全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置及方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯灾害防治领域，特别涉及一种全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置及方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象，是煤矿井下生产的一种强大的自然灾害，严重威胁着煤矿的安全生产，具有极大的破坏性。

科学准确的煤与瓦斯突出预测，是指导煤与瓦斯突出防治措施合理有效地实施的前提和关键所在，因此，煤与瓦斯突出预测具有重大的现实意义。钻屑瓦斯解吸指标k1值和钻屑量近年来被广泛使用在预测煤与瓦斯突出危险性上。

围绕着怎么样快速而准确地测得煤层钻屑瓦斯解吸指标k1值和钻屑量，国内外的学者开展了一些列的研究，主要集中在：①快速取样装置及方法的研究；②钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量测定装置和方法。然而，现阶段井下测量k1值和钻屑量时，取样和测量分属两个不同的过程，且接样、筛分、装罐和测量等过程均由人工完成，测量自动化程度低，造成煤样暴露的时间长，瓦斯损失量大，导致测量数据与实际值之间偏差过大，影响了煤与瓦斯突出危险性的判定。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置及方法，通过钻取机构和测量机构采用一体化设计，自动完成接粉、装罐、称重等操作，且一个钻孔循环内自动测量五组瓦斯解吸指标k1值和五组钻屑量，减少人为对取样和测量的干预，缩短了测量时间，实现了随钻随取随测，降低了煤样在空气中的暴露时间，极大的提高了自动化程度和测量的准确性。

本发明的全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置，包括用于钻削取样的钻取机构以及用于测量瓦斯解吸指标和钻屑量的测量机构；

所述钻取机构包括用于采集煤样的钻杆、用于控制钻杆工作的钻机以及用于吸取钻杆所采集煤样的乘样器，所述钻杆一端设置有用于钻进并采集煤样的钻头，另一端设置有打钻尾辩，所述打钻尾辩通过输送管与乘样器连通；

所述测量机构包括用于收集乘样器中煤样的煤样筒、用于支撑煤样筒的第一支撑组件、转盘、用于支撑转盘的第二支撑组件以及测量主机，所述第一支撑组件包括第一转轴和用于驱动第一转轴绕其轴线转动的第一驱动电机，所述煤样筒和乘样器分别设置在第一转轴上，且煤样筒位于乘样器正下方，所述第二支撑组件包括与第一转轴平行的第二转轴和用于驱动第二转轴绕其轴线转动的第二驱动电机，所述转盘周向固定连接在第二转轴上且位于煤样筒下方，所述转盘上设有用于收集煤样筒中煤样的煤样孔、用于将煤样筒中煤样排出的出料孔以及用于对煤样筒中煤样进行称重的称重组件，所述煤样孔、出料孔、称重组件沿转盘圆周方向间隔设置，且所述出料孔位于煤样孔与称重组件之间，所述第二转轴上设置有用于对煤样孔进行封堵的压紧组件，所述压紧组件包括可沿第二转轴轴向单自由度滑动的上压紧缸和可沿第二转轴圆周方向单自由度转动的下压紧缸，所述转盘位于上压紧缸与下压紧缸之间，所述上压紧缸的上压紧活塞上设置有用于测量煤样孔中煤样的解吸指标的微压传感器，所述称重组件包括固定于转盘上的称重板和设置在称重板上用于测量煤样孔中煤样的重量的称重传感器，所述称重传感器和微压传感器分别与测量主机通信连接。

进一步，所述乘样器顶部一侧通过输送管与打钻尾辩连通，乘样器顶部另一侧与真空系统连接。

进一步，所述乘样器底部敞开形成煤样出口ⅰ，所述煤样筒顶部敞开形成煤样进口，煤样筒底部敞开形成煤样出口ⅱ，所述煤样进口位于煤样出口ⅰ正下方，且所述煤样进口的直径大于煤样出口ⅰ的直径。

进一步，所述乘样器通过乘样器安装架固定于第一转轴上，所述煤样筒通过煤样筒安装架固定于第一转轴上。

进一步，所述乘样器与煤样筒之间设置有振动筛，所述振动筛通过振动筛安装架与第一转轴连接，所述振动筛安装架以可沿第一转轴圆周方向单自由度转动的方式设置在第一转轴上。

进一步，所述第一转轴、第一驱动电机、第二转轴、第二驱动电机均设置于一底座上，所述第一转轴和第二转轴与底座相垂直。

进一步，所述上压紧缸通过上压紧缸安装架与第二转轴连接，所述上压紧缸安装架以可沿第二转轴轴向单自由度滑动的方式设置在第二转轴上，所述下压紧缸通过下压紧缸安装架与第二转轴连接，所述下压紧缸安装架以可沿第二转轴圆周方向单自由度转动的方式设置在第二转轴上。

进一步，所述称重传感器和微压传感器分别与测量主机无线通信连接。

本发明还公开了一种利用全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置进行测量的方法，包括以下步骤：

a.将转盘上的煤样孔、出料孔和称重组件均设置为五组，每组均为一个，各组煤样孔沿转盘圆周方向均布设置，各组出料孔沿转盘圆周方向均布设置，各组称重组件沿转盘圆周方向均布设置，所述煤样孔、出料孔、称重组件沿转盘圆周方向间隔设置，出料孔位于煤样孔与称重组件之间，且煤样孔与称重组件之间错位设置，所述煤样孔中心到转盘中心之间的连线与出料孔中心到转盘中心之间的连线的夹角、出料孔中心到转盘中心之间的连线与称重组件中心到转盘中心之间的连线的夹角均为18°，所述压紧组件为五组，各组压紧组件的位置分别与各组煤样孔的位置相对应；

b.在一个钻孔循环内，共测量五组钻屑瓦斯解吸指标k1值和五组钻屑量值，钻孔10米，其中钻进在1、3、5、7、9米时，利用微压传感器和测量主机测量瓦斯解吸指标k1值，钻进在2、4、6、8、10米时，利用称重组件的称重传感器和测量主机测量钻屑量。

进一步，步骤b中，测量瓦斯解吸指标k1值时，将第一组压紧组件的下压紧缸转动到第一组煤样孔下端，并通过第一组压紧组件的下压紧缸的下压紧活塞堵住第一组煤样孔，将乘样器与真空系统相连，振动筛转动到煤样筒与乘样器之间，此时钻杆开始工作，煤样经乘样器吸取后落到振动筛上，经振动筛进行筛选后，直径在1mm以下的煤样落入煤样筒，煤样筒中的煤样进入第一组煤样孔中，钻进1米后，第一组煤样孔中煤样充满，此时，第二转轴带动转盘旋转18°，将煤样筒中多余煤样通过第一组出料孔排出，同时，第一组压紧组件的上压紧缸向下移动到第一组煤样孔上端，并通过第一组压紧组件的上压紧缸的上压紧活塞堵住第一组煤样孔，同时微压传感器测量第一组煤样孔中气体压力变化，并将数据传输给测量主机，进行第一组瓦斯解吸指标k1值的计算；

测量钻屑量值时，煤样筒保持位置不变，第二转轴带动转盘继续旋转18°，同时，振动筛旋转90°，将乘样器与真空系统相连，此时，煤样经乘样器吸取后直接落入煤样筒，煤样筒底部通过第一组称重组件的称重板堵住，钻杆继续钻进1米后，通过第一组称重组件的称重传感器测量煤样筒中煤样的重量，并将数据传输给测量主机，完成第一组钻削量值测量，完成第一组钻削量值的测量后，第二转轴带动转盘继续旋转18°，将煤样筒中全部煤样通过出料孔排出；

完成第一组瓦斯解吸指标k1值和第一组钻屑量值的测量后，第二转轴带动转盘继续转动，使煤样筒回位到下一组煤样孔上方，同时振动筛反方向旋转90°回位，准备下一组瓦斯解吸指标k1值的测量，如此循环，直止一个钻孔循环的五组瓦斯解吸指标k1值和五组钻屑量值测量完成。

本发明的有益效果：本发明的全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置及方法，通过钻取机构和测量机构采用一体化设计，自动完成接粉、装罐、称重等操作，且一个钻孔循环内自动测量五组瓦斯解吸指标k1值和五组钻屑量，减少人为对取样和测量的干预，缩短了测量时间，实现了随钻随取随测，降低了煤样在空气中的暴露时间，极大的提高了自动化程度和测量的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明测量机构处于接料状态的示意图；

图3为本发明测量机构处于瓦斯解吸指标k1值测量状态的示意图；

图4为本发明测量机构处于钻屑量值测量状态的示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示：本实施例的全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置，包括用于钻削取样的钻取机构以及用于测量瓦斯解吸指标和钻屑量的测量机构；

所述钻取机构包括用于采集煤样的钻杆2、用于控制钻杆2工作的钻机3以及用于吸取钻杆2所采集煤样的乘样器18，所述钻杆2一端设置有用于钻进并采集煤样的钻头1，另一端设置有打钻尾辩4，所述打钻尾辩4通过输送管与乘样器18连通；

所述测量机构包括用于收集乘样器18中煤样的煤样筒10、用于支撑煤样筒10的第一支撑组件、转盘11、用于支撑转盘11的第二支撑组件以及测量主机14，所述第一支撑组件包括第一转轴13和用于驱动第一转轴13绕其轴线转动的第一驱动电机，所述煤样筒10和乘样器18分别设置在第一转轴13上，且煤样筒10位于乘样器18正下方，所述第二支撑组件包括与第一转轴13平行的第二转轴7和用于驱动第二转轴7绕其轴线转动的第二驱动电机，所述转盘11周向固定连接在第二转轴7上且位于煤样筒10下方，所述转盘11上设有用于收集煤样筒10中煤样的煤样孔19、用于将煤样筒10中煤样排出的出料孔以及用于对煤样筒10中煤样进行称重的称重组件，所述煤样孔19、出料孔、称重组件沿转盘11圆周方向间隔设置，且所述出料孔位于煤样孔19与称重组件之间，所述第二转轴7上设置有用于对煤样孔19进行封堵的压紧组件，所述压紧组件包括可沿第二转轴7轴向单自由度滑动的上压紧缸8和可沿第二转轴7圆周方向单自由度转动的下压紧缸12，所述转盘11位于上压紧缸8与下压紧缸12之间，所述上压紧缸8的上压紧活塞9上设置有用于测量煤样孔19中煤样的解吸指标的微压传感器5，所述称重组件包括固定于转盘11上的称重板和设置在称重板上用于测量煤样孔19中煤样的重量的称重传感器17，所述称重传感器17和微压传感器5分别与测量主机14通信连接；测量瓦斯解吸指标k1值时，下压紧缸12转动到煤样孔19下端，并通过下压紧缸12的下压紧活塞堵住煤样孔19，此时钻杆开始工作，煤样经乘样器18吸取后落入煤样筒10，煤样筒10中的煤样进入煤样孔19中，钻进1米后，煤样孔19中煤样充满，此时，第二转轴7带动转盘11旋转一定角度，使出料孔位于煤样筒10正下方，将煤样筒10中多余煤样通过出料孔排出，同时，上压紧缸8向下移动到充满煤样的煤样孔19上端，并通过上压紧缸8的上压紧活塞9堵住煤样孔19，同时微压传感器5测量煤样孔19中气体压力变化，并将数据传输给测量主机14，进行瓦斯解吸指标k1值的计算；测量钻屑量时，煤样筒10位置不变，第二转轴7带动转盘11继续转动一定角度，使称重组件位于煤样筒10正下方，此时，煤样经乘样器18吸取后直接落入煤样筒10，煤样筒10底部通过称重板堵住，完成钻进1米后，通过称重传感器17测量煤样筒10中煤样的重量，并将数据传入测量主机14，完成钻削量值测量，完成钻削量值的测量后，第二转轴7带动转盘11继续转动一定角度，使出料孔位于煤样筒10正下方，将煤样筒10中全部煤样通过出料孔排出。本实施例中钻机3的下方设有钻机安装支架20，钻机3固定安装在钻机安装支架20上，钻机安装支架20上设有用于支撑钻杆2的支撑套21，以提高钻机3和钻杆2在工作工程中的稳定性，使用安全可靠；微压传感器5采用智能无线微压传感器，用于测量煤样孔19压力变化并将测量后的数据传输给测量主机14；转盘上的煤样孔19、出料孔和称重组件均设置为五组，每组均为一个，各组煤样孔19沿转盘圆周方向均布设置，各组出料孔沿转盘圆周方向均布设置，各组称重组件沿转盘圆周方向均布设置，煤样孔19、出料孔、称重组件沿转盘圆周方向间隔设置，出料孔位于煤样孔19与称重组件之间，且煤样孔19与称重组件之间错位设置，煤样孔19中心到转盘11中心之间的连线与出料孔中心到转盘11中心之间的连线的夹角、出料孔中心到转盘11中心之间的连线与称重组件中心到转盘11中心之间的连线的夹角均为18°，以保证精确控制，压紧组件为五组，各组压紧组件的位置分别与各组煤样孔的位置相对应，压紧组件的上压紧缸8和下压紧缸12均为气缸，用以压紧上压紧活塞9和下压紧活塞12，保证对煤样孔19进行可靠地密封；称重板为圆形板，用于对煤样筒10底部进行封堵，称重传感器17固定于称重板底面，转盘上对应称重传感器17处设有供称重传感器17落入的安装槽。

本实施例中，所述乘样器18顶部一侧通过输送管与打钻尾辩4连通，乘样器18顶部另一侧与真空系统连接，使钻孔孔底的煤样能够通过真空系统吸入到乘样器18中，克服了采用引射等取样方式取样时易出现混样的问题。

本实施例中，所述乘样器18底部敞开形成煤样出口ⅰ，所述煤样筒10顶部敞开形成煤样进口，煤样筒10底部敞开形成煤样出口ⅱ，所述煤样进口位于煤样出口ⅰ正下方，且所述煤样进口的直径大于煤样出口ⅰ的直径，以便于对煤样进行采集和流通。

本实施例中，所述乘样器18通过乘样器安装架固定于第一转轴13上，所述煤样筒10通过煤样筒安装架固定于第一转轴13上，实现乘样器18和煤样筒10与第一转轴13的固定连接，本实施例的乘样器18和煤样筒10的位置和角度在测量前已经确定，测量过程中保持不变。

本实施例中，所述乘样器18与煤样筒10之间设置有振动筛6，所述振动筛6通过振动筛安装架与第一转轴13连接，所述振动筛安装架以可沿第一转轴13圆周方向单自由度转动的方式设置在第一转轴13上，用于在进行瓦斯解吸指标k1值测量时，对煤样进行筛分和过滤。本实施例的振动筛安装架上设置有用于控制振动筛安装架转动的转动电机，实现自动控制。

本实施例中，所述第一转轴13、第一驱动电机、第二转轴7、第二驱动电机均设置于一底座上，所述第一转轴13和第二转轴7与底座相垂直，第一驱动电机和第二驱动电机分别固定在底座上，第一驱动电机和第二驱动电机的位置分别第一转轴13和第二转轴7的位置相对应，以控制所对应转轴工作。

本实施例中，所述上压紧缸8通过上压紧缸安装架与第二转轴7连接，所述上压紧缸安装架以可沿第二转轴7轴向单自由度滑动的方式设置在第二转轴7上，本实施例的各上压紧缸8分别通过所对应的上压紧缸安装架与第二转轴7连接，第二转轴7的外壁上沿轴向设有滑槽，上压紧缸安装架上设置有与滑槽配合的滑块和用于控制滑块沿滑槽轴向滑动的电机，各上压紧缸安装架独立运行，实现自动化控制，便于使用；所述下压紧缸12通过下压紧缸安装架与第二转轴7连接，所述下压紧缸安装架以可沿第二转轴7圆周方向单自由度转动的方式设置在第二转轴7上，本实施例的各下压紧缸固定于同一下压紧缸安装架上，下压紧缸安装架上设置有用于控制下压紧缸安装架转动的转动电机，使各下压紧缸能够同步运动，实现自动化控制，便于使用。

本实施例中，所述称重传感器17和微压传感器5分别与测量主机14无线通信连接，自动化程度高，测量准确。

本发明还公开了一种利用全自动钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量快速测定装置进行测量的方法，包括以下步骤：

a.将转盘11上的煤样孔19、出料孔和称重组件均设置为五组，每组均为一个，各组煤样孔19沿转盘11圆周方向均布设置，各组出料孔沿转盘11圆周方向均布设置，各组称重组件沿转盘11圆周方向均布设置，所述煤样孔19、出料孔、称重组件沿转盘11圆周方向间隔设置，出料孔位于煤样孔19与称重组件之间，且煤样孔19与称重组件之间错位设置，所述煤样孔19中心到转盘11中心之间的连线与出料孔中心到转盘11中心之间的连线的夹角、出料孔中心到转盘11中心之间的连线与称重组件中心到转盘11中心之间的连线的夹角均为18°，所述压紧组件为五组，各组压紧组件的位置分别与各组煤样孔19的位置相对应；

b.在一个钻孔循环内，共测量五组钻屑瓦斯解吸指标k1值和五组钻屑量值，钻孔10米，其中钻进在1、3、5、7、9米时，利用微压传感器5和测量主机14测量瓦斯解吸指标k1值，钻进在2、4、6、8、10米时，利用称重组件的称重传感器17和测量主机14测量钻屑量；本实施例的测量过程中接粉、装罐过程均自动完成，自动化程度高，减少人为对取样和测量的干预，缩短了测量时间，实现了随钻随取随测，降低了煤样在空气中的暴露时间，极大的提高了自动化程度和测量的准确性。

本实施例中，步骤b中，测量瓦斯解吸指标k1值时，将第一组压紧组件的下压紧缸12转动到第一组煤样孔19下端，并通过第一组压紧组件的下压紧缸12的下压紧活塞堵住第一组煤样孔19，将乘样器18与真空系统相连，振动筛6转动到煤样筒10与乘样器18之间，此时钻杆开始工作，煤样经乘样器18吸取后落到振动筛6上，经振动筛6进行筛选后，直径在1mm以下的煤样落入煤样筒10，煤样筒10中的煤样进入第一组煤样孔19中，钻进1米后，第一组煤样孔19中煤样充满，此时，第二转轴7带动转盘11旋转18°，将煤样筒10中多余煤样通过第一组出料孔排出，同时，第一组压紧组件的上压紧缸8向下移动到第一组煤样孔19上端，并通过第一组压紧组件的上压紧缸8的上压紧活塞9堵住第一组煤样孔19，同时微压传感器5测量第一组煤样孔19中气体压力变化，并将数据传输给测量主机14，进行第一组瓦斯解吸指标k1值的计算；

测量钻屑量值时，煤样筒10保持位置不变，第二转轴7带动转盘11继续旋转18°，同时，振动筛6旋转90°，将乘样器18与真空系统相连，此时，煤样经乘样器18吸取后直接落入煤样筒10，煤样筒10底部通过第一组称重组件的称重板堵住，钻杆继续钻进1米后(即钻进在2米时)，通过第一组称重组件的称重传感器17测量煤样筒10中煤样的重量，并将数据传入测量主机14，完成第一组钻削量值测量，完成第一组钻削量值的测量后，第二转轴7带动转盘11继续旋转18°，将煤样筒10中全部煤样通过出料孔排出；

完成第一组瓦斯解吸指标k1值和第一组钻屑量值的测量后，第二转轴7带动转盘11继续转动，使煤样筒10回位到下一组煤样孔19上方，同时振动筛6反方向旋转90°回位，准备下一组瓦斯解吸指标k1值的测量，如此循环，直止一个钻孔循环的五组瓦斯解吸指标k1值和五组钻屑量值测量完成。

完成一个钻孔循环的测量后，各下压紧缸12的下压紧活塞与煤样孔19脱离，通过下压紧缸安装架旋转18°，使所有煤样孔19中的煤样自然落下，清空煤样孔19，准备下一个钻孔循环的测量。

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，而不脱离本发明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。