一种煤层钻孔瓦斯漏失量测试装置

1.本新型涉及一种煤层钻孔瓦斯漏失量测试装置，属于煤矿井下瓦斯防治技术领域。


背景技术：

2.煤矿井下工作面掘进过程中存在煤与瓦斯突出等灾害风险，因此需要有效抽采煤层瓦斯。煤层回采过程中应力呈带状分布，分别是卸压区、应力集中区和原岩应力区，卸压区应力和瓦斯含量压力得以释放，瓦斯抽采钻孔封孔段长度应该超过卸压带宽度，因此准确测定卸压带宽度对瓦斯有效抽采具有重要意义。
3.传统的卸压带测定方法主要依据钻孔参数指标确定，如：
4.（1）钻屑量及钻屑瓦斯解吸指标，采集钻孔周围钻屑，测定钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标等参数，分析确定钻孔卸压带宽度；但是钻孔深部“定点取样”难以实现，因此卸压带宽度测定结果不准确。
5.（2）瓦斯涌出初速度，根据钻孔瓦斯涌出初速度确定卸压带宽度，卸压区煤层渗透率较大、应力集中区煤层渗透率降低至原岩应力区煤层渗透率以下、随着钻孔深度增加煤层渗透率恢复至原岩应力区煤层渗透率；然而初期钻孔瓦斯涌出量主要来自钻孔破碎区，应力集中区的瓦斯涌出初速度较大，难以判断钻孔卸压区和应力集中区的距离。
6.（3）瓦斯抽采参数，不同封孔段深度的钻孔受不同程度贯通裂隙的影响，抽采负压和抽采浓度存在差异，测定过程受各种因素影响较大。
7.根据煤层气体渗流理论，提出了“钻孔气体漏失量法”测定煤层卸压带宽度；但是气体在煤层孔隙、裂隙中运移和吸附能力强，测试过程流量数据变化敏感，液态水和煤体存在表面张力，能够相对精确地表征钻孔裂隙中瓦斯漏失量。因此，根据煤层流-固耦合模型提出一种煤层钻孔瓦斯漏失量测试装置及卸压带宽度测定方法，以满足实际使用的需要。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术上的不足，本新型提供一种煤层钻孔瓦斯漏失量测试装置，该实用新型通过连接单位长度的钻杆，进入不同深度的煤层瓦斯抽采钻孔进行分区段测试，并根据钻孔不同卸压带的煤层应力、瓦斯压力和煤层裂隙发育情况对钻孔瓦斯漏失量的影响测定出结果；同时本新型便于在煤矿井下有限空间内进行拆装组合，也方便施工人员携带、操作简单、密封效果较好。
9.为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
10.一种煤层钻孔瓦斯漏失量测试装置，包括增压泵、连接管、膨胀胶囊、连接杆、开关阀门、单向阀、流量压力表、注液口、分流管及检测电路，膨胀胶囊至少两个，膨胀胶囊为横断面呈环状的圆柱腔体结构，包覆在连接杆外，与连接杆同轴分布并通过连接机构与连接杆连接，且相邻两个膨胀胶囊间通过连接管相互串联，另通过连接管与分流管连通并构成注射膨胀管路，且膨胀胶囊与连接管间通过注液口连通，连接杆为空心管状结构，各连接杆
间通过连接管头相互连通，并通过连接管与分流管连通并构成注水渗流管路，且连接杆与膨胀胶囊并联，位于相邻两个膨胀胶囊之间的连接杆侧壁设至少一个排液口，分流管通过单向阀分别与膨胀胶囊和连接杆所连接的连接管连通，另通过开关阀门与增压泵连通，单向阀与连接管间均设一个流量压力表，检测电路与增压泵通过机架连接，并分别与增压泵、开关阀门、单向阀、流量压力表及连接机构电气连接。
11.进一步的，所述连接机构包括密封套、托槽、调节弹簧、压力传感器， 所述密封套共两个，与连接杆同轴分布，包覆在连接杆外并对称分布在膨胀胶囊两侧，所述托槽至少三个，环绕连接杆轴线均布并与连接杆轴线平行分布，所述托槽轴向截面呈“凵”字形槽状结构，其前端面及后端面与密封套后端面间滑动连接，下端面通过至少两条调节弹簧与连接杆外表面连接，所述膨胀胶囊内表面嵌于托槽的槽体内，其侧表面与密封套后端相抵并滑动连接，所述调节弹簧轴线与连接杆轴线垂直分布并沿着托槽轴线方向均布，且调节弹簧与托槽下端面间通过压力传感器连接连接，且各压力传感器间相互并联，并通过导线与检测电路电气连接。
12.进一步的，所述密封套包括金属卡箍、弹性密封环，所述弹性密封环包括密封盘及密封套，其中所述密封套与密封盘后端面连接并同轴分布，所述密封套为圆柱管状结构，包覆在连接杆外并与连接杆同轴分布，且密封套外径不大于密封盘直径的1/2，所述金属卡箍至少一个，包覆在密封套外并与密封套同轴分布。
13.进一步的，所述托槽中，相邻两个托槽间通过柔性连接带相互连接，且托槽与柔性连接带共同构成与连接杆同轴分布的空心圆柱腔体结构。
14.进一步的，所述注液口包括导流管、压力应变片、密封环、排液嘴、调压阀，所述导流管嵌于膨胀胶囊内并与膨胀胶囊轴线平行分布，所述导流管两端分别位于膨胀胶囊外，并与连接管通过连接管头连通，导流管两端另分别通过密封环膨胀胶囊侧壁连接，所述导流管位于膨胀胶囊内的管壁上设一个透孔，所述透孔与调压阀连接，并通过调压阀与排液嘴连通，所述压力应变片至少两个，位于膨胀胶囊内，沿导流管轴线方向均布并与导流管外表面连接，所述压力应变片和调压阀均与检测电路电气连接。
15.进一步的，所述连接杆包括承载管、管箍、均压阀及密封堵头，所述承载管为轴向截面呈矩形的空心管状结构，所述承载管至少两条，相邻两条承载管间通过管箍连接并同轴分布，所述承载管中位于最前端的承载管管头与密封堵头连接，位于最后端的承载管管头与连接管连接并通过连接管与分流管连接，所述均压阀数量与排液口数量一致，且每个排液口均与一个均压阀连通，所述均压阀另与检测电路电气连接。
16.进一步的，所述检测电路为基于工业单片机、可编程控制器中任意一种为基础的电路系统。
17.进一步的，所述机架为横断面呈矩形的框架结构，其上端面通过滑槽分别与检测电路与增压泵连接，所述增压泵对应的机架内另设集液槽，所述集液槽为横断面呈“凵”字形槽状结构，嵌于机架内并位于增压泵正下方。
18.本实用新型通过连接单位长度的钻杆，进入不同深度的煤层瓦斯抽采钻孔进行分区段测试，并利用测定钻孔不同深度的漏失量，便于准确确定测试点周围的卸压带宽度，并在煤层流体渗流理论基础上，根据钻孔不同卸压带的煤层应力、瓦斯压力和煤层裂隙发育情况对钻孔瓦斯漏失量的影响测定出结果，测定方法简单、液体渗透流量和压力的变化容
易直观表征出来、测定结果真实可靠；同时本新型便于在煤矿井下有限空间内进行拆装组合，也方便施工人员携带、操作简单、密封效果较好。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式来详细说明本新型；
20.图1为本新型结构构成结构示意图；
21.图2为膨胀胶囊与连接机构及注液口间的连接结构示意图；
22.图3为连接机构内各托槽间侧视结构分布结构示意图；
23.图4为连接杆结构示意图；
24.图5为机架与增压泵、检测电路间的连接结构示意图。
具体实施方式
25.为使本新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于施工，下面结合具体实施方式，进一步阐述本新型。
26.如图1-5所示，一种煤层钻孔瓦斯漏失量测试装置，包括增压泵1、连接管2、膨胀胶囊3、连接杆4、开关阀门5、单向阀6、流量压力表7、注液口8、分流管9及检测电路10，膨胀胶囊3至少两个，膨胀胶囊3为横断面呈环状的圆柱腔体结构，包覆在连接杆4外，与连接杆4同轴分布并通过连接机构11与连接杆1连接，且相邻两个膨胀胶囊3间通过连接管2相互串联，另通过连接管2与分流管2连通并构成注射膨胀管路，且膨胀胶囊3与连接管2间通过注液口8连通，连接杆4为空心管状结构，各连接杆4间通过连接管头13相互连通，并通过连接管2与分流管9连通并构成注水渗流管路，且连接杆4与膨胀胶囊3并联，位于相邻两个膨胀胶囊3之间的连接杆4侧壁设至少一个排液口12，分流管9通过单向阀6分别与膨胀胶囊3和连接杆4所连接的连接管2连通，另通过开关阀门5与增压泵1连通，单向阀6与连接管间均设一个流量压力表7，检测电路10与增压泵1通过机架14连接，并分别与增压泵1、开关阀门5、单向阀6、流量压力表7及连接机构11电气连接。
27.需要说明的，所述连接机构11包括密封套111、托槽112、调节弹簧113、压力传感器114， 所述密封套111共两个，与连接杆4同轴分布，包覆在连接杆4外并对称分布在膨胀胶囊3两侧，所述托槽112至少三个，环绕连接杆4轴线均布并与连接杆4轴线平行分布，所述托槽112轴向截面呈“凵”字形槽状结构，其前端面及后端面与密封套111后端面间滑动连接，下端面通过至少两条调节弹簧113与连接杆4外表面连接，所述膨胀胶囊3内表面嵌于托槽112的槽体内，其侧表面与密封套111后端相抵并滑动连接，所述调节弹簧113轴线与连接杆4轴线垂直分布并沿着托槽112轴线方向均布，且调节弹簧113与托槽112下端面间通过压力传感器114连接连接，且各压力传感器114间相互并联，并通过导线与检测电路10电气连接。
28.其中，所述密封套111包括金属卡箍1111、弹性密封环1112，所述弹性密封环1112包括密封盘11121及密封套11122，其中所述密封套11122与密封盘11121后端面连接并同轴分布，所述密封套11122为圆柱管状结构，包覆在连接杆4外并与连接杆4同轴分布，且密封套11122外径不大于密封盘11121直径的1/2，所述金属卡箍1111至少一个，包覆在密封套11122外并与密封套11122同轴分布。
29.进一步优化的，所述金属卡箍1111对应的密封套11122外表面设与密封套11122同
轴分布的定位槽11123，且金属卡箍1111嵌于定位槽11123内。
30.同时，所述托槽112中，相邻两个托槽112间通过柔性连接带115相互连接，且托槽112与柔性连接带115共同构成与连接杆4同轴分布的空心圆柱腔体结构，同时，所述托槽112的槽底上均布若干轴线与连接杆4轴线垂直分布的透孔116。
31.本实施例中，所述注液口8包括导流管81、压力应变片82、密封环83、排液嘴84、调压阀85，所述导流管81嵌于膨胀胶囊3内并与膨胀胶囊3轴线平行分布，所述导流管81两端分别位于膨胀胶囊3外，并与连接管2通过连接管头14连通，导流管81两端另分别通过密封环83膨胀胶囊3侧壁连接，所述导流管81位于膨胀胶囊3内的管壁上设一个透孔86，所述透孔86与调压阀85连接，并通过调压阀85与排液嘴84连通，所述压力应变片82至少两个，位于膨胀胶囊3内，沿导流管81轴线方向均布并与导流管81外表面连接，所述压力应变片82和调压阀85均与检测电路10电气连接。
32.此外，所述连接杆4包括承载管41、管箍42、均压阀43及密封堵头44，所述承载管41为轴向截面呈矩形的空心管状结构，所述承载管41至少两条，相邻两条承载管41间通过管箍42连接并同轴分布，所述承载管41中位于最前端的承载管41管头与密封堵头44连接，位于最后端的承载管41管头与连接管2连接并通过连接管2与分流管9连接，所述均压阀43数量与排液口12数量一致，且每个排液口12均与一个均压阀43连通，所述均压阀43另与检测电路10电气连接。
33.本实施例中，所述检测电路10为基于工业单片机、可编程控制器中任意一种为基础的电路系统。
34.本实施例中，所述机架14为横断面呈矩形的框架结构，其上端面通过滑槽141分别与检测电路10与增压泵1连接，所述增压泵1对应的机架14内另设集液槽142，所述集液槽142为横断面呈“凵”字形槽状结构，嵌于机架14内并位于增压泵1正下方。
35.为了更好的对本新型记载技术方案进行说明介绍，现结合具体实施方式进行说明：
36.首先根据使用需要，对构成本新型的增压泵、连接管、膨胀胶囊、连接杆、开关阀门、单向阀、流量压力表、注液口、分流管及检测电路进行组装，其中在组装过程中，相邻两膨胀胶囊间间距为1m，并通过连接管、连接杆连接，在具体检测作业时，按照以下步骤进行检测作业：
37.第一步，将单向阀、流量压力表、连接管和膨胀胶囊的注水口端相连接，膨胀胶囊之间也用连接管连接；然后将单向阀、流量压力表、连接杆和膨胀胶囊连接；最后将注水膨胀管路的连接管和注水渗流管路的连接杆与增压泵的开关阀门连接，瓦斯漏失量测试装置组装完毕；
38.第二步，托起连接杆和膨胀胶囊送至钻孔孔口位置，在膨胀胶囊进口端连接的连接杆保证从钻孔孔口6m处开始测试卸压带宽度；
39.第三步，首先开启注水膨胀管路的单向阀并调节增压泵，提高水压通过连接管注水管路注入膨胀胶囊，使胶囊体积充分膨胀实现密封钻孔的效果，通过流量压力表观察膨胀胶囊和注水管路内水量，计算出钻孔内胶囊膨胀程度。例如，当流量压力表压力显示0.3mpa时，膨胀胶囊直径从70mm增加至115mm，能够充分膨胀和钻孔密封；
40.第四步，通过调节增压泵为钻孔通道注水提供渗流压力和流量，读取恒定渗流压
力条件下多功能流量压力表上的流量读数，通过前后压力值的变化程度确定卸压能力的强弱。例如，多功能流量压力表压力显示0.5mpa时，渗流管路的压力值降低的越大则卸压能力越强；
41.第五步，打开钻孔外部注水膨胀管路的单向阀和增压泵的开关阀门，使膨胀胶囊卸压。按照第二步在钻孔孔口处连接杆上一次增加1m的连接杆，保证原位钻孔继续向钻孔深处推进1m，继续开展工程并记录得到的钻孔瓦斯漏失量的压力值和流量值等数据，直到瓦斯漏失量的压力值和流量值变化不再显著，记录连接杆的相对推进深度即卸压带宽度；
42.本实用新型通过连接单位长度的钻杆，进入不同深度的煤层瓦斯抽采钻孔进行分区段测试，每次增加1m的连接杆递进测试单位长度的漏失量，利用本实用新型的测试装置测定钻孔不同深度的漏失量，便于准确确定测试点周围的卸压带宽度。
43.本实用新型的测试装置的单节连接杆采用外螺纹设计、活动接头采用内螺纹连接方式、流量压力表和单向阀等工具采用u型卡插销固定组合等方式，便于在煤矿井下有限空间内进行拆装组合，也方便施工人员携带、操作简单、密封效果较好。
44.本实用新型利用钻孔分区段瓦斯漏失量测试结果确定卸压带宽度，在煤层流体渗流理论基础上，根据钻孔不同卸压带的煤层应力、瓦斯压力和煤层裂隙发育情况对钻孔瓦斯漏失量的影响测定出结果，测定方法简单、液体渗透流量和压力的变化容易直观表征出来、测定结果真实可靠。
45.以上显示和描述了本新型的基本原理和主要特征和本新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本新型的原理，在不脱离本新型精神和范围的前提下，本新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本新型范围内。本新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。