近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置及方法与流程

本发明属于煤矿，涉及一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置及方法。

背景技术：

1、瓦斯灾害是影响煤矿安全生产的重大灾害之一，要实现瓦斯灾害的防范与治理，需要开采前将赋存于煤层的瓦斯进行抽采，煤矿井下钻孔预抽本煤层瓦斯，是减少采掘过程中瓦斯涌出的重要技术，钻孔瓦斯抽采监测作为瓦斯抽采效果评价的重要手段，也起到了非常关键的作用。现阶段，煤矿井下瓦斯抽采监测系统只能布置在孔口或者群孔汇流管出气端，该监测方式只能反应单孔或者群孔的整体抽采效果。随着近水平定向长钻孔预抽瓦斯技术的推广与应用，钻孔深度不断增加，孔口的瓦斯抽采监测方式无法判断钻孔内各个区段的瓦斯抽采效果，现阶段孔口的瓦斯抽采监测方式无法反应大盘区超深孔中各个区段瓦斯抽采效果评价，而井下常用的瓦斯传感器多为电类传感器，将其放入瓦斯抽放孔中长时间监测存在安全隐患。传感器要实现孔内监测，多以拖拽方式入孔，针对长钻孔内高湿度多粉尘的环境，传感器入孔过程中常常会进水或被煤粉糊住，传感器如何保证以扩散的方式吸入瓦斯气体的同时做到防水防尘，现阶段还未有成熟的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置及方法，以解决现有瓦斯抽采监测方式无法判断钻孔内各个区段的瓦斯抽采效果，无法满足实际应用需求等问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，包括多个浓度压力传感单元、多个流速传感单元、孔口数据解调器、氮气气泵、孔口绞车、孔底锚抓及拖缆钢丝绳；所述浓度压力传感单元包括依次相接的光缆锁紧端、连接头i、光纤浓度传感器腔体、光纤压力传感器腔体、光纤熔接管、连接头ii和光缆锁紧端，还包括多根光纤浓度压力传感器纤芯和吹气管；所述流速传感单元包括铠装光缆结构及其内的一根光纤流速传感器纤芯和通气管；通气管与吹气管连通；

4、所述浓度压力传感单元和流速传感单元交替连接形成串联监测单元，多根光纤浓度压力传感器纤芯和一根光纤流速传感器纤芯并行贯穿串联监测单元；串联监测单元一端连接拖缆钢丝绳，拖缆钢丝绳绕过孔底锚抓与孔口绞车连接，串联监测单元另一端连接孔口数据解调器，孔口数据解调器发射光信号，同时接收返回的光信号，进行解调处理后，通过井下环网上传至地面监控室实现长钻孔远程监测；氮气气泵与串联监测单元内的通气管和吹气管连通。

5、本发明还包括如下技术特征：

6、具体的，所述光缆锁紧端能与流速传感单元连接，包括密封螺母、密封垫、光缆接头体、锥面体、压紧环和连接螺纹端；光缆接头体一端设置密封垫且其外套设密封螺母，光缆接头体另一端为连接螺纹端，光缆接头体内布设锥面体，在锥面体外套着压紧环以将流速传感单元的铠装光缆结构自带钢丝卡死。

7、具体的，所述连接头i和连接头ii结构相同，均包括管状本体、设在管状本体侧壁的紧固螺纹孔、灌胶口和o圈沟槽；连接头i一端连接光缆锁紧端的连接螺纹端，另一端连接光纤浓度传感器腔体一端；连接头ii一端连接另一个光缆锁紧端的连接螺纹端，另一端连接光纤熔接管。

8、具体的，所述光纤浓度传感器腔体包括浓度传感器腔体壳以及设在浓度传感器腔体壳内的浓度传感器、位于浓度传感器前后的前挡板和后挡板、浓度传感器尾纤和穿纤管；在浓度传感器腔体壳外周布置紧固孔。

9、具体的，所述浓度传感器腔体壳上均匀布设入气孔以吸入孔中瓦斯气体，入气孔处设有三层保护层以防水防尘，包括最外层的多层不锈钢烧结网、中层的不锈钢粉末冶金片和内层的高分子滤膜；

10、浓度传感器采用tdlas气室，气室两端对称布置透镜和反射镜，使返回光信号强度最大，耦合效率最高，返回的光信号再通过浓度传感器尾纤传输；通过连接头i的多根光纤浓度压力传感器纤芯和一根光纤流速传感器纤芯通入穿纤管内并穿过。

11、具体的，位于光纤浓度传感器腔体内的吹气管设有多个气孔以吹入氮气，使腔体内的水汽蒸发。

12、具体的，所述光纤压力传感器腔体包括压力传感器腔体壳以及设在压力传感器腔体壳内的压力传感器、压力传感器尾纤和挡板；

13、压力传感器采用光纤f-p腔，压力传感器的传感端面对应的压力传感器腔体壳四周均匀布置透气孔以与孔内环境保持相同压力，透气孔处设有三层保护层以防水防尘；压力传感器通过挡板进行固定。

14、具体的，光纤浓度传感器腔体和光纤压力传感器腔体之间通过m3螺纹连接，同时连接后的两端均用胶进行密封。

15、具体的，光纤熔接管为钢管，在光纤熔接管内，通过连接头ii的多根光纤浓度压力传感器纤芯中的两根光纤浓度压力传感器纤芯分别熔接浓度传感器尾纤和压力传感器尾纤，连接头ii内其他光纤浓度压力传感器纤芯和一根光纤流速传感器纤芯熔接穿纤管内对应的光纤浓度压力传感器纤芯和一根光纤流速传感器纤芯；吹气管与后端流速传感单元的通气管对插，并灌胶密封。

16、一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测方法，该方法通过所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置实现，包括以下步骤：

17、步骤1，地面组装好瓦斯抽采监测装置，孔口数据解调器连接调试，完成标定，氮气气泵连接通气，调整气压，保证每个浓度压力传感单元均能有效出气；

18、步骤2，井下孔中下入爬行器，爬至孔底释放孔底锚抓，拖缆钢丝绳绕至锚抓滑轮，两端由爬行器返回带至孔口；

19、步骤3，拖缆钢丝绳一端连接串联监测单元，另一端连接孔口绞车，通过孔口绞车将串联监测单元拖拽入孔；

20、步骤4，串联监测单元孔外端连接孔口数据解调器，上电开启测量模式，并在地面远程监测；

21、步骤5，当监测到某区段浓度压力传感单元无数据时，启动孔口绞车，调整孔内串联监测单元位置，并开启氮气气泵，通气一段时间直至浓度压力传感单元数据正常。

22、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

23、本发明利用光纤传感原理，可实现长钻孔内不同区段的瓦斯浓度、压力和流速准分布式无源监测。通过孔内传感部分结构设计和通气管设计，可有效防水防尘。

24、本发明通过串联交替布置光纤浓度压力传感单元和光纤流速传感单元，实现近水平定向长钻孔中不同区段的准分布式无源多参数瓦斯抽采监测，进而可判断长钻孔中各个区段的瓦斯抽采效果。

25、本发明通过在瓦斯抽采监测装置内部布置通气管，外部布置三层保护结构，保证孔内瓦斯气体扩散的同时起到有效防水防尘的目的。

技术特征：

1.一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，包括多个浓度压力传感单元(1)、多个流速传感单元(2)、孔口数据解调器(3)、氮气气泵(4)、孔口绞车(5)、孔底锚抓(6)及拖缆钢丝绳(7)；所述浓度压力传感单元(1)包括依次相接的光缆锁紧端(11)、连接头i(12)、光纤浓度传感器腔体(13)、光纤压力传感器腔体(14)、光纤熔接管(15)、连接头ii(16)和光缆锁紧端(11)，还包括多根光纤浓度压力传感器纤芯(17)和吹气管(18)；所述流速传感单元(2)包括铠装光缆结构(21)及其内的一根光纤流速传感器纤芯(22)和通气管(23)；通气管(23)与吹气管(18)连通；

2.如权利要求1所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，所述光缆锁紧端(11)能与流速传感单元(2)连接，包括密封螺母(111)、密封垫(112)、光缆接头体(113)、锥面体(114)、压紧环(115)和连接螺纹端(116)；光缆接头体(113)一端设置密封垫(112)且其外套设密封螺母(111)，光缆接头体(113)另一端为连接螺纹端(116)，光缆接头体(113)内布设锥面体(114)，在锥面体(114)外套着压紧环(115)以将流速传感单元(2)的铠装光缆结构(21)自带钢丝卡死。

3.如权利要求2所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，所述连接头i(12)和连接头ii(16)结构相同，均包括管状本体(121)、设在管状本体(121)侧壁的紧固螺纹孔、灌胶口(122)和o圈沟槽；连接头i(12)一端连接光缆锁紧端(11)的连接螺纹端(116)，另一端连接光纤浓度传感器腔体(13)一端；连接头ii(16)一端连接另一个光缆锁紧端(11)的连接螺纹端(116)，另一端连接光纤熔接管(15)。

4.如权利要求1所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，所述光纤浓度传感器腔体(13)包括浓度传感器腔体壳(131)以及设在浓度传感器腔体壳(131)内的浓度传感器(132)、位于浓度传感器(132)前后的前挡板(133)和后挡板(134)、浓度传感器尾纤(136)和穿纤管(137)；在浓度传感器腔体壳(131)外周布置紧固孔。

5.如权利要求4所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，所述浓度传感器腔体壳(131)上均匀布设入气孔以吸入孔中瓦斯气体，入气孔处设有三层保护层以防水防尘，包括最外层的多层不锈钢烧结网、中层的不锈钢粉末冶金片和内层的高分子滤膜；

6.如权利要求4所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，位于光纤浓度传感器腔体内(13)的吹气管(18)设有多个气孔以吹入氮气，使腔体内的水汽蒸发。

7.如权利要求4所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，所述光纤压力传感器腔体(14)包括压力传感器腔体壳(141)以及设在压力传感器腔体壳(141)内的压力传感器(142)、压力传感器尾纤(143)和挡板(144)；

8.如权利要求1所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，光纤浓度传感器腔体(13)和光纤压力传感器腔体(14)之间通过m3螺纹连接，同时连接后的两端均用胶进行密封。

9.如权利要求7所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置，其特征在于，光纤熔接管(15)为钢管，在光纤熔接管(15)内，通过连接头ii(16)的多根光纤浓度压力传感器纤芯(17)中的两根光纤浓度压力传感器纤芯(17)分别熔接浓度传感器尾纤(136)和压力传感器尾纤(143)，连接头ii(16)内其他光纤浓度压力传感器纤芯(17)和一根光纤流速传感器纤芯(22)熔接穿纤管(137)内对应的光纤浓度压力传感器纤芯(17)和一根光纤流速传感器纤芯(22)；吹气管(18)与后端流速传感单元(2)的通气管(23)对插，并灌胶密封。

10.一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测方法，其特征在于，该方法通过权利要求1至9任一权利要求所述的近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置实现，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种近水平定向长钻孔瓦斯抽采监测装置及方法，通过串联交替布置光纤浓度压力传感单元和光纤流速传感单元，分别基于TDLAS光谱吸收原理、多光束干涉原理和分布式声波传感原理，实现长钻孔中不同区段的准分布式无源瓦斯抽采监测，通过井下环网将监测数据上传至地面监控，实现长时间远程监测目的；通过布置通气管，由孔口向孔中浓度传感器内部通入安全气体，帮助加速传感器内部水汽蒸发，防止传感器入孔过程中进水而造成无法测量；在瓦斯抽采监测装置入气孔外部布置三层保护结构，保证瓦斯气体扩散的情况下起到有效防水防尘目的。本发明能实现长钻孔内不同区段的瓦斯浓度、压力和流速准分布式无源监测。

技术研发人员：丛琳,王云宏,鲁晶津,崔伟雄,段建华,闫文超,王冰纯,袁博
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15