水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置的制作方法

本实用新型属于煤矿瓦斯灾害防治领域，涉及一种水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置，防止水力冲孔时瓦斯喷出导致的局部瓦斯聚集。

背景技术：

水力冲孔技术是应用最广泛的卸压增透、强化防突技术措施之一，在松软低透气性煤层取得了较好的瓦斯灾害防治效果。在水力冲孔的过程中，由于突出煤层通常具有自喷的性质，当高压水冲击煤体时，将诱导小型可控制的煤与瓦斯突出。当出现强烈的喷孔时，大量的瓦斯直接涌进巷道，有时甚至造成冲孔钻场附近瓦斯浓度超限，对煤矿安全生产造成威胁，故急需解决一旦出现强烈喷孔时造成瓦斯超限的问题。采用水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置能有效捕集水力冲孔时喷出的瓦斯气体。

技术实现要素：

本实用新型为了解决水力冲孔过程中瓦斯喷出造成的巷道内局部瓦斯超限，提出一种水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置，采用该装置，能够及时有效的捕集水力冲孔时喷出的瓦斯，防止巷道内局部瓦斯聚集，避免安全隐患。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置，包括位于巷道内的瓦斯传感器、信号处理控制装置、瓦斯捕集罩和连接用的抽采软管，瓦斯捕集罩固定在巷道的侧壁或顶部，瓦斯传感器设置在钻孔的孔口处，瓦斯捕集罩的捕集口邻近并朝向钻孔的孔口，矿井抽采管路上固定连通有连接支管，瓦斯捕集罩与连接支管通过抽采软管连接，连接支管上设置有电磁阀，电磁阀与信号处理控制装置连接，瓦斯传感器内置有红外发射器，信号处理控制装置内置有红外接收器；所述瓦斯捕集罩的材质采用铝合金，抽采软管的直径大于或等于140mm。

瓦斯传感器外设置有保护罩，保护罩朝向钻孔孔口的一侧开设有透气网孔，保护罩的两侧固定设置有第三安装板，第三安装板通过膨胀螺栓固定安装到巷道的内壁上。

所述的瓦斯捕集罩外形呈长方体形状，长方体形状的瓦斯捕集罩简称方体捕集罩，方体捕集罩为六块铝合金板围成的空心立方体结构，捕集口开设在方体捕集罩的一侧，方体捕集罩与捕集口所在一侧相对的另一侧与抽采软管的抽气口连接，方体捕集罩在捕集口的外侧连接有喇叭口形状的聚气罩，方体捕集罩的侧部固定设置有第一安装板，第一安装板通过膨胀螺栓固定安装到巷道的内壁上。

所述的瓦斯捕集罩外形呈圆筒形状，圆筒形状的瓦斯捕集罩简称筒状捕集罩，筒状捕集罩为一块铝合金板首尾相接围成的环状结构，筒状捕集罩的直径大于钻孔的直径，筒状捕集罩的两端敞口，筒状捕集罩的一端口为捕集口，钻孔的孔口位于捕集口内，筒状捕集罩的一端沿周向固定设置有若干第二安装板，各第二安装板通过膨胀螺栓固定安装到巷道的内壁上，抽采软管的抽气口连接在筒状捕集罩的侧面。

打钻角度记为α，打钻角度即为钻孔中心线与巷道底板之间的夹角，α小于50°时，使用方体捕集罩，方体捕集罩的第一安装板固定安装在邻近钻孔的孔口上方0.2m处的巷道内壁上，方体捕集罩上的聚气罩朝向钻孔的孔口。

α大于或等于50°时，使用筒状捕集罩，筒状捕集罩上的各第二安装板固定安装在钻孔的孔口周圈的巷道内壁上，瓦斯传感器位于筒状捕集罩的内部。

采用上述技术方案，本实用新型具有以下优点：

1、方体捕集罩的第一安装板固定安装在邻近钻孔的孔口上方0.2m处的巷道内壁上，留有一定的空间，使得钻孔孔口外正常状态涌出的瓦斯，在方体捕集罩内局部浓度未达到2.0% CH4时，依靠巷道内的自然通风将孔口涌出的瓦斯排走；2、布置在孔口的瓦斯传感器能够实时监测瓦斯浓度变化，电磁阀仅在瓦斯浓度达到预设报警值时开启，并未全时段开启，不发生喷孔时可有效避免矿井抽采管路抽采巷道内空气，以防降低矿井抽采管路中瓦斯浓度；3、通过抽采软管把瓦斯捕集罩与矿井抽采管路连接起来，不需要每个钻孔施工前先延长抽采管路，而是可以施工若干钻孔后定期延长，减少钻孔施工前准备工作，有利于打钻过程的进行；4、采用方体捕集罩时安装在巷道顶部，在打钻冲孔过程中，有效捕集瓦斯的同时，能够防止喷出的煤水混合物进入瓦斯捕集罩内，以防堵塞管路；5、瓦斯捕集罩设计有两种（长方体形状的瓦斯捕集罩和圆筒形状的瓦斯捕集罩），可根据实际打钻角度的不同进行更换，便于更好的捕集瓦斯；6、瓦斯传感器外设置的保护罩，可避免在打钻冲孔过程中钻机的钻杆碰伤瓦斯传感器。

本实用新型的主要目的是及时有效捕集水力冲孔时喷出瓦斯，防止局部瓦斯聚集，造成安全隐患。此技术效果明显，安全可靠，能有效防止冲孔过程中巷道局部瓦斯聚集，减少对矿井瓦斯抽采浓度的影响。

附图说明

图1是在打钻角度小于50°时本实用新型的结构示意图；

图2是在打钻角度大于或等于50°时本实用新型的结构示意图；

图3是图1中长方体形状的瓦斯捕集罩的结构示意图；

图4是图2中圆筒形状的瓦斯捕集罩的结构示意图；

图5是本实用新型中瓦斯传感器的保护罩结构示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型的水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置，包括位于巷道8内的瓦斯传感器2、信号处理控制装置6、瓦斯捕集罩和连接用的抽采软管4，瓦斯捕集罩固定在巷道8的侧壁或顶部，瓦斯传感器2设置在钻孔1的孔口11处，瓦斯捕集罩的捕集口邻近并朝向钻孔1的孔口11，矿井抽采管路7上固定连通有连接支管3，瓦斯捕集罩与连接支管3通过抽采软管4连接，连接支管3上设置有电磁阀5，电磁阀5与信号处理控制装置6连接，瓦斯传感器2内置有红外发射器，信号处理控制装置6内置有红外接收器；红外发射器和红外接收器为现有常规装置，图中并未示出，所述瓦斯捕集罩的材质采用铝合金，抽采软管4的直径大于或等于140mm。

瓦斯传感器2外设置有保护罩17，保护罩17朝向钻孔1孔口11的一侧开设有透气网孔18，保护罩17的两侧固定设置有第三安装板19，第三安装板19通过膨胀螺栓固定安装到巷道8的内壁上。

如图3所示，所述的瓦斯捕集罩外形呈长方体形状，长方体形状的瓦斯捕集罩简称方体捕集罩9，方体捕集罩9为六块铝合金板围成的空心立方体结构，捕集口12开设在方体捕集罩9的一侧，方体捕集罩9与捕集口12所在一侧相对的另一侧与抽采软管4的抽气口连接，方体捕集罩9在捕集口12的外侧连接有喇叭口形状的聚气罩13，方体捕集罩9的侧部固定设置有第一安装板14，第一安装板14通过膨胀螺栓固定安装到巷道8的内壁上；

如图4所示，所述的瓦斯捕集罩外形呈圆筒形状，圆筒形状的瓦斯捕集罩简称筒状捕集罩10，筒状捕集罩10为一块铝合金板首尾相接围成的环状结构，筒状捕集罩10的直径大于钻孔1的直径，筒状捕集罩10的两端敞口，筒状捕集罩10的一端口为捕集口12，钻孔1的孔口11位于捕集口12内，筒状捕集罩10的一端沿周向固定设置有若干第二安装板15，各第二安装板15通过膨胀螺栓固定安装到巷道8的内壁上，抽采软管4的抽气口连接在筒状捕集罩10的侧面。

如图1所示，打钻角度记为α，打钻角度即为钻孔1中心线与巷道底板之间的夹角，α小于50°时，使用方体捕集罩9，方体捕集罩9的第一安装板14固定安装在邻近钻孔1的孔口11上方0.2m处的巷道8内壁上，方体捕集罩9上的聚气罩13朝向钻孔1的孔口11。

如图2所示，α大于或等于50°时，使用筒状捕集罩10，筒状捕集罩10上的各第二安装板15固定安装在钻孔1的孔口11周圈的巷道8内壁上，瓦斯传感器2位于筒状捕集罩10的内部。因为巷道8顶部是拱形的，在α大于50°时，会出现钻孔1的孔口11高于瓦斯捕集罩的情况，此时，若仍使用方体捕集罩9，比空气轻的瓦斯气体从孔口11喷出后聚集在瓦斯捕集罩上方，无法实现捕集瓦斯的目的，反之，将筒状捕集罩10安装在孔口11，将孔口11处的一片空间沿周向包围，钻机16的钻杆可从下向上穿过筒状捕集罩10，喷出瓦斯即可从孔口11喷出后从设置在筒状捕集罩10侧面的抽采软管4被抽走。

使用所述的水力冲孔喷出瓦斯自动捕集装置的水力冲孔喷出瓦斯自动捕集方法，包括以下步骤：

（1）布置瓦斯捕集罩和瓦斯传感器2：

在进行水力冲孔之前，根据不同的打钻角度选取合适的瓦斯捕集罩，

在实际打钻角度小于50°时采用方体捕集罩9，将方体捕集罩9的第一安装板14固定安装在邻近钻孔1的孔口11上方0.2m处的巷道8内壁上，方体捕集罩9上的聚气罩13朝向钻孔1的孔口11，将瓦斯传感器2安装在钻孔1的孔口11与方体捕集罩9之间，此时，方体捕集罩9上的聚气罩13位于钻孔1的孔口11上方；

在实际打钻角度大于或等于50°时采用筒状捕集罩10，将筒状捕集罩10上的各第二安装板15固定安装在钻孔1的孔口11周圈的巷道8内壁上，将瓦斯传感器2安装在钻孔1的孔口11处，此时，筒状捕集罩10将孔口11处的一片空间沿周向包围，瓦斯传感器2位于筒状捕集罩10的内部；

（2）连接抽采软管4：

通过抽采软管4将瓦斯捕集罩与矿井抽采管路7上的连接支管3连接，在连接支管3上安装一个电磁阀5，电磁阀5连接信号处理控制装置6，瓦斯传感器2的信号通过无线红外方式传入信号处理控制装置6；

（3）设置预警值：

将瓦斯传感器2的瓦斯浓度预设报警值设置为2.0% CH4，即在瓦斯浓度小于2.0% CH4时，瓦斯传感器2不报警，在瓦斯浓度等于或大于2.0% CH4时，瓦斯传感器2报警；

（4）瓦斯捕集：

在进行水力冲孔之前，瓦斯传感器2检测到的瓦斯浓度小于2.0% CH4，瓦斯传感器2不报警，电磁阀5处于关闭状态；

打钻冲孔过程中，瓦斯传感器2实时监测瓦斯浓度，当发生瓦斯喷出时，瓦斯传感器2迅速检测到瓦斯浓度变化，检测到的瓦斯浓度等于或大于2.0% CH4时，瓦斯传感器2通过红外发射器发出红外信号，信号处理控制装置6通过红外接收器接收红外发射器发出的红外信号，信号处理控制装置6对该信号进行处理后，向电磁阀5发出开启的命令，电磁阀5自动开启，瓦斯捕集罩通过抽采软管4与矿井抽采管路7连通，利用矿井抽采管路7的抽采负压，在采用方体捕集罩9时，通过钻孔1孔口11喷出的瓦斯经聚气罩13进入到方体捕集罩9内后迅速被抽至矿井抽采管路7中，在采用筒状捕集罩10时，喷出瓦斯从钻孔1孔口11喷出后经筒状捕集罩10从设置在筒状捕集罩10侧面的抽采软管4被抽走；

（5）瓦斯捕集完成：

孔口11处的局部瓦斯浓度降到2.0% CH4以下后，瓦斯传感器2会再次通过红外发射器发出红外信号，信号处理控制装置6通过红外接收器接收红外发射器发出的红外信号，信号处理控制装置6对该信号进行处理后，向电磁阀5发出关闭的命令，电磁阀5自动关闭，完成对水力冲孔时瓦斯喷出的自动捕集。

发生瓦斯喷出时的瓦斯涌出量计算可以采用以下公式：

式中Q—钻孔1喷出涌出瓦斯量，m³/min；

X₀—煤层原始瓦斯含量，m³/t；

X₁—煤层残余瓦斯含量，m³/t；

M—喷孔时喷出的煤量，t；

T—喷出瓦斯持续时间，min。

水力冲孔一次喷出的煤量在测重之后为0.2t左右，喷出瓦斯持续时间测得为60s，依据上述公式，据统计，目前我国煤层瓦斯含量最大值为45 m³/t，假设瓦斯喷出后，煤层瓦斯含量无残余，则可计算出喷出瓦斯量大约为9 m³/min；而根据实际煤矿抽采负压，管内流速为10～15m/s,抽采流量等于截面积与流速的乘积，若需保证及时有效的捕集喷出瓦斯，需使捕集瓦斯的抽采流量大于9 m³/min，经计算，需选取直径大于或等于140mm的抽采软管4，才能够使捕集瓦斯的抽采流量大于9 m³/min，以确保本装置能够及时有效的捕集喷出瓦斯。

瓦斯传感器2的工作原理：瓦斯传感器2实时监测瓦斯浓度，并输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，通过无线红外方式传入信号处理控制装置6。

信号处理控制装置6对信号进行处理后，控制电磁阀5的开启与关闭。信号处理控制装置6采用高精度单片机处理并控制电磁阀5，响应时间不超过10s，恢复时间小于30s；大量观测表明，打钻，冲孔时从初喷到剧烈喷出时间为大于40s，信号处理控制装置6能够及时做出反应，且不会影响对瓦斯浓度的持续监测与处理。

所述瓦斯传感器2、信号处理控制装置6、抽采软管4、电磁阀5、红外发射器和红外接收器为现有常规装置，具体结构不再详述。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。