一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置及其预测方法与流程

本发明属于煤矿安全领域，涉及一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置及其预测方法。

背景技术：

煤与瓦斯突出事故是生产矿井所面临的主要灾害之一，给煤矿企业所带来的损失及影响是巨大的，有效防治煤与瓦斯突出事故一直是突出矿井的任务重点与技术难点。由于突出诱因众多、突出机理复杂，目前主要是采用“参数测定钻孔施工—煤样采集—参数测定”方式来计算预测指标数值并实现煤与瓦斯突出危险性的预测。但随着矿井采深逐年增加、地质情况复杂程度加剧、瓦斯含量与瓦斯压力规律性变化不明显，且煤样采集过程中煤屑初始破碎时瓦斯损失量无法收集，煤体暴露至煤样采集完成期间的瓦斯解吸规律模型精度、预测指标临界值适用性以及指标敏感性都是当前预测方法所需解决的问题，同时传统煤与瓦斯突出预测方法需要提前打钻、煤样采集等工序，测定过程较为繁琐、需专业技术人员跟班测定，且占用一定生产时间，不满足煤矿行业新时代的自动化、智能化发展方向，因此为了实现矿井高效生产，煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置及方法迫切需要，可实现钻进过程的突出危险性一体式预测，简化预测环节，降低人员投入及人力成本，为突出预测的自动化、智能化奠定基础。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为了解决现阶段工作面突出危险性无法实现随钻实时预测的难题，提供一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置及其预测方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置，依次包括可拆卸固定连接的中空钻头、孔底封堵机构、双臂钻杆和气流导向机构，气流导向机构上管道连接有参数测定机构；钻头顶端开设有出风口；

孔底封堵机构包括外管和固定安装在外管前端内壁上的内管，内管的空腔为第一通气孔，内管长度小于外管，内管后侧的外管上开设有膨胀孔，膨胀孔处的外管外壁上固定安装有膨胀胶囊，内管前侧的外管上开设有第二通气孔，第二通气孔前侧的外管内固定安装有螺纹连接有旋转螺丝的挡板，旋转螺丝上套设有压缩弹簧，旋转螺丝末端固定安装有用于自由封堵第一通气孔的堵孔片；

气流导向机构远离钻头的一侧固定安装有气流导向阀门和送风尾辫接口；

与双臂钻杆内腔连通的气流导向机构为中心管，与双臂钻杆环形腔连通的气流导向机构为环形空间，参数测定机构与中心管连通，环形空间上连接有压力表。

本基础方案的有益效果在于：孔底封堵机构中堵孔片固定在压缩弹簧一端，压缩弹簧另一端与旋转螺丝进行连接，旋转螺丝通过螺纹固定在内外管之间形成弹性结构。通过转动旋转螺丝可带动压缩弹簧压缩与伸张，从而改变压缩弹簧弹性；旋转螺丝旋拧程度根据煤矿井下工作面风压进行调整，以满足在一定压力后使压缩弹簧完成压缩动作，连通第一通气孔。

进一步，气流导向机构还包括与双臂钻杆螺纹连接的钻杆连接杆件，与内侧双臂钻杆连接的钻杆连接杆件上开设有带中心管气流接口开关的中心管气流接口，与外侧双臂钻杆连接的钻杆连接杆件上开设有带环形空间气流接口开关的环形空间气流接口。

进一步，参数测定机构与中心管通过橡胶管连通，参数测定机构还包括壳体、安装在壳体上的进气口和出气口以及设置于壳体内部的瓦斯浓度传感器、计时器、数据处理器、显示屏、供电电池组。

进一步，气流导向阀门包括相对旋转的导向圆盘b和导向圆盘c，导向圆盘b和导向圆盘c沿圆心角均匀相间分隔为若干扇形区，每个扇形区与中心管相对的挡块为扇形块，与环形空间相对的挡块为弧形块，导向圆盘b上扇形块与弧形块相错布置，导向圆盘c上扇形块与弧形块相对布置。有益效果：通过旋转气流导向阀门上的导向圆盘b和导向圆盘c，可以控制风流从环形空间独立进入钻杆或者控制风流从中心管独立进入钻杆。

进一步，膨胀孔处的外管外壁上开设有凹槽，膨胀胶囊采用内凹的方式卡在凹槽内。有益效果：膨胀胶囊采用内凹的方式卡在凹槽内能够起到保护膨胀胶囊的效果，防止孔底煤屑沿装置外壁与孔壁间隙输送时不会破坏到膨胀胶囊。

进一步，钻头的尾端设置有2层螺纹与孔底封堵机构螺纹连接。有益效果：增强钻头与孔底封堵机构的连接稳定性。

一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置的预测方法，该方法基于上述煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置进行，具体包括以下步骤：

s1、根据井下风压大小调节旋转螺丝，保证膨胀胶囊充分膨胀后可以打开第一通气孔，即是膨胀胶囊完全膨胀的压力为p1，风压使第一通气孔打开的压力为p2，须满足p2＞p1；

s2、采用螺纹连接方式依次连接好钻头、孔底封堵机构、双臂钻杆以及气流导向机构，并在气流导向机构尾端的送风尾辫接口接上送风尾辫，关闭气流导向机构的接口开关，同时调节气流导向阀门保证压风只经双臂钻杆中心管以及孔底封堵机构内管运送至孔底，开始正常钻进，孔底煤屑由装置外壁与孔壁间隙输送至孔外；

s3、钻进至指定位置后，停止钻进并继续供风3min，以吹净进孔内煤屑杂质；接着继续向前钻进1m停止钻进，并立即打开气流导向机构接口开关并连接上参数测定机构，同时调节气流导向阀门以控制风压只经双臂钻杆、孔底封堵机构环形空间达到孔底，给定恒定压力持续供风，供风压力不小于p1，膨胀胶囊完成膨胀动作后在持续风压作用下压缩弹簧受压力影响通气孔打开钻杆内形成回路，孔底新鲜暴露煤屑解吸的瓦斯随气流全部通过中心管流经参数测定机构；

s4、参数测定机构中瓦斯浓度传感器、计时器对风流中数据进行采集并接入数据处理器，然后利用预测算法进行计算，计算结果在显示屏上输出展示；

s5：完成测定过程之后，停止供风并断开参数测定机构与气流导向机构的连接，使随钻预测装置内完成卸压、膨胀胶囊与压缩弹簧复位，关闭气流导向机构的接口开关继续向前钻进，实现随钻预测。

进一步，步骤s4所采用预测算法为：

建立预测指标体系：y→[t1，t2，(1-x)/t2]

其中，y为预测指标体系；t1为测定过程中瓦斯浓度为100％的持续时间/s；t2为瓦斯浓度由100％降至稳定的持续时间/s；风流中瓦斯浓度稳定时浓度大小为x；

以随钻测定地点的瓦斯含量值及其临街值为标准，现场考察并确立预测指标t1、t2、(1-x)/t2的临界值，当3个指标都超过临界值时则判定有突出危险。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置，主要包括钻头、孔底封堵机构、双臂钻杆、气流导向机构和参数测定机构。钻头在正常钻进过程中，通过控制气流导向阀门使压风经双臂钻杆中心管、孔底封堵机构内管运送至孔底，然后将孔底煤屑由装置外壁与孔壁间隙输送至孔外，在钻进到指定位置后停止钻进并继续供风，以吹净进孔内煤屑杂质，接着向前钻进1m，接着连接好参数测定机构，同时操作气流导向阀门控制风压只经双臂钻杆、孔底封堵机构环形空间达到孔底，通过给定恒定的风压持续供风，先让膨胀胶囊膨胀完成孔底封堵机构与孔壁之间的密闭，压缩弹簧受持续风压影响，然后通气孔打开钻杆内形成回路，孔内瓦斯气流通过中心管流经参数测定机构，最后通过孔底新鲜暴露煤屑瓦斯浓度变化梯度、瓦斯浓度大小、时间关系建立煤与瓦斯突出随钻预测体系。整个预测装置结构紧凑合理，操作方便，动态性能好，准确度高，测定结果稳定可靠，测定结果能够如实反映连续钻进过程中沿程的瓦斯气体流量分布，具有广泛的实用性。

2、本发明所公开的煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置，能够实现钻进过程突出危险性随钻预测，简化现阶段突出预测流程，减小人员投入，提高生产效率，降低矿井生产成本，符合突出预测自动化、智能化的发展方向。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置的结构示意图；

图2为本发明煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置中孔底封堵机构的结构示意图；

图3为本发明图1沿a-a方向剖视图；

图4为本发明图1沿b-b方向剖视图；

图5为本发明图1沿c-c方向剖视图。

附图标记：钻头1、出风口1-1、孔底封堵机构2、膨胀胶囊2-1、膨胀孔2-2、第一通气孔2-3、第二通气孔2-4、堵孔片2-5、压缩弹簧2-6、旋转螺丝2-7、双臂钻杆3、气流导向机构4、钻杆连接杆件4-1、气流导向阀门4-2、送风尾辫接口4-3、中心管气流接口4-4、环形空间气流接口4-5、中心管气流接口开关4-6、环形空间气流接口开关4-7、参数测定机构5、壳体5-1、橡胶管5-2、压力表5-3、进气口5-4、出气口5-5。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1～5所示的一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置，依次包括螺纹连接的中空钻头1、孔底封堵机构2、双臂钻杆3和气流导向机构4，钻头1的尾端设置有2层螺纹与孔底封堵机构2螺纹连接。气流导向机构4上通过橡胶管5-2连接参数测定机构5。钻头1顶端开设有出风口1-1。

孔底封堵机构2包括外管和固定安装在外管前端内壁上的内管，内管的空腔为第一通气孔2-3，内管长度小于外管，内管后侧的外管上开设有膨胀孔2-2，膨胀孔2-2处的外管外壁上固定安装有膨胀胶囊2-1，内管前侧的外管上开设有第二通气孔2-4，第二通气孔2-4前侧的外管内固定安装有螺纹连接有旋转螺丝2-7的挡板，旋转螺丝2-7上套设有压缩弹簧2-6，旋转螺丝2-7末端固定安装有用于自由封堵第一通气孔2-3的堵孔片2-5；孔底封堵机构2中堵孔片2-5固定在压缩弹簧2-6一端，压缩弹簧2-6另一端与旋转螺丝2-7进行连接，旋转螺丝2-7通过螺纹固定在内外管之间形成弹性结构。通过转动旋转螺丝2-7可带动压缩弹簧2-6压缩与伸张，从而改变压缩弹簧2-6弹性；旋转螺丝2-7旋拧程度根据煤矿井下工作面风压进行调整，以满足在一定压力后使压缩弹簧2-6完成压缩动作，连通第一通气孔2-3。

气流导向机构4远离钻头1的一侧固定安装有气流导向阀门4-2和送风尾辫接口4-3；气流导向机构4还包括与双臂钻杆3螺纹连接的钻杆连接杆件4-1，与内侧双臂钻杆3连接的钻杆连接杆件4-1上开设有带中心管气流接口4-4开关的中心管气流接口4-4，与外侧双臂钻杆3连接的钻杆连接杆件4-1上开设有带环形空间气流接口4-5开关的环形空间气流接口4-5。

气流导向阀门4-2包括相对旋转的导向圆盘b和导向圆盘c，导向圆盘b和导向圆盘c沿圆心角均匀相间分隔为若干扇形区，每个扇形区与中心管相对的挡块为扇形块，与环形空间相对的挡块为弧形块，导向圆盘b上扇形块与弧形块相错布置，导向圆盘c上扇形块与弧形块相对布置。通过旋转气流导向阀门4-2上的导向圆盘b和导向圆盘c，可以控制风流从环形空间独立进入钻杆或者控制风流从中心管独立进入钻杆。

与双臂钻杆3内腔连通的气流导向机构4为中心管，与双臂钻杆3环形腔连通的气流导向机构4为环形空间，环形空间上连接压力表5-3。参数测定机构5与中心管通过橡胶管5-2连通，参数测定机构5还包括壳体5-1、安装在壳体5-1上的进气口5-4和出气口5-5以及设置于壳体5-1内部的瓦斯浓度传感器、计时器、数据处理器、显示屏、供电电池组。

一种煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置的预测方法，该方法基于上述煤与瓦斯突出危险性随钻预测装置进行，具体包括以下步骤：

s1、根据井下风压大小调节旋转螺丝2-7，保证膨胀胶囊2-1充分膨胀后可以打开第一通气孔2-3，即是膨胀胶囊2-1完全膨胀的压力为p1，风压使第一通气孔2-3打开的压力为p2，须满足p2＞p1；

s2、采用螺纹连接方式依次连接好钻头1、孔底封堵机构2、双臂钻杆3以及气流导向机构4，并在气流导向机构4尾端的送风尾辫接口4-3接上送风尾辫，关闭气流导向机构4的接口开关，同时调节气流导向阀门4-2保证压风只经双臂钻杆3中心管以及孔底封堵机构2内管运送至孔底，开始正常钻进，孔底煤屑由装置外壁与孔壁间隙输送至孔外；

s3、钻进至指定位置后，停止钻进并继续供风3min，以吹净进孔内煤屑杂质；接着继续向前钻进1m停止钻进，并立即打开气流导向机构4接口开关并连接上参数测定机构5，同时调节气流导向阀门4-2以控制风压只经双臂钻杆3、孔底封堵机构2环形空间达到孔底，给定恒定压力持续供风，供风压力不小于p1，膨胀胶囊2-1完成膨胀动作后在持续风压作用下压缩弹簧2-6受压力影响通气孔打开钻杆内形成回路，孔底新鲜暴露煤屑解吸的瓦斯随气流全部通过中心管流经参数测定机构5；

s4、参数测定机构5中瓦斯浓度传感器、计时器对风流中数据进行采集并接入数据处理器，然后利用预测算法进行计算，计算结果在显示屏上输出展示；

其中预测算法为：

建立预测指标体系：y→[t1，t2，(1-x)/t2]

其中，y为预测指标体系；t1为测定过程中瓦斯浓度为100％的持续时间/s；t2为瓦斯浓度由100％降至稳定的持续时间/s；风流中瓦斯浓度稳定时浓度大小为x；

以随钻测定地点的瓦斯含量值及其临街值为标准，现场考察并确立预测指标t1、t2、(1-x)/t2的临界值，当3个指标都超过临界值时则判定有突出危险。

s5：完成测定过程之后，停止供风并断开参数测定机构5与气流导向机构4的连接，使随钻预测装置内完成卸压、膨胀胶囊2-1与压缩弹簧2-6复位，关闭气流导向机构4的接口开关继续向前钻进，实现随钻预测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。