葛須賓，齊黎明，趙 嶸，張 凱，吉丹妮

(1.華北科技學(xué)院 研究生院，北京 東燕郊 101601；2 華北科技學(xué)院 安全學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

基于煤層鉆孔氣體參數(shù)檢測(cè)的突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)裝置

葛須賓1，齊黎明2，趙 嶸1，張 凱1，吉丹妮1

(1.華北科技學(xué)院 研究生院，北京 東燕郊 101601；2 華北科技學(xué)院 安全學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

為解決現(xiàn)行的煤層鉆孔氣體檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)最高值不容易被捕捉、鉆孔氣體參數(shù)比較單一、測(cè)定結(jié)果不能實(shí)時(shí)顯示的問(wèn)題，特研制出一種煤層鉆孔氣體檢測(cè)裝置。此裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)定煤層鉆孔內(nèi)的氣體濃度(包括甲烷、硫化氫和一氧化碳)、氣體流量、氣體溫度和氣體壓力等(包括高壓和低壓)參數(shù)，并且數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、連續(xù)記錄、易于查詢(xún)。應(yīng)用實(shí)踐表明：該裝置能夠滿足煤礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定煤層鉆孔參數(shù)的要求，對(duì)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

煤層鉆孔；氣體參數(shù)；突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；檢測(cè)裝置

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全國(guó)重大煤礦災(zāi)害事故中，瓦斯事故發(fā)生的次數(shù)和死亡人數(shù)都占據(jù)首位。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤與瓦斯突出問(wèn)題隨采掘深度的增加愈加嚴(yán)重，瓦斯涌出量也越來(lái)越大，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1-4]。通過(guò)向煤層打鉆孔并測(cè)定鉆孔的氣體參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在采掘作業(yè)前預(yù)先判斷瓦斯災(zāi)害的嚴(yán)重程度，為突出煤層的安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)采提供技術(shù)保障[5-8]。

目前，煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定方法多種多樣[9-11]。歸納分析這些方法，主要存在三個(gè)方面的不足：一是多數(shù)方法(如多級(jí)孔板流量計(jì)法、浮子流量計(jì)法、氣體壓力表法和便攜式瓦檢儀法等)讀取數(shù)據(jù)只能依靠肉眼，若較長(zhǎng)時(shí)間測(cè)定，數(shù)據(jù)的最高值不易被捕捉，造成遺漏，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；二是鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定種類(lèi)單一，無(wú)法同時(shí)測(cè)定煤層鉆孔氣體的多種參數(shù)數(shù)據(jù)，而煤礦瓦斯突出事故往往是多種因素共同作用的結(jié)果；三是測(cè)定結(jié)果不能實(shí)時(shí)顯示，需要先在井下煤層鉆孔內(nèi)采集氣樣，送到地面實(shí)驗(yàn)室，利用三相氣相色譜儀分析，耗時(shí)較長(zhǎng)，延誤防治時(shí)機(jī)，造成重大瓦斯事故。

針對(duì)上述技術(shù)中的不足，研發(fā)一種能夠同時(shí)測(cè)定煤層鉆孔多種氣體參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確反映煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)裝置顯得尤為迫切。

1 煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定的功能要求,對(duì)該裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),其原理如圖1所示:

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖圖注說(shuō)明：1—采集器 2—軟管 3—?dú)馐?4—傳感器 5—處理電路 6—顯示屏7—防爆電磁閥 8—電池 9—排氣孔 10—堵頭 11—外殼

由圖1可知,所設(shè)計(jì)的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置主要包括采集管1、軟管2、氣室3、傳感器4、處理電路5、顯示屏6、防爆電磁閥7、電池8、出氣管9、堵頭10和外殼11。

采集管1設(shè)置為中空管路，一端與軟管2相連通，軟管2為具有一定柔性和硬度的橡膠管，用于把氣體導(dǎo)入測(cè)定裝置；外殼11設(shè)置為側(cè)面開(kāi)有圓孔的長(zhǎng)方體金屬箱，軟管2通過(guò)外殼11上的圓孔伸入殼內(nèi)與氣室3相連接；氣室3內(nèi)設(shè)置有過(guò)濾裝置，對(duì)吸入的氣體進(jìn)行初步過(guò)濾；既能保證檢測(cè)精度，又可提高測(cè)定裝置的使用壽命。

傳感器4與處理電路5之間采用電聯(lián)接，處理電路5通過(guò)導(dǎo)線連接顯示屏6，處理電路5用于整個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)的處理和分析，并給顯示屏6提供數(shù)據(jù)；顯示屏6用于顯示氣體參數(shù)，供操作者實(shí)時(shí)觀測(cè)參數(shù)，顯示屏6正面向外，固定在外殼11開(kāi)口上，開(kāi)口的形狀與顯示屏7的形狀相匹配；氣室4連接防爆電磁閥7，防爆電磁閥7另一端設(shè)置出氣管9，通過(guò)外殼11上的圓孔伸出殼外；顯示屏6、處理電路5和防爆電磁閥7與電池8之間均為電聯(lián)接。

采用上述方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的裝置能夠同時(shí)測(cè)定煤層鉆孔內(nèi)的氣體濃度(包括甲烷、硫化氫和一氧化碳)、氣體流量、氣體溫度和氣體壓力(包括高壓和低壓)，并且實(shí)時(shí)顯示、連續(xù)記錄及便于讀取數(shù)據(jù)，可為煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，便于煤礦井下工程技術(shù)人員及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握該煤層的瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)程度，可為含瓦斯煤層的安全、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采提供技術(shù)支持。

2 煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置的加工制造

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，對(duì)煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置進(jìn)行加工與制造，具體實(shí)施的方案如下：外殼11為一長(zhǎng)方體，材質(zhì)為鋼板，結(jié)構(gòu)尺寸為250 mm×200 mm×200 mm；軟管2采用具有一定硬度和柔性的橡膠管，用于把氣體導(dǎo)入測(cè)定裝備；傳感器4的具體型號(hào)(甲烷傳感器的型號(hào)為GS+4CH4，硫化氫傳感器的型號(hào)為GS+4H2S，一氧化碳傳感器的型號(hào)為GS+4CO，壓力傳感器的型號(hào)為SPD300ABto05，溫度傳感器的型號(hào)為JPT100，流量傳感器的型號(hào)為FGS-J)；處理電路5的型號(hào)為CCU-FDTV，顯示屏6為L(zhǎng)ED電子顯示屏，防爆電磁閥7的型號(hào)為L(zhǎng)D51，電池8的型號(hào)為駱駝牌6-QW-135MFK。

加工制造出的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置實(shí)物如圖2所示。在使用前，預(yù)先在地面將電池8充滿電，然后帶入井下測(cè)試地點(diǎn)；將煤層鉆孔封孔器與采集管1聯(lián)接起來(lái)，打開(kāi)堵頭10，打開(kāi)電池8的開(kāi)關(guān)，在顯示屏6上設(shè)置本次測(cè)試的名稱(chēng)；待測(cè)定鉆孔密封好后，通過(guò)顯示屏6啟動(dòng)測(cè)定程序，儀器開(kāi)始測(cè)定、記錄和保存數(shù)據(jù)(每秒鐘進(jìn)行一次)；測(cè)量結(jié)束后，打開(kāi)電磁閥，將氣室中的氣體排放出去；關(guān)閉電源8。本次測(cè)試結(jié)束后，不但可直接在顯示屏6上讀取所測(cè)最大數(shù)值，而且在地面可將測(cè)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

圖2 煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置實(shí)物圖

通過(guò)上述操作，即可實(shí)現(xiàn)煤礦井下煤層鉆孔氣體參數(shù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)試與數(shù)據(jù)顯示、記錄、儲(chǔ)存和讀取。

3 煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

對(duì)于新研發(fā)的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置，在進(jìn)入井下試驗(yàn)之前，需要在地面開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以判斷測(cè)定結(jié)果的可靠性。本實(shí)驗(yàn)所采取的實(shí)驗(yàn)方案如下：在儀器的進(jìn)氣口，通過(guò)膠管與高壓氣罐相連，并通過(guò)高壓氣罐的減壓閥控制氣體流量與壓力；在儀器的出氣口通過(guò)膠管連接標(biāo)準(zhǔn)壓力表或流量計(jì)，同時(shí)測(cè)定讀數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

因本裝置研發(fā)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)有限，并結(jié)合課題研究?jī)?nèi)容，選定流量和壓力作為研究的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)也以這兩個(gè)參數(shù)為主要研究對(duì)象；具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

在圖3中，機(jī)械壓力表顯示的讀數(shù)為0.5 MPa，新研發(fā)的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置顯示的讀數(shù)為512 kPa；在圖4中，浮子流量計(jì)顯示的讀數(shù)為210 ml/min，新研發(fā)的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置顯示的讀數(shù)為0.2 l/min；由此可見(jiàn)新研發(fā)的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置所測(cè)定氣體流量和壓力與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械壓力表和浮子流量計(jì)基本一致。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，可得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差，具體如表1和表2所示。

表1 壓力對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖3 壓力對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖

圖4 流量對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖

序 號(hào)浮子流量計(jì)讀數(shù)(ml/min)新裝置讀數(shù)(l/min)誤 差11600.14-12.5%22100.20-4.8%36800.67-1.5%411001.154.5%523002.320.9%635003.541.1%745004.581.8%850005.122.4%

根據(jù)表1和表2可知，當(dāng)氣體流量或壓力很低時(shí)，煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置所顯示的讀數(shù)與傳統(tǒng)的浮子流量計(jì)和機(jī)械壓力讀數(shù)之間的誤差相對(duì)較大，隨著氣體流量或壓力的上升，該誤差基本能控制在7%以?xún)?nèi)。

由此可見(jiàn)，新研發(fā)的煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置在進(jìn)行鉆孔氣體流量與壓力測(cè)定時(shí)，其可靠性基本滿足要求。

4 煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)試驗(yàn)選擇在平頂山礦區(qū)六礦和十一礦進(jìn)行，其中，六礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)為丁5-6-21110工作面，十一礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)為26061工作面。具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 平頂山礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表3可知，在平頂山礦區(qū)，六礦試驗(yàn)地點(diǎn)的突出危險(xiǎn)性相對(duì)較高，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆孔瓦斯壓力、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和最大鉆屑量的變化趨勢(shì)是一致的，由此可見(jiàn)，煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置能夠準(zhǔn)確的測(cè)定出鉆孔內(nèi)的氣體流量與壓力。

5 結(jié)論

(1)該煤層鉆孔氣體參數(shù)測(cè)定裝置能夠同時(shí)測(cè)定鉆孔氣體的濃度(包括甲烷、硫化氫和一氧化碳)、氣體流量、氣體溫度和氣體壓力(包括高壓和低壓)，并且實(shí)時(shí)顯示、連續(xù)記錄及便于讀取數(shù)據(jù)。

(2)當(dāng)氣體流量或壓力很低時(shí)，誤差相對(duì)較大；隨著氣體流量或壓力的上升，最高誤差基本能控制在7%以?xún)?nèi)，基本滿足井下測(cè)定需要。

(3)該裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)定煤層鉆孔的氣體流量和壓力，并且測(cè)定結(jié)果與各礦區(qū)的常規(guī)預(yù)測(cè)指標(biāo)基本一致。

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Outburst Prediction Device Based on Gas Parameter Detection of Coal Seam Drilling

GE Xu-bin1,QI Li-ming2,ZHAO-rong1,ZHANG-kai1，JI Dan-ni1

(1.GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScience&Technology,Yanjiao,101601,China；2.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScience&Technology,Yanjiao,101601,China)

In order to solve the problems that the highest value of the data is not easy to capture, the drilling gas parameters are relatively simple and the results can not be displayed in real time, we have developed a gas detector for coal seam drilling. The device can accurately measure the gas concentration which include methane, hydrogen sulfide and carbon monoxide, gas-flow rate, gas temperature and gas pressure including high pressure and low pressure in coal seam drilling, and the data real-time displayed, continuous recorded, easy to queried. The applications show that the device can meet the requirements of coal mine field measurement of drilling parameters of coal seam. It is of great significance for the real time forecast of coal and gas outburst and the safety production of coal mine.

Coal Seam Drilling; Gas Parameters; Outburst Prediction; Detecting Device

2015-12-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015059)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015508053)

葛須賓(1989-),男,河南商丘人,華北科技學(xué)院在讀碩士研究生。E-mail:gexubinzzj@163.com

TD713

A

1672-7169(2016)01-0028-05