多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，包括密封系统、测定系统和用于固定密封系统的固定系统，测定系统的抽气端与密封系统的密封空间连接。本实用新型可以对不同深度煤层段的透气性系数进行测定，为合理钻孔分支数、分支地点、分支间距、分支与主支的夹角等参数确定提供了指导。本实用新型还可以进行煤层段内多处透气性的同时测定，大大降低了施工时间以及施工成本，合理设计密封结构，有效避免了测试煤层段之间的相互干扰。
【专利说明】多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于煤矿安全生产【技术领域】，尤其涉及一种多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置。
【背景技术】
[0002]随着煤矿开采深度以及开采强度的加大，煤与瓦斯突出危险性也在增大，除了地应力影响外，瓦斯含量大是导致突出危险的重要因素之一。因此，对煤层内的瓦斯进行有效抽放，降低瓦斯含量，是防止煤与瓦斯突出的有效措施之一。打钻进行抽放是目前井下瓦斯抽放的主要方式之一。随着钻孔设备和钻孔技术的提高，钻孔深度越来越深，甚至延伸出多分支钻孔。煤层是一种非均质性很强的岩石，由于煤层裂隙宽度、长度、方向、密度等的差异性，导致同一钻孔内煤层的透气性可能存在很大的差异性，进而导致进行抽放时，若不考虑煤层透气性随钻孔深度的变化，可能导致一些区域瓦斯含量降低的快，一些区域瓦斯含量难以下降，不能有效降低煤与瓦斯突出的危险性。
[0003]在煤矿井下进行多分支水平钻孔是近年来发展起来的一项技术。多分支水平钻孔因其控制面积大、若分支段布置比较合理，则抽放效果比较理想。若分支间距、开孔位置不合理，容易造成瓦斯抽放重叠区或抽放盲区，不仅影响抽放效果，而且可能造成煤与瓦斯突出。同时，在煤层中进行多分支钻孔，成本比较高，合理进行开孔及孔深度设计显得非常重要。煤储层非均质性的存在，导致主支不同深度下的透气性不同，对抽放效果会产生重要影响。因此，为了较准确查明主支中不同深度处的透气性系数，为分支数、分支地点以及分支与主支的夹角等参数确定提供指导，迫切需要一种装置或工艺对不同深度处的透气性进行快速测定，以便降低工程投资风险，尽量消除瓦斯抽放盲区或重叠区，促进煤矿安全、高效生产。
实用新型内容
[0004]本实用新型针对由于不同钻孔深度煤层非均质性强引起煤矿井下多分支瓦斯抽采钻孔中抽采分支数目、分支间距、分支与主支夹角等参数难以确定，容易造成瓦斯抽放盲区或重叠区的问题，提供了一种多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，通过该装置可以测定钻孔内不同深度的煤层透气性系数，结合回归分析方法，得出钻孔内不同深度处的煤层透气性系数，为分支数目、开分支地点、分支间距、分支与主支的夹角等参数的确定提供指导，尽量消除抽采盲区或重叠区，提高煤层气抽采效率，降低煤与瓦斯突出危险性。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案:多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，包括密封系统、测定系统和用于固定密封系统的固定系统，测定系统的抽气端与密封系统的密封空间连接。
[0006]所述密封系统包括氮气瓶18、圆管24、高压气管17以及套在圆管24外壁上的至少两个橡胶膨胀体2，相邻两个橡胶膨胀体2之间设有固定在圆管24外壁上限位环6，橡胶膨胀体2为密闭空腔的圆环形结构，高压气管17的一端与氮气瓶18连接，高压气管17的另一端沿圆管24轴向伸入到圆管24内并通过管接头组件与每个橡胶膨胀体2的内壁连接，高压气管17上沿氮气瓶18到管接头组件方向上依次设有均位于圆管24外的高压气泵16、第一阀门19a、第一压力表20a。
[0007]所述管接头组件包括与橡胶膨胀体2通过螺母11固定连接的空心螺栓5、与高压气管17焊接为一体的出气口接头7，空心螺栓5外壁穿过圆管24并与圆管24焊接为一体，出气口接头7与空心螺栓5之间同一节高压软管4连接。
[0008]所述位于圆管24内的高压气管17上套有定位环14，定位环14通过连接件13固定在圆管24内壁。
[0009]所述圆管24由至少两节组成，相邻两节圆管24之间采用插接的方式同轴向连接，相邻两节圆管24之间的环形连接处25密封设置。
[0010]所述高压气管17在圆管24内的部分由至少两节组成相邻两节高压气管17之间通过螺纹管10连接，螺纹管10的内孔横截面为正方形，螺纹管10的外圈分别与两节高压气管17的内壁螺纹连接。
[0011]所述测定系统包括多接口连接管28、气体收集罐30、至少一个抽气管接头21以及与抽气管接头21连接的抽气管22，抽气管22伸入圆管24内，每个抽气管接头21均连接到两个橡胶膨胀体2之间的圆管24上，每根抽气管22的出气口均与多接口连接管28连接，多接口连接管28的出气口通过出气管I与气体收集罐30连接，出气管I上沿气流方向依次设有第二压力表20b、第二阀门19b和负压泵29，每个抽气管22上均设有流量计27。
[0012]所述固定系统包括底座15和套在最外端一节圆管24上的孔口固定环26，孔口固定环26设在底座15上。
[0013]所述最内端一节圆管24的内端面设有堵板3，堵板3中央通过穿过圆管24内的钢丝绳31连接有电动葫芦32。
[0014]采用上述技术方案，密封系统主要是对各个测试段进行密封，避免测试段之间相互干扰。密封系统中高压气泵将氮气瓶中的氮气加压以后通过高压气管注入到橡胶膨胀体中，使橡胶膨胀体膨胀与煤岩紧密结合，避免煤层中气体在测试段之间相互流动。为了避免膨胀体在横向上过度膨胀，在相邻两个橡胶膨胀体之间的圆管上焊接限位环，这样有效避免了橡胶膨胀体在横向上过度膨胀。为了避免充高压气过程中由于管路抗压能力低造成管路破坏，高压气管在此采用钢制高压管路，有效减少不必要的施工麻烦。橡胶膨胀体在充气之前紧贴在钢管表面，其内壁直径稍小于钢管直径，为70mm，充气完全膨胀后外壁直径可以达到100mm，达到完全密封的目的(本实用新型以钻孔直径为94mm的钻孔为例进行说明，对于其他孔径的钻孔，可以采用相同方式进行设计)。
[0015]密封系统中气体从氮气瓶流出后经过高压气泵加压，加压后压力大于煤层瓦斯压力，通过高压气管再经过软管进入到橡胶膨胀体内，其中橡胶膨胀体的横向长度为3m，沿圆管轴向每隔3.5m布置一个，即相邻两个橡胶膨胀体之间的间隔为0.5m,当煤层结构相对比较破碎时，可以根据实际情况，缩短两个测试点之间的距离。其中高压气管在圆管内的部分为钢制的圆形钢管。相邻两节高压气管之间通过螺纹管进行连接，高压气管两端都有一段内螺纹。螺纹管为带有外螺纹的钢制体，其内孔横截面为正方形，便于进行旋转连接。施工时，下入高压气管以后，及时下入螺纹管，通过特定扳手插入螺纹管内部正方形凹槽，并旋转将两者连接起来。根据需要可以将多根高压气管连接在一起。高压气管的长度根据钻孔深度确定。在高压气管与橡胶膨胀体之间通过软管进行连接，接口处分别焊接有出气口接头与空心螺栓，只需要将软管两端固定在出气口接头与空心螺栓上即可。其中空心螺栓的大头一段在橡胶膨胀体的内部，通过螺母将空心螺栓和橡胶膨胀体内壁固定在一起，然后通过焊接将螺母固定在圆管上。
[0016]考虑到煤矿井下施工条件相对较差，圆管为多根钢管连接而成，圆管直径为80_，相邻两根圆管之间通过插接的方式连接。在环形连接处的两节圆管只是紧挨在一起，没有相互连接，这样可以有效减少旋转连接造成的内部管路相互影响。为了确保密封性，在两节圆管的环形连接处两端分别设计了密封装置进行密封。为了控制并了解内部压力及密封情况，在高压气管进口处安装第一压力表和第一阀门，时刻掌握管路内部压力变化。
[0017]测定系统主要是对煤层各段的透气性系数进行测定。该系统通过对各独立煤层段在相同时间的产气量进行测定，对其透气性系数进行定量评价。通过负压泵给各个独立煤层段提供相同的负压，由于同一次测量中气体流过距离相差不大，因此忽略了气体流动过程中的压力损失。通过记录相同时间内的流量，即可得出不同煤层段内的透气性系数的相对大小。气体流过流量计以后，被汇总到一起，收集到气体收集罐中。
[0018]相邻两个橡胶膨胀体之间的环形密封空间的各煤层段的气体通过抽气管接头进入到每根抽气管中，然后通过多接口连接管最终进入到气体收集罐中。其中抽气管接头为一空心的螺栓，通过焊接固定在圆管上，抽气管接头另一端与各个抽气管连接。相邻两个抽气管接头之间距离为3.5m,即每一测试煤层段长度为0.5m。当测试深度较深时，可以增加抽气管的长度。抽气管最后都连接在多接口连接管上，为了测试各管路瓦斯流量的变化，分别在各管路上安装流量计，记录瓦斯流量的变化。
[0019]固定系统主要是对圆管和抽气管起到固定作用。通过孔口固定环固定在底座上将圆管进行固定。为了避免高压气管的晃动，同时提高连接的准确性，在高压气管上套有定位环，定位环通过连接件固定在圆管内壁。
[0020]电动葫芦主要是在测试完毕后，将密封系统从钻孔内拉出，其中电动葫芦和钢丝绳连接，钢丝绳与最内端的堵板固定在一起。开始测试时，钢丝绳随圆管一起进入钻孔内。
[0021]本实用新型可以对不同深度煤层段的透气性系数进行测定，为合理钻孔分支数、分支地点、分支间距、分支与主支的夹角等参数确定提供了指导。本实用新型还可以进行煤层段内多处透气性的同时测定，大大降低了施工时间以及施工成本，合理设计密封结构，有效避免了测试煤层段之间的相互干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型的结构示意图(橡胶膨胀体充气状态)；
[0023]图2是本实用新型沿圆管轴向的剖视图(橡胶膨胀体未充气状态)。
【具体实施方式】
[0024]如图1和图2所示，本实用新型的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，包括密封系统、测定系统和用于固定密封系统的固定系统，测定系统的抽气端与密封系统的密封空间连接。[0025]密封系统包括氮气瓶18、圆管24、高压气管17以及套在圆管24外壁上的至少两个橡胶膨胀体2，相邻两个橡胶膨胀体2之间设有固定在圆管24外壁上限位环6，橡胶膨胀体2为密闭空腔的圆环形结构，高压气管17的一端与氮气瓶18连接，高压气管17的另一端沿圆管24轴向伸入到圆管24内并通过管接头组件与每个橡胶膨胀体2的内壁连接，高压气管17上沿氮气瓶18到管接头组件方向上依次设有均位于圆管24外的高压气泵16、第一阀门19a、第一压力表20a。
[0026]管接头组件包括与橡胶膨胀体2通过螺母11固定连接的空心螺栓5、与高压气管17焊接为一体的出气口接头7，空心螺栓5外壁穿过圆管24并与圆管24焊接为一体，出气口接头7与空心螺栓5之间同一节高压软管4连接。
[0027]位于圆管24内的高压气管17上套有定位环14，定位环14通过连接件13固定在圆管24内壁。
[0028]圆管24由至少两节组成，相邻两节圆管24之间采用插接的方式同轴向连接，相邻两节圆管24之间的环形连接处25密封设置。
[0029]高压气管17在圆管24内的部分由至少两节组成相邻两节高压气管17之间通过螺纹管10连接，螺纹管10的内孔横截面为正方形，螺纹管10的外圈分别与两节高压气管17的内壁螺纹连接。
[0030]测定系统包括多接口连接管28、气体收集罐30、至少一个抽气管接头21以及与抽气管接头21连接的抽气管22，抽气管22伸入圆管24内，每个抽气管接头21均连接到两个橡胶膨胀体2之间的圆管24上，每根抽气管22的出气口均与多接口连接管28连接，多接口连接管28的出气口通过出气管I与气体收集罐30连接，出气管I上沿气流方向依次设有第二压力表20b、第二阀门19b和负压泵29，每个抽气管22上均设有流量计27。
[0031]固定系统包括底座15和套在最外端一节圆管24上的孔口固定环26，孔口固定环26设在底座15上。
[0032]最内端一节圆管24的内端面设有堵板3，堵板3中央通过穿过圆管24内的钢丝绳31连接有电动葫芦32。
[0033]密封系统主要是对各个测试段进行密封，避免测试段之间相互干扰。密封系统中高压气泵16将氮气瓶中的氮气加压以后通过高压气管注入到橡胶膨胀体中，使橡胶膨胀体膨胀与煤岩紧密结合，避免煤层中气体在测试段之间相互流动。为了避免膨胀体在横向上过度膨胀，在相邻两个橡胶膨胀体之间的圆管上焊接限位环，这样有效避免了橡胶膨胀体在横向上过度膨胀。为了避免充高压气过程中由于管路抗压能力低造成管路破坏，高压气管在此采用钢制高压管路，有效减少不必要的施工麻烦。橡胶膨胀体在充气之前紧贴在钢管表面，其内壁直径稍小于钢管直径，为70mm，充气完全膨胀后外壁直径可以达到100mm,达到完全密封的目的(本实用新型以钻孔直径为94mm的钻孔为例进行说明，对于其他孔径的钻孔，可以采用相同方式进行设计)。
[0034]密封系统中气体从氮气瓶流出后经过高压气泵16加压，加压后压力大于煤层瓦斯压力，通过高压气管17再经过软管4进入到橡胶膨胀体2内，其中橡胶膨胀体2的横向长度为3m，沿圆管24轴向每隔3.5m布置一个，即相邻两个橡胶膨胀体2之间的间隔为0.5m,当煤层结构相对比较破碎时，可以根据实际情况，缩短两个测试点之间的距离。其中高压气管17在圆管24内的部分为钢制的圆形钢管。相邻两节高压气管17之间通过螺纹管10进行连接，高压气管17两端都有一段内螺纹。螺纹管10为带有外螺纹的钢制体，其内孔横截面为正方形，便于进行旋转连接。施工时，下入高压气管17以后，及时下入螺纹管10，通过特定扳手插入螺纹管10内部正方形凹槽，并旋转将两者连接起来。根据需要可以将多根高压气管17连接在一起。高压气管17的长度根据钻孔深度确定。在高压气管17与橡胶膨胀体2之间通过软管4进行连接，接口处分别焊接有出气口接头7与空心螺栓5，只需要将软管4两端固定在出气口接头7与空心螺栓5上即可。其中空心螺栓5的大头一段在橡胶膨胀体2的内部，通过螺母11将空心螺栓5和橡胶膨胀体2内壁固定在一起，然后通过焊接将螺母11固定在圆管24上。
[0035]考虑到煤矿井下施工条件相对较差，圆管24为多根钢管连接而成，圆管24直径为80mm，相邻两根圆管24之间通过插接的方式连接。在两根圆管24的环形连接处25的两节圆管24只是紧挨在一起，没有相互连接，这样可以有效减少旋转连接造成的内部管路相互影响。为了确保密封性，在两节圆管24的环形连接处25两端分别设计了密封装置进行密封。为了控制并了解内部压力及密封情况，在高压气管17进口处安装第一压力表20a和第一阀门19a，时刻掌握管路内部压力变化。
[0036]测定系统主要是对煤层各段的透气性系数进行测定。该系统通过对各独立煤层段在相同时间的产气量进行测定，对其透气性系数进行定量评价。通过负压泵29给各个独立煤层段提供相同的负压，由于同一次测量中气体流过距离相差不大，因此忽略了气体流动过程中的压力损失。通过记录相同时间内的流量，即可得出不同煤层段内的透气性系数的相对大小。气体流过流量计27以后，被汇总到一起，收集到气体收集罐30中。
[0037]相邻两个橡胶膨胀体2之间的环形密封空间的各煤层段的气体通过抽气管接头21进入到每根抽气管22中，然后通过多接口连接管28最终进入到气体收集罐30中。其中抽气管接头21为一空心的螺栓，通过焊接固定在圆管24上，抽气管接头21另一端与各个抽气管22连接。相邻两个抽气管接头21之间距离为3.5m,即每一测试煤层段长度为
0.5m。当测试深度较深时，可以增加抽气管22的长度。抽气管22最后都连接在多接口连接管28上，为了测试各管路瓦斯流量的变化，分别在各管路上安装流量计27，记录瓦斯流量的变化。
[0038]固定系统主要是对圆管24和抽气管22起到固定作用。通过孔口固定环26固定在底座15上将圆管24进行固定。为了避免高压气管17的晃动，同时提高连接的准确性，在高压气管17上套有定位环14，定位环14通过连接件13固定在圆管24内壁。
[0039]电动葫芦32主要是在测试完毕后，将密封系统从钻孔内拉出，其中电动葫芦32和钢丝绳31连接，钢丝绳31与最内端的堵板3固定在一起。开始测试时，钢丝绳31随圆管24 —起进入钻孔内。
[0040]本实用新型的具体操作步骤为:
[0041]I)对预测地点进行钻孔，钻孔结束以后，对孔口暂时封堵，并马上准备进行测试，测试越早，测试准确度越高。
[0042]2)逐渐下入圆管24、高压气管17以及其他零部件等至预定深度。然后使用固定装置在孔口进行固定。
[0043]3)启动高压气泵16，逐渐加压至预定压力，确保对煤层内部进行了有效密封。
[0044]4)开启负压泵29至预定压力，然后使其保持定值。[0045]5)观察并记录各流量计27的读数，直到流量计27读数趋于稳定。
[0046]6)停止高压气泵16和负压泵29，进一步增加测试装置下入深度，重复步骤2)至5 )，直至完成整个钻孔深度测试。
[0047]7)退出测定装置，对装置进行整理并对数据进行处理、分析。
[0048]本实施例并没有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。
【权利要求】
1.多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:包括密封系统、测定系统和用于固定密封系统的固定系统，测定系统的抽气端与密封系统的密封空间连接； 所述密封系统包括氮气瓶(18)、圆管(24)、高压气管(17)以及套在圆管(24)外壁上的至少两个橡胶膨胀体(2)，相邻两个橡胶膨胀体(2)之间设有固定在圆管(24)外壁上限位环(6)，橡胶膨胀体(2)为密闭空腔的圆环形结构，高压气管(17)的一端与氮气瓶(18)连接，高压气管(17)的另一端沿圆管(24)轴向伸入到圆管(24)内并通过管接头组件与每个橡胶膨胀体(2 )的内壁连接，高压气管(17)上沿氮气瓶(18 )到管接头组件方向上依次设有均位于圆管(24)外的高压气泵(16)、第一阀门(19a)、第一压力表(20a)。
2.根据权利要求1所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述管接头组件包括与橡胶膨胀体(2)通过螺母(11)固定连接的空心螺栓(5)、与高压气管(17)焊接为一体的出气口接头(7)，空心螺栓(5)外壁穿过圆管(24)并与圆管(24)焊接为一体，出气口接头(7)与空心螺栓(5)之间同一节高压软管(4)连接。
3.根据权利要求1所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述位于圆管(24)内的高压气管(17)上套有定位环(14)，定位环(14)通过连接件(13)固定在圆管(24)内壁。
4.根据权利要求1所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述圆管(24)由至少两节组成，相邻两节圆管(24)之间采用插接的方式同轴向连接，相邻两节圆管(24)之间的环形连接处(25)密封设置。
5.根据权利要求1所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述高压气管(17)在圆管(24)内的部分由至少两节组成相邻两节高压气管(17)之间通过螺纹管(10)连接，螺纹管(10)的内孔横截面为正方形，螺纹管(10)的外圈分别与两节高压气管(17)的内壁螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述测定系统包括多接口连接管(28)、气体收集罐(30)、至少一个抽气管接头(21)以及与抽气管接头(21)连接的抽气管(22)，抽气管(22)伸入圆管(24)内，每个抽气管接头(21)均连接到两个橡胶膨胀体(2)之间的圆管(24)上，每根抽气管(22)的出气口均与多接口连接管(28)连接，多接口连接管(28)的出气口通过出气管(I)与气体收集罐(30)连接，出气管(I)上沿气流方向依次设有第二压力表(20b)、第二阀门(19b)和负压泵(29),每个抽气管(22)上均设有流量计(27)。
7.根据权利要求4所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述固定系统包括底座(15)和套在最外端一节圆管(24)上的孔口固定环(26)，孔口固定环(26)设在底座(15)上。
8.根据权利要求4所述的多分支钻孔煤层透气性系数分段、定点快速测定装置，其特征在于:所述最内端一节圆管(24)的内端面设有堵板(3)，堵板(3)中央通过穿过圆管(24)内的钢丝绳(31)连接有电动葫芦(32)。
【文档编号】G01N15/08GK203490156SQ201320505610
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】倪小明, 贾炳, 李哲远, 吉小峰, 杨艳辉 申请人:河南理工大学