一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置及方法与流程

文档序号:15578757发布日期:2018-09-29 06:15

本发明涉及一种煤矿原位监测技术领域,特别是涉及一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置及方法。



背景技术:

深部煤炭开采已经成为常态,而深部“三高”环境及强扰动和强时效的条件使得矿山灾害频发,因此深部煤与瓦斯共采理论和技术成为能源行业一项重大研究热点。准确获取煤体变形、瓦斯压力、瓦斯流量和煤层内部温度等现场数据,不仅可以反映煤矿开采过程中瓦斯流动和煤体变形的规律,而且可以为建立煤与瓦斯共采理论和技术提供重要的实践依据和理论基础。目前研究瓦斯在煤体中流动规律主要以多场耦合理论模型分析和实验室实验为主,由于存在跨尺度问题,获得的理论结果、实验数据和定量规律,难以推广至现场工业应用。而煤矿现场通过钻孔抽采瓦斯,主要监测整个煤层中所有钻孔的瓦斯抽采量,这些数据并不利于瓦斯渗流理论的建立。并且煤矿瓦斯流动规律研究多以抽采钻孔监测为主,而对于采动引起的应力、变形和煤层温度的监测少之又少,一方面是现场监测条件的限制,另一方面是有效的监测装置的缺失。目前较多的研究将煤层瓦斯流动问题置于多场耦合背景下,并提出了较多的理论模型,但多场耦合条件下的原位监测方法及技术鲜有涉猎,然而煤体变形、温度及瓦斯流量变化规律的研究是煤与瓦斯共采理论不可或缺的一部分,因此原位煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量监测显得尤为重要,同时对推进煤矿安全高效开采具有重要的实践意义。



技术实现要素:

为监测采动影响下煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量,本发明设计了一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置及方法,通过该发明对煤体变形、温度以及瓦斯流动进行实时监测。

为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置,包括钻孔应力传感器,温度传感器,环向应变仪,装置承载结构,矿用瓦斯流量传感器,注浆封孔器,环向变形感应气囊,注浆管,瓦斯流动管道,气囊加压管,装置底盘,矿用封孔器,温度-应力-流量多功能采集仪,气囊加压泵。

所述钻孔应力传感器、温度传感器、环向应变仪、矿用瓦斯流量传感器均为矿用专业传感器,用导线连接外部温度-应力-流量多功能采集仪,分别采集钻孔内部应力、温度、环向变形和瓦斯流量数据。

所述装置承载结构包括PVC管、环向应变仪卡槽;PVC管外径40~50mm,内径为30~40mm,每根长3~5m,在左端部有放置环向应变仪的卡槽,卡槽尺寸与环向应变仪轴向尺寸相对应,卡槽在径向上尺寸略大于环向应变仪尺寸,使环向应变仪能卡入卡槽中。PVC管右端与装置底盘连接,底盘的径向尺寸大于PVC管外径,接近钻孔直径。其中,卡槽与PVC管连接处分布定量的小孔,以便瓦斯流量的采集。

所述注浆封孔器和注浆管是将应力与温度传感器固定在钻孔内的必备工具,注浆管由每根2m长的四分管相连接构成,内径为11.5mm,外径为12.7mm。注浆封孔器为矿用专业注浆封孔塞,尺寸与钻孔直径相等。

所述的瓦斯流动管道由每根2m长的四分管相连接构成,内径为11.5mm,外径为12.7mm,其中四分管分布有一定数量的圆形孔,圆形孔的直径为2mm。

所述环向变形感应气囊为圆柱形,长度为80~120mm,最大膨胀外径不大于60mm,内部通过气囊加压管和加压泵进行充气膨胀。气囊的强度小于PVC管的强度,且具有一定的柔韧度,能够满足瓦斯钻孔在走向方向上产生较小曲折变化。

所述的矿用封孔器为一圆柱形软体,由三部分组成,前后为橡胶垫,中间为可膨胀性浆液。

所述的温度-应力-流量多功能采集仪有4个通道,并且有USB接口。可以同时采集应力、环向变形、温度、瓦斯流量等4个传感器的数据,采集的数据可通过USB数据接口进行实时存储数据。

基于一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置及方法,包括如下步骤:

a、在巷道靠近工作面一侧煤体内钻取符合实验条件的钻孔,保证钻孔不含自由水且笔直不塌孔。

b、将温度传感器、应力传感器分别与注浆封孔器胶结,并用导线与多功能采集仪相应的USB接口相连接。

c、将环向应变仪与环向变形感应气囊安装在装置承载结构的左端卡槽内,气囊通过加压管与气囊加压泵相连接,启动加压泵,向气囊内注入气体,测试气囊与加压管的气密性。

d、将瓦斯流动管道固定于装置底盘,并将矿用瓦斯流量传感器安装于瓦斯流动管道内,通过导线与多功能采集仪相应的USB接口相连接。

e、将附有胶结传感器的注浆封孔器与前两步已经安装部分传感器和管路的装置承载结构进行组装,形成监测装置主体结构,并在结构预留空间内安装注浆管。

f、将监测装置主体结构放入钻孔,并将装置底盘右侧安装与承载结构尺寸相同的PVC管,以便于将装置推进孔内,利用快速接头将每根PVC管依次相连,直至到达钻孔底部。

g、待附有钻孔温度传感器和应力传感器的注浆封孔器到达底部后,开始用煤矿注浆设备通过PVC注浆管注入水泥浆,注浆程度应保证传感器与煤体之间无间隙,充填紧密。

h、待注浆完成后,测试各个传感器正常工作无误后,采用煤矿专用封孔器进行封孔。

i、根据现场采集的参数变化情况,对数据进行分析,进而得到钻孔内的应力、温度、变形情况。

本发明的优点与效果是:

本发明所述的钻孔采用煤矿专用钻杆打钻而成,不仅能最大化的实现实验的有效性和精确性,并且钻孔非常有利于实验设备的安装,钻孔特征利于实验的开展,可实现一孔多用。

本发明的监测装置结构简单,易操作,可以同时进行多组实验,且能够真实反映现场工作面煤体瓦斯流动规律,可准确采集采动应力、钻孔变形、煤体温度和瓦斯流动的变化情况,能够为煤矿安全生产提供较为准确的实验数据。其结构紧凑,成本较低,数据准确,使用范围广,具有广泛的适用性。

本发明的监测装置紧密结合煤矿生产自有特征,利用煤矿的自有设备,进行一定程度的组合和配置,兼顾煤矿生产要求的同时,亦可保证煤矿的安全生产。

附图说明

图1为本发明监测装置的总结构示意图。

图中:1、钻孔应力传感器,2、温度传感器,3、环向应变仪,4、装置承载结构,5、矿用瓦斯流量传感器,6、注浆封孔器,7、环向变形感应气囊,8、注浆管,9、瓦斯流动管道,10、气囊加压管,11、装置底盘,12、矿用封孔器,13、温度-应力-流量多功能采集仪,14、气囊加压泵。

具体实施方式

下面结合附图所示实例对本发明作详细说明。

如图1所示,一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置,主要由钻孔应力传感器1、温度传感器2、环向应变仪3、装置承载结构4、矿用瓦斯流量传感器5、注浆封孔器6、环向变形感应气囊7、注浆管8、瓦斯流动管道9、气囊加压管10、装置底盘11、矿用封孔器12、温度-应力-流量多功能采集仪13、气囊加压泵14组成。

所述钻孔应力传感器1、温度传感器2、环向应变仪3、矿用瓦斯流量传感器5为矿用专业传感器,用导线连接外部温度-应力-流量多功能采集仪13,分别采集钻孔内部应力、温度、环向变形和瓦斯流量数据。

所述装置承载结构4包括PVC管、环向应变仪卡槽;PVC管外径40~50mm,内径为30~40mm,每根长3~5m,在左端部有放置环向应变仪3的卡槽,卡槽尺寸与环向应变仪3轴向尺寸相对应,卡槽在径向上尺寸略大于环向应变仪3尺寸,使环向应变仪3能卡入卡槽中。PVC管右端与装置底盘11连接,底盘的径向尺寸大于PVC管外径,接近钻孔直径。其中,卡槽与PVC管连接处分布定量的小孔,以便瓦斯流量的采集。

所述注浆封孔器6和注浆管8为将应力与温度传感器2固定在钻孔内的必备工具,注浆管由每根2m长的四分管相连接构成,内径为11.5mm,外径为12.7mm。注浆封孔器6为矿用专业注浆封孔塞,尺寸与钻孔直径相等。

所述的瓦斯流动管道9由每根2m长的四分管相连接构成,内径为11.5mm,外径为12.7mm,其中四分管分布有一定数量的圆形孔,圆形孔的直径为2mm。

所述环向变形感应气囊7为圆柱形,长度为80~120mm,最大膨胀外径不大于60mm,内部通过气囊加压管10和加压泵14进行充气膨胀。气囊的强度小于PVC管的强度,且具有一定的柔韧度,能够满足瓦斯钻孔在走向方向上产生较小曲折变化。

所述的矿用封孔器12为一圆柱形软体,由三部分组成,前后为橡胶垫,中间为可膨胀性浆液。

所述的温度-应力-流量多功能采集仪13有4个通道,并且有USB接口。即可以同时采集应力、环向变形、温度、瓦斯流量等4个传感器的数据,采集的数据可通过USB数据接口进行实时存储数据。

基于一种监测煤体钻孔变形-温度-瓦斯流量的装置及方法,包括如下步骤:

a、在巷道靠近工作面一侧煤体内钻取符合实验条件的钻孔,保证钻孔不含自由水且笔直不塌孔。

b、将温度传感器2、应力传感器1分别与注浆封孔器6胶结,并用导线与多功能采集仪13相应的USB接口相连接。

c、将环向应变仪3与环向变形感应气囊7安装在装置承载结构4的左端卡槽内,气囊通过加压管10与气囊加压泵14相连接,启动加压泵14,向气囊7内注入气体,测试气囊7与加压管10的气密性。

d、将瓦斯流动管道9固定于装置底盘11,并将矿用瓦斯流量传感器5安装于瓦斯流动管道9内,通过导线与多功能采集仪13相应的USB接口相连接。

e、将附有胶结传感器的注浆封孔器6与前两步已经安装部分传感器和管路的装置承载结构4进行组装,形成监测装置主体结构,并在结构预留空间内安装注浆管8。

f、将监测装置主体结构放入钻孔,并将装置底盘11右侧安装与承载结构4尺寸相同的PVC管,以便于将装置推进孔内,利用快速接头将每根PVC管依次相连,直至到达钻孔底部。

g、待附有钻孔温度传感器2和应力传感器1的注浆封孔器6到达底部后,开始用煤矿注浆设备通过PVC注浆管注入水泥浆,注浆程度应保证传感器与煤体之间无间隙,充填紧密。

h、待注浆完成后,测试各个传感器正常工作无误后,采用煤矿专用封孔器12进行封孔。

i、根据现场采集的参数变化情况,对数据进行分析,进而得到钻孔内的应力、温度、变形情况。

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