一种基于定向钻机的瓦斯压力测定装置及方法

1.本发明涉及一种瓦斯压力测定装置及方法，尤其是一种基于定向钻机的瓦斯压力测定装置及方法，属于煤田瓦斯地质、瓦斯或煤层气抽采及煤矿安全领域。


背景技术：

2.在煤、气田地质勘探、煤层气瓦斯抽采、煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定、煤矿瓦斯灾害防治等诸多工作中，不可避免地遇到瓦斯基础参数测试问题。瓦斯压力是最关键、最重要的瓦斯基础参数之一，主要参照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》（aq/t 1047-2007）测定。
3.现行瓦斯压力测定方法，在完成封孔之后，需要断开定向钻机和瓦斯压力测定装置的连接，将定向钻机退出，瓦斯压力测定装置留在测定位置，连续监测测压气室的瓦斯压力，测定装置无法回收重复利用，测定一个点的瓦斯压力，需要投入一套瓦斯压力测定装置。并且打一个钻孔，只能测定一个压力数据，测压周期长，测定工艺复杂，成本高，效率低，企业无法接受。
4.而且现行的瓦斯压力测定装置在远距离、煤岩体内、复杂施工环境下，无论有线传输还是无线传输，数据传输的难度很大，需要额外提供监测监控模块和带有充电接口且快速拆卸与安装的电源舱，以及数据储存器、温度传感器、声发射传感器等各类传感器和模块接口，操作繁复不便而且成本高。测定完成、数据进行储存后，不能实现远程传输，需要退钻之后进行数据通讯，读取瓦斯参数。
5.因此，如何高效便捷的进行多点测定，实现测定装置重复利用，并且能够远程简便的实时传输测定数据将具有重大意义。


技术实现要素：

6.针对现有瓦斯压力测定装置无法回收重复利用，并且打一个钻孔，只能测定一个压力数据，测压周期长，测定工艺复杂，数据传输的难度大，操作繁复不便，不能实现远程传输，需要退钻之后进行数据通讯等问题，本发明提供了一种基于定向钻机的瓦斯压力测定装置及方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种基于定向钻机的瓦斯压力测定装置，该装置包括定向钻机、封孔模块、气体填充模块、测压模块和电路通讯模块；所述封孔模块包括中空圆柱体测管和环绕固定在测管外壁的封孔胶囊以及位于测管内的液控阀，所述液控阀控制封孔胶囊的充、排气；所述封孔胶囊充气后，其远离定向钻机的一端与所述实体柱塞远离定向钻机的一端以及钻孔煤壁形成测压气室；所述测压模块包括中空圆柱体测管、实体柱塞、测压装置、内置传感器柱塞和气体网罩，所述实体柱塞与所述测管内壁紧密配合且能够沿所述测管内壁滑动，所述测压装置和所述内置传感器柱塞内嵌于所述实体柱塞中，所述测压模块一端设有气体网罩，所述测
压装置设有电源端子和输出端子；所述封孔模块和测压模块连接为一体；所述气体填充模块包括气压泵、第一气体通路和第二气体通路，所述第一气体通路位于瓦斯压力测定装置内部并与所述液压阀相连接，用于向封孔胶囊充气；所述第二气体通路位于所述封孔胶囊和所述钻孔煤壁之间，用于向钻孔底部充气；所述定向钻机用于瓦斯压力测定前定向钻孔，包括主机、主机电缆、孔口监视器、中心通缆和通缆钻杆；所述中心通缆设置于通缆钻杆内，所述主机通过主机电缆与孔口监视器连接，所述主机电缆为孔口监视器供电；所述通缆钻杆的前端安装封孔模块和测压模块；所述电路通讯模块包括主机电缆、孔口监视器电路、中心通缆及测压装置电路；中心通缆的一端连接主机，另一端连接压力传感器，主机通过中心通缆的导线与测压装置电路的电源端子连接，主机通过中心通缆的通信线缆与测压装置电路的输出端子连接；所述主机通过孔口监视器电路向所述测压装置电路传递指令，通过所述中心通缆供给电力。
8.所述定向钻机既为测压模块提供电路支持，又用于瓦斯压力测定前定向钻孔，定向钻机还包括钻头、孔底马达、下无磁钻杆、测定探管和上无磁钻杆；所述上无磁钻杆一端与通缆钻杆连接，另一端顺次连接测定探管和下无磁钻杆，下无磁钻杆的端部安装孔底马达和钻头，所述测定探管通过中心通缆连接主机。
9.进一步的，所述的中心通缆包括芯管和设置于芯管中的导线以及rs485通信线缆，所述导线用于供电，rs485通信线缆用于实现数据传输；所述芯管采用分段式结构，芯管的一端设置芯管公接头、另一端设置芯管母接头，两段芯管分别通过芯管公接头与芯管母接头连接；所述封孔模块与所述通缆钻杆的连接处，以及所述测压模块和所述封孔模块的连接处，芯管相应连接。
10.进一步的，所述测压装置电路包括本安电源电路模块、由mcu芯片构成的mcu最小系统、瓦斯压力传感器、时钟电路、数据存储电路、信号放大电路和rs485通信电路；所述的本安电源电路模块由中心通缆供给电力，本安电源电路把电力转换为各个模块需要的电压等级、本质安全型的电源，分别提供给供mcu最小系统、瓦斯压力传感器、时钟电路、数据存储电路、信号放大电路和rs485通信电路；所述瓦斯压力传感器用于采集瓦斯压力数据；所述时钟电路负责给mcu最小系统提供时间，以便记录完整测量数据；所述数据存储电路负责存储测量数据和记录设备工作日志；所述rs485通信电路通过中心通缆的rs485通信线缆实现测压装置和主机、孔口监视器的通信连接，接受主机、孔口监视器指令，上传测量数据；所述的mcu最小系统接收到孔口监视器rs485通信指令后，打开瓦斯压力传感器和信号放大电路，并等待压力平衡，通过信号放大电路读取瓦斯压力测量值，记录数据，并通过rs485通信电路上报测量数据；然后等待孔口监视器收到测量数据后的下一步指令；若主机、孔口监视器认为测量结束，发送“测量结束”指令给测压装置，测压装置的mcu最小系统收到指令后关闭瓦斯压力传感器和信号放大电路，结束一个测量周期。
11.进一步的，.所述孔口监视器电路，包括电源电路、由高级嵌入式mcu芯片构成的mcu最小系统、数据存储电路、声光报警电路、按键电路、lcd显示器电路和rs485通信电路；所述的mcu最小系统包括时钟电路和图形处理器；所述主机通过所述rs485通信电路向所述孔口监视器电路结构传递指令，所述孔口监视器电路结构通过所述rs485通信电路向所述测压装置电路结构传递指令；所述的本安电源电路模块由主机电缆供给电力，传输给孔口
监视器，本安电源电路把电力转换为各个模块需要的电压等级、本质安全型的电源，供mcu最小系统、数据存储电路、声光报警电路、按键电路、lcd显示器电路和rs485通信电路使用；所述的数据存储电路负责存储测量数据和记录设备工作日志；所述的rs485通信电路通过中心通缆的rs485线缆实现测压装置和孔口监视器的通信连接，同时也实现与钻机主机连接；所述的孔口监视器接受主机、键盘电路的指令下达给测压装置并接受测压装置返回的测量数据，并且将数据在lcd显示器上显示；若碰到测量数据异常通过声光报警电路进行报警，并通过rs485通信电路向主机报告。
12.进一步的，所述的测管以及通缆钻杆设有螺纹连接头，两者通过螺纹连接；所述封孔模块与测压模块螺纹连接。
13.进一步的，所述测压装置和所述内置传感器柱塞为圆柱体，所述内置传感器柱塞与所述测压装置同轴，所述内置传感器柱塞的外径小于所述测压装置的外径且突出于所述测压装置底端形成凸台。
14.进一步的，所述定向钻机为千米定向钻机。
15.一种基于定向钻机的瓦斯压力测定方法，包括如下步骤：步骤一，使用定向钻机钻出合适的定向长钻孔至预定测压点；步骤二，钻孔作业完成后，冲洗钻孔，抽干钻孔内积水，退出钻杆，卸下钻头、孔底马达、下无磁钻杆、测定探管和上无磁钻杆，安装上所述的瓦斯压力测定装置，所述瓦斯压力测定装置与所述定向钻机螺纹连接，所述瓦斯压力测定装置随定向钻机送入钻孔，测压模块距所述钻孔的孔底距离为5-10m；步骤三，预估孔底煤层瓦斯压力，按预估孔底煤层瓦斯压力值的50%计算得出补偿气体压力p1，所述气压泵通过所述第二气体通路向钻孔注气，注气完成后保压，压力为p1；步骤四，开启所述液控阀，所述气压泵通过所述第一气体通路向所述封孔胶囊注气，注气压力为p2，注气压力p2范围为3.5~4mpa，所述注气压力p2保持稳定时，封孔完成；步骤五，主机通过rs485通信电路给孔口监视器下达“开始测压”指令，测压装置通过mcu系统电路接收孔口监视器rs485通信指令后，打开瓦斯压力传感器和信号放大电路；步骤六，孔底瓦斯气体通过所述气体网罩进入所述瓦斯压力传感器，当瓦斯压力值稳定时，所述测压装置通过信号放大电路读取瓦斯压力测定值p，并通过rs485通信电路上报测定数据至孔口监视器，记录测定值p，所述测定值p即为该测点处的煤层瓦斯压力值；步骤七，测定结束，主机、孔口监视器通过rs485通信电路向测压装置发送“测定结束”指令，测压装置的mcu系统电路收到指令后关闭瓦斯压力传感器和信号放大电路，结束一个测定周期，关闭气源，所述封孔胶囊泄压回缩至常规状态后，退出钻杆；步骤八，重复步骤一~步骤七，测定其他测点瓦斯压力。
16.有益效果 ：本发明提供的测压方法和装置，结合千米定向钻机，能够打破传统钻机钻具钻进距离不足50m的性能限制，以及长距离测定钻孔孔底瓦斯压力时的工程难度大、封孔工艺复杂、信号传输困难等问题，千米定向钻机和传感测压技术相结合，充分发挥了定向千米钻机钻孔距离远、钻孔轨迹可控的优势，并通过传感测压装置，能够完成打钻、冲孔、测压的过程，弥补了传统瓦斯压力测定方法距离短、测压位置受限、反复扫孔、封孔困难等不足，具有测定距离远、钻孔密封性好、可多点测定、操作流程简单等优势，在本技术领域内具有广泛的应用性。
17.（1）所述瓦斯压力测定装置壳体内部的压力传感器具有可替代器件，可以使用能够实现同样目的其他型号器件所替代，这类器件应用比较广泛；（2）测压装置的各元器件集成内嵌到壳体内部，安装方式及安装结构具有可替代性。
附图说明
18.图1是本发明的封孔之前瓦斯压力测定装置示意图。
19.图2是本发明的封孔之后瓦斯参数测定装置示意图。
20.图3是本发明的测压装置电路硬件结构示意图。
21.图4是本发明的孔口监视器硬件电路结构示意图。
22.图中：1-封孔胶囊；2-第一内螺纹；3-测管外壁；4-液控阀；5-第一气体通路；6-钻孔煤壁；7-第二内螺纹；8-压力传感器；9-内置传感器柱塞；10-第一芯管公接头；11-第一芯管母接头；12-第二气体通路；13-芯管；14-导线；15-第二芯管公接头；16-第二芯管母接头；17-实体柱塞；18-测压气室；19-气体网罩。
具体实施方式
23.结合图1、图2、图3和图4的实施例对本发明的一种基于定向钻机的瓦斯压力测定装置作进一步描述：如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种基于定向钻机的瓦斯压力测定装置，包括定向钻机、封孔模块、气体填充模块、测压模块和电路通讯模块。
24.所述定向钻机包括主机、主机电缆、孔口监视器、中心通缆、钻头、孔底马达、孔底马达、下无磁钻杆、测定探管和上无磁钻杆。所述中心通缆设置于通缆钻杆内，所述上无磁钻杆一端与通缆钻杆连接，另一端顺次连接测定探管和下无磁钻杆，下无磁钻杆的端部安装孔底马达和钻头，所述测定探管通过中心通缆连接主机，主机与孔口监视器连接，主机通电后，所述主机电缆为孔口监视器供电；所述通缆钻杆的前端安装封孔模块和测压模块。
25.所述封孔模块为中空圆柱体，包括环绕测管外壁的封孔胶囊1和位于测管内壁的液控阀4，所述封孔模块内壁两端分别设有第一内螺纹2和第二内螺纹7。
26.所述测压模块为中空圆柱体，包括与所述测管内壁紧密配合的实体柱塞17、测压装置8、内置传感器柱塞9和气体网罩19，所述实体柱塞17与所述测管内壁紧密配合且可延所述测管内壁滑动，所述测压装置8和所述内置传感器柱塞9居中内嵌于所述实体柱塞17中，所述测压装置8和所述内置传感器柱塞9为圆柱体，所述内置传感器柱塞9与所述测压装置8同轴，所述内置传感器柱塞9的外径小于所述测压装置8的外径且突出于所述测压装置8底端形成凸台，所述测压模块一端设有与所述第二内螺纹7配合的螺纹连接，所述测压模块的另一端设有所述气体网罩19，所述测压装置8设有电源端子8-1和输出端子8-2，所述电源端子8-1为“电源+”，所述输出端子8-2为“输出+”。
27.所述封孔胶囊1处于充气状态并与钻孔煤壁6紧密贴合后，所述封孔胶囊1远离定向钻机的一端底部与所述实体柱塞17远离定向钻机的一端底部和所述钻孔煤壁形成测压气室18。
28.所述气体填充模块包括气压泵、第一气体通路5和第二气体通路12。
29.所述电路通讯模块包括主机电缆、孔口监视器电路、中心通缆及测压装置电路；中心通缆的一端连接主机，另一端连接压力传感器，主机通过中心通缆的导线与测压装置电路的电源端子连接，主机通过中心通缆的通信线缆与测压装置电路的输出端子连接；所述主机通过孔口监视器电路向所述测压装置电路传递指令，通过所述中心通缆供给电力。
30.所述中心通缆包括芯管13、第一芯管公接头10、第一芯管母接头11、第二芯管公接头15、第二芯管母接头16和位于芯管13内部的导线14以及rs485通信线缆，所述芯管13居中贯穿所述测管，所述导线14与所述测压装置8的电源端子8-1和输出端子8-2相连，所述第一芯管公接头10和第一芯管母接头11在所述第一内螺纹2处连接，所述第二芯管公接头15和第二芯管母接头16在所述内第二螺纹内7处连接。所述导线14用于供电，rs485通信线缆用于实现数据传输。
31.所述测压装置电路包括本安电源电路模块、由mcu芯片构成的mcu最小系统、瓦斯压力传感器、时钟电路、数据存储电路、信号放大电路和rs485通信电路；所述的本安电源电路模块由中心通缆供给电力，本安电源电路把电力转换为各个模块需要的电压等级、本质安全型的电源，分别提供给供mcu最小系统、瓦斯压力传感器、时钟电路、数据存储电路、信号放大电路和rs485通信电路，电路设有过压、过流、欠压监测信号，提供给mcu核心电路，以保证安全可靠；所述瓦斯压力传感器用于采集瓦斯压力数据；所述时钟电路负责给mcu最小系统提供时间，以便记录完整测量数据；所述数据存储电路负责存储测量数据和记录设备工作日志；所述rs485通信电路通过中心通缆的rs485通信线缆实现测压装置和主机、孔口监视器的通信连接，接受主机、孔口监视器指令，上传测量数据；所述的mcu最小系统接收到孔口监视器rs485通信指令后，打开瓦斯压力传感器和信号放大电路，并等待压力平衡，通过信号放大电路读取瓦斯压力测量值，记录数据，并通过rs485通信电路上报测量数据；然后等待孔口监视器收到测量数据后的下一步指令；若主机、孔口监视器认为测量结束，发送“测量结束”指令给测压装置，测压装置的mcu最小系统收到指令后关闭瓦斯压力传感器和信号放大电路，结束一个测量周期。
32.所述孔口监视器电路，包括电源电路、由高级嵌入式mcu芯片构成的mcu最小系统、数据存储电路、声光报警电路、按键电路、lcd显示器电路和rs485通信电路；所述的mcu最小系统包括时钟电路和图形处理器；所述主机通过所述rs485通信电路向所述孔口监视器电路结构传递指令，所述孔口监视器电路结构通过所述rs485通信电路向所述测压装置电路结构传递指令；所述的本安电源电路模块由主机电缆供给电力，传输给孔口监视器，本安电源电路把电力转换为各个模块需要的电压等级、本质安全型的电源，供mcu最小系统、数据存储电路、声光报警电路、按键电路、lcd显示器电路和rs485通信电路使用，电路设有过压、过流、欠压监测信号，提供给mcu核心电路，以保证安全可靠；所述的数据存储电路负责存储测量数据和记录设备工作日志；所述的rs485通信电路通过中心通缆的rs485线缆实现测压装置和孔口监视器的通信连接，同时也实现与钻机主机连接；所述的孔口监视器接受主机、键盘电路的指令下达给测压装置并接受测压装置返回的测量数据，并且将数据在lcd显示器上显示；若碰到测量数据异常通过声光报警电路进行报警，并通过rs485通信电路向主机报告。
33.孔口监视器包括上述与测压装置、测定探管配合的基本功能在内的其余数据存储、处理、显示、人机键盘（触摸屏）接口等各项功能，集成为一个软件系统，通常采用小型实
时操作系统开发实现通信、显示、人机交互、数据报表等功能。
34.电路部分协作方式是：压力传感器的电气连接方式是“二线制”，二线制的两个端子分别为“电源+”和“输出+”，而千米钻机通缆钻杆的芯管内部只有一根导线，所以千米定向钻机和瓦斯压力传感器之间的协作方式是将通缆钻杆芯管内部的导线分别和瓦斯压力传感器的两个端子相连接，导线为压力传感器提供电能的同时进行数据传输。
35.一种基于定向钻机的瓦斯压力测定方法，包括如下步骤：步骤一，使用定向钻机钻出合适的定向长钻孔至预定测压点；步骤二，钻孔作业完成后，冲洗钻孔，抽干钻孔内积水，退出钻杆，卸下钻头、孔底马达、下无磁钻杆、测定探管、上无磁钻杆，安装上本发明所述的瓦斯压力测定装置，所述瓦斯压力测定装置与所述定向钻机螺纹连接，所述瓦斯压力测定装置随定向钻机送入钻孔，所述测压模块距所述钻孔的孔底距离为5-10m；步骤三，预估孔底煤层瓦斯压力，按预估孔底煤层瓦斯压力值的50%计算得出补偿气体压力p1，所述气压泵通过所述第二气体通路12向钻孔注气，注气完成后保压，压力为p1；步骤四，开启所述液控阀4，所述气压泵通过所述第一气体通路5向所述封孔胶囊1注气，注气压力为p2，所述注气压力p2范围3.5~4mpa，所述注气压力p2保持稳定时，封孔完成；步骤五，主机通过rs485通信电路给孔口监视器下达“开始测压”指令，测压装置通过mcu系统电路接收孔口监视器rs485通信指令后，打开瓦斯压力传感器和信号放大电路；步骤六，孔底瓦斯气体通过所述气体网罩19进入所述瓦斯压力传感器，当瓦斯压力值稳定时，所述测压装置通过信号放大电路读取瓦斯压力测定值p，并通过rs485通信电路上报测定数据至孔口监视器，记录测定值p，所述测定值p即为该测点处的煤层瓦斯压力值；步骤七，测定结束，主机/孔口监视器通过rs485通信电路向测压装置发送“测定结束”指令，测压装置的mcu系统电路收到指令后关闭瓦斯压力传感器和信号放大电路，结束一个测定周期，关闭气源，所述封孔胶囊1泄压回缩至常规状态后，退出钻杆；步骤八，重复步骤一~步骤七，测定其他测点瓦斯压力。