通过旋转轴承A3146固定在该安装孔中。通过内花键A3144和外花键A3145相互配合的方式，能够使测温钻杆314旋转过程中，可以稳定地、在推进机构作用下向下移动，以切削块煤316。优选的，旋转轴承A3146有两个，上下布置，使测温钻杆314更加稳定。
切削钻头3141同样中空，其内部空间内置温度传感器，并通过测温钻杆314的内部空间及连接杆3154的内部空间导出至吸附罐31外部，连接杆3154中的内部空间的出口处可采用封堵的方式进行密封处理。从而保证了吸附罐31的密封性。
如图5所示，参考罐及吸附罐均分别通过分气路与主气路8连通，且临近参考罐32及吸附罐31的进出气孔位置的分气路上均设有电磁阀、压力传感器和数显表；主气路8与用于供气的气源***1、用于抽气的抽真空***2、气体收集装置4连通。
优选的，磁力联轴器外永磁体3181固呈环形，且其内圈与旋转轴承B3182的外圈固定配合；旋转轴承B3182的内圈与内花键B3183外圈配合，与内花键B3183配合的外花键B3184套装在吸附罐31的外壁，且内花键B3183的长度与测温钻杆314的上下行程相适应。通过该结构设计，磁力联轴器外永磁体3181在高速旋转的同时，稳定地随磁力联轴器内永磁体3143上下移动，确保了切削块煤316过程中的稳定可靠。
为了确保参考罐及吸附罐31的具有良好密封性的同时，能够易于拆卸，以安置块煤316，优选的，参考罐32包括上方设有开口的罐体A321，与开口配合的用于封堵罐体的容器堵头A322，容器堵头A322中部具有向上的凸起部A，容器压冒A323中部设有与凸起部A配合的通孔A，容器压冒A323的边缘向下凸起、与罐体A321的开口处外壁通过螺纹配合，罐体A321与容器堵头A322之间设置有用于密封的橡胶O型圈；吸附罐31包括上方设有开口的罐体B311，与开口配合的用于封堵罐体的容器堵头B312，容器堵头B312与罐体B311之间设置有用于密封的橡胶O型圈，且容器堵头B312中部具有向上的凸起部B，凸起部B中部设有供连接杆3154安装的通孔，容器压冒B313中部设有与凸起部B配合的通孔B，容器压冒B313的边缘向下凸起、与罐体B311的开口处外壁通过螺纹配合；凸起部B与连接杆3154之间设有用于密封的高弹性蓄能密封圈，能够保证连接杆3154上下运动的同时，具有较高的密封性能。需要说明的时，橡胶O型圈最好选用耐温260℃以上的，从而保证温度较高的环境下，仍均有良好密封性能。
优选的，如图2及图3所示，推进装置315包括：伺服控制***的伸缩式液压缸3151、与伸缩式液压缸3151配合的液压伸缩杆3152、固定伸缩式液压缸3151的固定架，液压伸缩杆3152与连接杆3154之间安装有压力传感器3153。伺服控制***可以控制伸缩式液压缸3151以恒定推力推进液压伸缩杆3152，压力传感器3153可以实时监测推进装置315产生的推力。
进一步的，动力装置包括旋转驱动电机3185，旋转驱动电机3185通过同步带3187带动磁力联轴器外永磁体3181旋转，且旋转驱动电机3185连接有扭矩传感器3186。旋转驱动电机3185可以安装在电机支撑板上；旋转驱动电机3185及所述内花键B3183通过固定杆317与所述连接杆3154固定连接，以保证连接杆3154、旋转驱动电机3185、同步带3187、磁力联轴器外永磁体3181、磁力联轴器内永磁体3143始终在同一水平面上，传动过程中不失步。旋转驱动电机3185能够控制转速，其扭矩传感器3186可以实时监测其产生的扭矩。
如图1所示，进一步的，气源***5包括内含浓度99.999％、压力为20MPa的高纯甲烷的气瓶11，气瓶11上设有减压阀12，且该减压阀12通过气路A13连接至主气路，气路A13串联有压力传感器、机械式压力表、手动阀。
作为进一步的方案，如图5所示，抽真空***2包括真空管系21、与真空管系21连通的真空规管22、与真空规管22连通的复合真空管23，及与真空管系21连通的真空泵24，真空管系21通过气路B25与主气路连通。
作为进一步的方案，如图5所示，气体收集装置4包括用于测量气体流量的流量计和利用排水法集气的量筒41。
利用上述块煤钻进过程的多维数据测量装置3，可完成不同温度环境下，钻头钻进块煤过程中的各项维度数据的测定；包括钻头温度变化、随钻参数变化、块煤的瓦斯含量数据、钻头钻进过程瓦斯实时解析量、瓦斯吸附膨胀变形实时监测数据等。
而作为配套的，如图5所示，可以加入用于各因素X条件下块煤渗透率及相关变形测量的电液伺服三轴渗流试验装置5以完成其他试验。气源***1同时向电液伺服三轴渗流试验装置5、块煤钻进过程的多维数据测量3装置供气；抽真空***2同时与电液伺服三轴渗流试验装置5、块煤钻进过程的多维数据测量装置3联通，以对两者进行抽真空；气体收集装置4也可同时连接两装置，以收集气体；液压泵站6与两装置连接，以供应液压油；数据采集控制***采集两装置产生的数据。
液压泵站6采用双路5min/L伺服油源，包括高压油泵组、阀组、管路、油箱、冷却器、电控单元。如图1所示，电液伺服三轴渗流试验装置5为WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置，除与瓦斯块煤钻进过程的多维数据测量装置3共用气源、抽真空***2、气体收集***、液压本站、数据采集和控制***外，还包括用于进行三轴渗流试验的主机51，用于控制气路的气路控制***，用于控制主机51中液压的液压***，用于控制主机51、气路控制***、液压***的计算机控制***；WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置为本技术领域中，用于对煤样进行三轴渗流试验的常用装置，主要包括加载框架511、三轴压缩室512等，加载框架511的上下位移通过丝杠513实现，摆线针轮减速机带动同步带3187和同步带3187轮。
主机51通过电磁阀A与主气路连通，该电磁阀A的输入侧的主气路连通有恒温油浴***52，该该恒温油浴内设置用于缓冲主气路中的气体的气体缓冲罐522，该气体缓冲罐522置于内部充满恒温油液的恒温箱521中，且该恒温箱521内设有循环泵524、电加热器525、控制电加热器525的温控器523、测量恒温油液温度的温度传感器A；主机51中的三轴室内布置有温度传感器B，该温度传感器B与温控器523电连接。
气体缓冲罐522能够对主机51中的实验装置起到补压的作用。温控器523能够监测到三轴室的温度，并控制电加热器525加热恒温油液，并保持稍高一点的温度，以保证通过气体缓冲罐522中的气体通过恒温油液加热后，再到达三轴室后，能达到三轴室所需的温度。在加热油液时，可以通过循环泵524来使恒温箱521内油液循环搅动，温度更加均匀。
作为本发明一种块煤钻进过程的多维数据测量装置应用的一个实施例，可以利用该装置进行如下实验，以获得进行多维度数据来源的块煤渗透率的测量，具体包括如下步骤：
(1)建立基于多维数据来源的渗透率预测的数据样本形式：
K＝f(X11,X12,X15,X21,X22,X23,X24,X31,X32,X41,X51,X52,X53)
其中：K为渗透率，X11,X12,X21,X22,X23,X24,X31,X32,X41,X51,X52,X53为训练值，分别为：X11为含水率X11、X12为温度或地温，X15为瓦斯压力，X21为地应力变形、X22为瓦斯压力变形、X23为热应力变形、X24为吸附膨胀力变形，X31为加载路径、X32为加载速率，X41为随钻参数，X51为煤的损失瓦斯量、X52为现场解吸瓦斯量、X53为残存瓦斯量；
(2)现场通过取样测量含水率X11、地温X12、瓦斯压力X15、现场解吸瓦斯量X52、现场取芯时的钻头转速和推力，并取样加工成50mm*50mm*100mm的块煤、Φ50mm*100mm的圆柱煤样；具体包括：
(3)利用上述块煤钻进过程的多维数据测量装置3测量不同温度和压力下的块煤吸附膨胀力变形X24、损失瓦斯量X51、残存瓦斯量X53、随钻参数X41；
(4)利用电液伺服三轴渗流试验装置5测量对圆柱煤样的地应力变形X21、瓦斯压力变形X22、热应力变形X23、煤样的力学强度、加载路径X31、加载速率X32以及上述X因素条件下的稳态气体流量Q；
(5)在同一井田中，在不同位置取样，并重复步骤(2)至(4)，得到多组不同条件下的渗透率样本；采集足够的样本，通过改进的机器学习相关算法对部分数据进行训练，并将其余数据验证算法的合理性，找到最优的算法并确定K＝f(X)的函数关系。
其中，上述步骤(2)中，包括：
(2-1)采用烘干法测定取样的煤层的含水率X11；采用高地温矿井地温测试***连续监测记录测温钻孔内的地温数据X12；按照国家标准AQ/T 1047-2007的规定测量煤层瓦斯压力X15；
(2-2)保证井下钻机以恒定转速w1、恒定推力F1钻孔取芯，根据已有的钻孔渗流模型确定钻孔影响半径为L1，确定几何相似比为C1＝r1/L1；其中r1为钻杆半径；
(2-3)现场钻孔取出的煤样A装入煤样罐中密封，现场测试2h自然解吸瓦斯量X52并换算成标准体积；
(2-4)剩余煤样保鲜膜包裹后带回实验室加工成块煤及圆柱煤样。
其中，步骤(3)中，包括：
(3-1)用脱气法测残存瓦斯含量X53；
(3-2)模拟取芯钻孔过程中损失瓦斯含量X51：
a.确定测温钻杆314的切削钻头3141直径；煤样的当量半径为L2，则钻头削切部分的半径应为r2＝C1*L2；其中由于煤样是采用块煤，将其尺寸等效换算成的半径为当量半径L2；
b.根据几何相似常数C1确定运动相似常数C2，然后根据现场转速w1确定与磁力联轴器相连的旋转电机的转速w2；根据几何相似常数C1和运动相似常数C2确定动力相似常数C3，然后根据现场推力F1确定伺服控制***的伸缩式液压缸3151的推力F2；
c.利用氦气对参考罐32和吸附解吸罐的死空间体积进行标定，并对切削钻头3141不同钻进距离下的死空间体积进行标定；
d.将煤样安装进吸附罐31内的块煤固定件3161上，完成测温钻杆314及切削钻头3141的安装；设置高低温试验箱33的温度与地温X12一致；
e.通过抽真空***2对瓦斯块煤钻进过程的多维数据测量装置3抽真空脱气；
f.测定损失瓦斯含量X51：
测定瓦斯压力为X15条件下的块煤瓦斯吸附量n0；吸附平衡后，切削钻头3141以恒定转速w2、恒定推力F2进行钻进，实时测定切削钻头3141尖端温度T、切削钻头3141扭矩M(X41)，并测定钻进后块煤瓦斯解吸量n1；
对没有钻进步骤的相同条件下煤样进行吸附解吸试验，块煤瓦斯解吸量n2，因为钻进过程产生的摩擦高温促进瓦斯解吸，差值n1-n2就为实验中损失瓦斯含量；
则实际煤层损失瓦斯含量X51＝(n1-n2)*相似比；
(3-3)在煤样上贴应变片3162，测量不同温度和气体压力下块煤的吸附膨胀力变形X24。
其中，步骤(4)中，包括：
(4-1)对煤样做单轴或三轴的破坏试验，峰值强度为σmax，建立力学性质与随钻参数的联系来表征孔隙裂隙发育X13，即X4＝σmax＝g(w2,F2,M)＝g(X41),对不同煤的系列试验确定函数g(X41)；
(4-2)只加载力不加气不加温，测煤样的地应力变形X21；只加温不加载力不加气，测煤样的热应力变形X23；
(4-3)安装煤样至三轴压缩室512，设置温度X12和瓦斯压力X15与现场一致，以某一加载路径X31和加载速率X32加载至预定围压、轴压，充分吸附解吸12h达到平衡状态，此时的体积应变为e,则瓦斯压力变形为X22＝e-X24-X21-X23(这里的符号不表示变形方向)，通过流量计或排水集气量筒41测量稳态气体流量为Q，假设气体渗流符合达西定律，则渗透率按下面公式计算：
式中，K为煤样渗透率，10-3μm2；Q为三轴压缩室512出口气体流量，cm3/s；Pa为大气压，0.1Mpa；μ为气体的动力粘度系数，Pa·s；L为煤样变形后的长度，cm；A为煤样变形后的面积，cm2；P1为进口瓦斯压力，Pa；P2为出口瓦斯压力，取101325Pa。
本发明提出的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，能够针对所提出的多维度数据来源的块煤渗透率分析方法中，不能直接在现场测量的数据，进行数据测量。具体包括①本装置对变形进行测量并用于分析渗透率的变化规律，包括体积变形、吸附膨胀变形、温升变形、瓦斯压力变形，②本装置可以建立随钻参数与力学性质的联系，并作为渗透率预测样本，③本装置可以研究块煤的吸附解吸，④本装置可以研究研究地温环境与样品中部线高温耦合下含瓦斯煤的解吸规律，用于定量分析原煤在一定瓦斯压力平衡后进行钻孔，钻削参数与瓦斯损失量的关系。与此同时，设计出的测温钻杆314及切削钻头3141，能够满足密封条件下，实时监测钻头钻削过程中的温度变化；利用磁力传动的非接触传动原理和高弹密封圈保证了解吸罐的气密性要求；通过推进装置315与测温钻杆314分离设计，使高速旋转运动和直线往复运动分开，解决了解吸和钻孔结合后的气密性难题，并实时监测这个过程中推力、转速、扭矩、气体解吸量、钻削温度等数据。
Claims (8)
1.一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，包括：
用于吸附解吸块煤的吸附罐、具有与吸附罐相同尺寸的用于平衡压力的参考罐、容纳吸附罐及参考罐的高低温试验箱；
所述吸附罐内置块煤固定件、用于测量块煤形变的应变片，吸附罐内部的竖直旋转固定有可竖向移动的、内部中空的测温钻杆，该测温钻杆位于所述块煤固定件上方，测温钻杆的底部安装有可更换的切削钻头；吸附罐上方设有具有推力监测功能的推进装置，并通过中空的连接杆与吸附罐内部的测温钻杆通过平面轴承连接，连接杆与吸附罐顶部密封配合；磁力联轴器内永磁体通过平键配合套装在所述测温钻杆上，吸附罐外部设有与磁力联轴器内永磁体配合的可上下移动的磁力联轴器外永磁体，为该磁力联轴器外永磁体提供旋转动力的、且具有监测扭矩大小的动力装置与磁力联轴器外永磁体滚动连接；动力装置、磁力联轴器外永磁体与连接杆同步上下运动；所述切削钻头中空、内置温度传感器，并通过测温钻杆内部空间及连接杆的内部空间导出至吸附罐外部，连接杆中的内部空间的出口处密封处理；
所述参考罐及所述吸附罐均分别通过分气路与主气路连通，且临近参考罐及吸附罐的进出气孔位置的分气路上均设有电磁阀、压力传感器和数显表；主气路与用于供气的气源***、用于抽气的抽真空***、气体收集装置连通；
所述测温钻杆的上部沿着周向凸起形成环形的凸体，所述磁力联轴器内永磁体呈环形、并通过所述平键配合套装在该凸体上；所述吸附罐内壁向内凸起形成中部具有通孔的固定部，该固定部位于所述凸体的下方，且其通孔处安装有内花键A，内花键A内配合安装有具有安装孔的外花键A，所述测温钻杆的下部穿过所述安装孔，并通过旋转轴承A固定在该安装孔中；
所述磁力联轴器外永磁体固呈环形，且其内圈与旋转轴承B的外圈固定配合；旋转轴承B的内圈与内花键B外圈配合，与内花键B配合的外花键B套装在所述吸附罐的外壁，且内花键B的长度与所述测温钻杆的上下行程相适应。
2.根据权利要求1所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述旋转轴承A有两个，上下布置。
3.根据权利要求1至2任意一项所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述参考罐包括上方设有开口的罐体A，与开口配合的用于封堵罐体的容器堵头A，容器堵头A中部具有向上的凸起部A，容器压冒A中部设有与凸起部A配合的通孔A，容器压冒A的边缘向下凸起、与罐体A的开口处外壁通过螺纹配合，罐体A与容器堵头A之间设置有用于密封的橡胶O型圈；所述吸附罐包括上方设有开口的罐体B，与开口配合的用于封堵罐体的容器堵头B，容器堵头B与罐体B之间设置有用于密封的橡胶O型圈，且容器堵头B中部具有向上的凸起部B，凸起部B中部设有供所述连接杆安装的通孔，容器压冒B中部设有与凸起部B配合的通孔B，容器压冒B的边缘向下凸起、与罐体B的开口处外壁通过螺纹配合；凸起部B与所述连接杆之间设有用于密封的高弹性蓄能密封圈。
4.根据权利要求3所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述推进装置包括：伺服控制***的伸缩式液压缸、与伸缩式液压缸配合的液压伸缩杆、固定伸缩式液压缸的固定架，液压伸缩杆与所述连接杆之间安装有压力传感器。
5.根据权利要求3所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述动力装置包括旋转驱动电机，旋转驱动电机通过同步带带动所述磁力联轴器外永磁体旋转，且旋转驱动电机连接有扭矩传感器；驱动电机及所述内花键B通过固定杆与所述连接杆固定连接。
6.根据权利要求3所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述气源***包括内含浓度99.999%、压力为20MPa的高纯甲烷的气瓶，气瓶上设有减压阀，且该减压阀通过气路A连接至所述主气路，气路A串联有压力传感器、机械式压力表、手动阀。
7.根据权利要求3所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述抽真空***包括真空管系、与真空管系连通的真空规管、与真空规管连通的复合真空管，及与真空管系连通的真空泵，所述真空管系通过气路B与所述主气路连通。
8.根据权利要求7所述的一种块煤钻进过程的多维数据测量装置，其特征在于，所述气体收集装置包括用于测量气体流量的流量计和利用排水法集气的量筒。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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