煤层突出危险性随钻测试方法及装置与流程

本发明涉及一种煤层突出危险性测试方法及装置，特别是一种煤层突出危险性随钻测试方法及装置，属于煤炭开采及煤矿安全领域。

背景技术：

深部煤层开采面临着高瓦斯、煤与瓦斯突出(以下简称突出)危险性的威胁，我国原国有重点煤矿中50％以上矿井受此影响，而且随采深增大，地应力和瓦斯压力增大，突出危险性日趋严重及复杂。突出危险性鉴定、区域危险性探测、区域危险性预测、工作面突出危险性预报和防突措施效果检验等需要对煤层突出危险性进行测试和分析。目前煤层突出危险性鉴定、探测和区域预测、区域防突措施检验等工作主要通过测试分析煤层瓦斯压力和瓦斯含量等主要指标进行。煤层瓦斯含量等参数测试主要采用取样测试，煤层瓦斯压力主要采用封孔平衡测试方法或用煤层瓦斯含量反算得到。目前煤层瓦斯含量测试较准确的定点取样测定方法的取样过程比较复杂，退钻取样过程、取样时间长短、取样方式、取样地点代表性及初始损失量的反算等因素对煤层瓦斯含量测值准确性影响较大。目前应用非常普遍的钻孔取屑法煤层瓦斯含量快速测试，取样定点性更差，取样时间长度准确性更低，测试误差大。区域防突措施验证和工作面(局部)突出危险性主要采用钻屑瓦斯解吸指标或钻孔瓦斯涌出初速度等指标进行测试判定。钻屑瓦斯解吸指标或钻孔瓦斯涌出初速度等钻孔指标主要在工作面浅孔退钻后测试。这些方法均存在测点少的缺点，对煤层瓦斯及突出危险性分布反映准确性差，易漏掉最大值。同时，这些方法的测试参数较少，不能全面反映突出危险性的各项指标。各种煤层力学特性测试方法也存在测点少、测试时间长、过程复杂等问题，未实现随钻测试。因此，目前无法测试随钻各地的煤层突出危险性。

如何能快速、高效、就地、随钻实时测试煤层突出危险性，是急需解决的方法和技术问题，应用需求及前景非常广泛，也是对煤层突出危险性测试方法的巨大革命。

技术实现要素：

技术问题：本发明是针对需求及现有技术中存在的问题，提供一种能够随钻、实时、就地测试煤层突出危险性的装置及方法，解决目前瓦斯参数测试点少、数据少，测试指标少，煤层瓦斯参数及突出危险性无法随钻、就地、实时测试，煤层突出危险性测试时间长、过程复杂等问题。

技术方案：本发明的煤层突出危险性随钻测试装置，包括舱体、压力传感器、温度传感器、包含振源和拾振器的波速测试模块、电磁传感器、声波传感器、封孔模块、流量测试模块、通讯接口、监测控制模块和带有充电接口且可快速拆卸与安装的电源舱，所述的电源舱为监测控制模块及与监测控制模块连接的各用电模块或传感器供电；所述的舱体为固定有多种传感器和模块、中空过水孔、过线孔、两头分别密封连接钻头和随钻测斜仪和第一钻杆的杆体；压力传感器、温度传感器、流量测试模块、波速测试模块、电磁传感器、声波传感器、电源舱、通讯接口分别与监测控制模块的相应接口连接。

所述的封孔模块包括包裹在舱体外缘的两个封孔胶囊、安装于中空水管前端、封孔时起截止作用的主水路开关和封孔胶囊水路开关；两个封孔胶囊中的一个封孔胶囊上安装有波速测试模块的振源，发射振动波，另一个封孔胶囊上安装有拾振器，接收振动波，通过振源和拾振器间的距离和信号时间差计算测点处煤体波速。

所述监测控制模块包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制cpu及监测控制电路；其中，传感器包括hd-lugb流量传感器、gwd90型温度传感器、gzy25w型压力传感器和gs18声发射传感器，各类传感器并联，独立运行，互不影响，通过各自本身的接口与监测控制模块的接口连接在一起，具有监测信号转换、触发数据采集、定时数据采集、数据分析和控制功能；

所述的流量测试模块包括气流孔和安装于气流孔内的气路开关和流量传感器。

所述的压力传感器、气流孔、温度传感器各至少为2个，声波传感器和电磁辐射传感器各为1个，均匀分布在舱体的四周。

实施上述煤层突出危险性随钻测试装置的测试方法，对瓦斯参数、岩性及煤层信息进行随钻自动测试，通过多参数随钻测试装置在煤层钻孔及停钻更换钻头期间实时自动监测孔底附近气体压力、温度、流量、煤体波速、电磁辐射、声波信号及其变化，分析计算测点处煤层初始解吸瓦斯量、煤层瓦斯压力、瓦斯含量、介质岩性与强度和煤体应力，分析判断煤层突出危险性；具体步骤如下

a.在煤层钻孔前，在舱体的前端安装钻头，后端安装第一钻杆,第一钻杆连接能够测量并记录钻头位置的随钻测斜仪，开启电源，钻头向钻孔内钻进，当监测声波信号识别出开始钻进后，实时记录水流流量qsi、压力pi、温度ti、电磁辐射ei和声波信号ai；

b.正常钻进时，舱体上的主水路开关处于开启状态，水从钻头流出，正常钻进和排屑；封孔模块动作由监测控制cpu控制；当监测到声波信号识别出停止钻进并退钻停止后，关闭主水路开关，开启封孔胶囊水路开关，高压水进入封孔胶囊，水压稳定且无流量时表明胶囊封孔完毕，停止供水，封孔胶囊水路开关关闭，封闭孔底测压室，钻孔煤壁涌出瓦斯使孔底测压室内压力pi不断升高；同时自动测试煤体波速，通过监测控制cpu控制，由振源产生振动波信号，由拾振器接收该振动波信号，实时计算并记录煤体波速vi；在此期间在钻机处更换添加钻杆；限定时间测压结束，开启气路开关，实时测定并记录瓦斯流量qwi；测试流量时间结束或流量小于某一设定值后，停止记录瓦斯流量qwi，关闭气路开关；开启封孔胶囊水路开关，封孔胶囊自动收缩排水，胶囊收缩到位后给水继续钻进；

c.钻进到设计位置后，停止钻进；瓦斯流量测试结束，且声波传感器较长时间接收不到钻进信号时，停止采集及监测各信号；

随钻测试装置得到了不同时间的温度、压力、水流流量、瓦斯流量、煤体波速、电磁辐射、声波各指标参数或波形数据；监测装置根据停钻期间测压室内瓦斯压力及变化、瓦斯涌出速度、温度及其变化规律等计算确定不同时间及不同位置处的煤层初始解吸瓦斯量、煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力；通过波速和电磁辐射信号，确定测点处的煤体应力；通过波速和声波信号特征确定介质岩性与硬度；通过煤体应力、煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、温度确定煤层突出危险性；

d.退出钻杆，取下随钻测试装置，进行数据通讯，通讯后，在计算机中，结合随钻测斜仪的位置数据，即可确定钻孔内不同位置处的煤层初始解吸瓦斯量、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、介质岩性、煤体波速、煤体应力和煤层突出危险性；

e.重复步骤a-d，进行下一钻孔的测试。

当高压水进入封孔胶囊期间将钻杆低速转动1-2圈，以便更好密封。

在进行下一个钻孔的测试之前，给电源充电，或更换电源模块。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能够随钻、实时、就地测试瓦斯及煤层参数及突出危险性，无需取样测试，避免了取样难及取样过程造成的测试误差；实现了多参数随钻、就地、实时测试煤层突出危险性，解决了煤层突出危险性测试点少、数据少，测试指标少，测试时间长、过程复杂等问题。其方法简单，操作方便，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的装置构成图；

图2是本发明的现场布置图。

图中：1-钻头；2-气流孔；3-流量传感器；4-气路开关；5-振源；6-拾振器；7-耐磨片；8-封孔胶囊水路开关；9-通讯接口；10-充电接口；11-电源仓；12-监测控制模块；13-过线孔；14-封孔胶囊；15-主水路开关；16-温度传感器；17-压力传感器；18-声波传感器；19-电磁传感器；20-舱体；21-测压室；22-钻孔；23-第一钻杆；24-随钻测斜仪。

注：气流孔2是指3、4通过的孔。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的煤层突出危险性随钻测试装置，主要由舱体20、压力传感器17、温度传感器16、包含振源5和拾振器6的波速测试模块、电磁传感器19、声波传感器18、封孔模块、流量测试模块、通讯接口9、监测控制模块12和带有充电接口且可快速拆卸与安装的电源舱11，所述的电源舱11为监测控制模块12及与监测控制模块连接的各用电模块或传感器供电；所述的舱体20为固定有多种传感器和模块、中空过水孔、过线孔、两头分别密封连接钻头1和随钻测斜仪24和第一钻杆23的杆体；压力传感器17、温度传感器16、流量测试模块、波速测试模块、电磁传感器19、声波传感器18、电源舱11、通讯接口9分别与监测控制模块的相应接口连接。

所述的封孔模块包括包裹在舱体20外缘的两个封孔胶囊14、安装于中空水管前端、封孔时起截止作用的主水路开关15和封孔胶囊水路开关8；两个封孔胶囊14中的一个封孔胶囊上安装有波速测试模块的振源5，发射振动波，另一个封孔胶囊上安装有拾振器6，接收振动波，通过振源5和拾振器6间的距离和信号时间差计算测点处煤体波速，如图2所示。

所述监测控制模块12包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制cpu及监测控制电路；其中，传感器包括hd-lugb流量传感器、gwd90型温度传感器、gzy25w型压力传感器和gs18声发射传感器，各类传感器并联，独立运行，互不影响，通过各自本身的接口与监测控制模块的接口连接在一起，具有监测信号转换、触发数据采集、定时数据采集、数据分析和控制功能；

所述的流量测试模块包括气流孔2和安装于气流孔内的气路开关4和流量传感器3。

所述的压力传感器17、气流孔2、温度传感器16各至少为2个，声波传感器18和电磁辐射传感器19各为1个，均匀分布在舱体20的四周。压力传感器的型号为gzy25w；温度传感器的型号为gwd90。

实施上述煤层突出危险性随钻测试装置的测试方法，对瓦斯参数、岩性及煤层信息进行随钻自动测试，通过多参数随钻测试装置在煤层钻孔及停钻更换钻头期间实时自动监测孔底附近气体压力、温度、流量、煤体波速、电磁辐射、声波信号及其变化，分析计算测点处煤层初始解吸瓦斯量、煤层瓦斯压力、瓦斯含量、介质岩性与强度和煤体应力，分析判断煤层突出危险性；具体步骤如下

a.在煤层钻孔前，在舱体20的前端安装钻头1，后端安装第一钻杆23，在第一钻杆23连接能够测量并记录钻头1位置的随钻测斜仪24，开启电源，钻头1向钻孔22内钻进，当声波传感器18监测声波信号识别出开始钻进后，实时记录水流流量qsi、压力pi、温度ti、电磁辐射ei和声波信号ai；随钻测试装置使用过程中，电源舱11为监测控制模块及与其连接的各用电模块或传感器供电；

b.正常钻进时，舱体20上的主水路开关15处于开启状态，水从钻头流出，正常钻进和排屑；封孔模块动作由监测控制cpu控制；当监测到声波信号识别出停止钻进并退钻停止后，关闭主水路开关15，开启封孔胶囊水路开关8，高压水进入封孔胶囊14，期间可将钻杆低速转动1-2圈，以便更好密封，水压稳定且无流量时表明胶囊14封孔完毕，停止供水，封孔胶囊水路开关8关闭，封闭孔底测压室21，钻孔22煤壁涌出瓦斯使孔底测压室21内压力pi不断升高；同时自动测试煤体波速，通过监测控制cpu控制，由振源5产生振动波信号，由拾振器6接收该振动波信号，实时计算并记录煤体波速vi；在此期间在钻机处更换添加钻杆23；限定时间测压结束，开启气路开关4，实时测定并记录瓦斯流量qwi；测试流量时间结束或流量小于某一设定值后，停止记录瓦斯流量qwi，关闭气路开关4；开启封孔胶囊水路开关8，封孔胶囊14自动收缩排水，胶囊14收缩到位后给水继续钻进；当高压水进入封孔胶囊14期间将钻杆低速转动1-2圈，以便更好密封。

c.钻进到设计位置后，停止钻进；瓦斯流量测试结束，且声波传感器18较长时间接收不到钻进信号时，停止采集及监测各信号；

随钻测试装置得到了不同时间的温度、压力、水流流量、瓦斯流量、煤体波速、电磁辐射、声波各指标参数或波形数据；监测装置根据停钻期间测压室内瓦斯压力及变化、瓦斯涌出速度、温度及其变化规律等计算确定不同时间及不同位置处的煤层初始解吸瓦斯量、煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力；通过波速和电磁辐射信号，确定测点处的煤体应力；通过波速和声波信号特征确定介质岩性与硬度；通过煤体应力、煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、温度确定煤层突出危险性；

d.退出钻杆，取下随钻测试装置，进行数据通讯，通讯后，在计算机中，结合随钻测斜仪24的位置数据，即确定了钻孔22内不同位置处的煤层初始解吸瓦斯量、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、介质岩性、煤体波速、煤体应力和煤层突出危险性；

e.重复步骤a-d，进行下一钻孔的测试；在进行下一个钻孔的测试之前，给电源充电，或更换电源模块。