基于煤层钻孔气体参数检测的突出预测预报装置

葛须宾，齐黎明，赵 嵘，张 凯，吉丹妮

(1.华北科技学院 研究生院，北京 东燕郊 101601；2 华北科技学院 安全学院，北京 东燕郊 101601)

基于煤层钻孔气体参数检测的突出预测预报装置

葛须宾1，齐黎明2，赵 嵘1，张 凯1，吉丹妮1

(1.华北科技学院 研究生院，北京 东燕郊 101601；2 华北科技学院 安全学院，北京 东燕郊 101601)

为解决现行的煤层钻孔气体检测装置数据最高值不容易被捕捉、钻孔气体参数比较单一、测定结果不能实时显示的问题，特研制出一种煤层钻孔气体检测装置。此装置能够准确测定煤层钻孔内的气体浓度(包括甲烷、硫化氢和一氧化碳)、气体流量、气体温度和气体压力等(包括高压和低压)参数，并且数据实时显示、连续记录、易于查询。应用实践表明：该装置能够满足煤矿现场测定煤层钻孔参数的要求，对实时预测预报煤与瓦斯突出危险性、保障煤矿安全生产具有重要意义。

煤层钻孔；气体参数；突出预测预报；检测装置

0 引言

据统计，在全国重大煤矿灾害事故中，瓦斯事故发生的次数和死亡人数都占据首位。近年来，国内煤与瓦斯突出问题随采掘深度的增加愈加严重，瓦斯涌出量也越来越大，瓦斯灾害严重威胁着矿井的安全生产[1-4]。通过向煤层打钻孔并测定钻孔的气体参数，可实现在采掘作业前预先判断瓦斯灾害的严重程度，为突出煤层的安全经济开采提供技术保障[5-8]。

目前，煤层钻孔气体参数测定方法多种多样[9-11]。归纳分析这些方法，主要存在三个方面的不足：一是多数方法(如多级孔板流量计法、浮子流量计法、气体压力表法和便携式瓦检仪法等)读取数据只能依靠肉眼，若较长时间测定，数据的最高值不易被捕捉，造成遗漏，影响测定结果的准确性；二是钻孔气体参数测定种类单一，无法同时测定煤层钻孔气体的多种参数数据，而煤矿瓦斯突出事故往往是多种因素共同作用的结果；三是测定结果不能实时显示，需要先在井下煤层钻孔内采集气样，送到地面实验室，利用三相气相色谱仪分析，耗时较长，延误防治时机，造成重大瓦斯事故。

针对上述技术中的不足，研发一种能够同时测定煤层钻孔多种气体参数来准确反映煤与瓦斯突出危险性并实时显示结果的预测预报装置显得尤为迫切。

1 煤层钻孔气体参数测定装置的设计

根据煤层钻孔气体参数测定的功能要求,对该装置进行了设计,其原理如图1所示:

图1 结构示意图图注说明：1—采集器 2—软管 3—气室 4—传感器 5—处理电路 6—显示屏7—防爆电磁阀 8—电池 9—排气孔 10—堵头 11—外壳

由图1可知,所设计的煤层钻孔气体参数测定装置主要包括采集管1、软管2、气室3、传感器4、处理电路5、显示屏6、防爆电磁阀7、电池8、出气管9、堵头10和外壳11。

采集管1设置为中空管路，一端与软管2相连通，软管2为具有一定柔性和硬度的橡胶管，用于把气体导入测定装置；外壳11设置为侧面开有圆孔的长方体金属箱，软管2通过外壳11上的圆孔伸入壳内与气室3相连接；气室3内设置有过滤装置，对吸入的气体进行初步过滤；既能保证检测精度，又可提高测定装置的使用寿命。

传感器4与处理电路5之间采用电联接，处理电路5通过导线连接显示屏6，处理电路5用于整个测定数据的处理和分析，并给显示屏6提供数据；显示屏6用于显示气体参数，供操作者实时观测参数，显示屏6正面向外，固定在外壳11开口上，开口的形状与显示屏7的形状相匹配；气室4连接防爆电磁阀7，防爆电磁阀7另一端设置出气管9，通过外壳11上的圆孔伸出壳外；显示屏6、处理电路5和防爆电磁阀7与电池8之间均为电联接。

采用上述方案进行设计的装置能够同时测定煤层钻孔内的气体浓度(包括甲烷、硫化氢和一氧化碳)、气体流量、气体温度和气体压力(包括高压和低压)，并且实时显示、连续记录及便于读取数据，可为煤层钻孔气体参数测定提供准确的数据，便于煤矿井下工程技术人员及时、准确地掌握该煤层的瓦斯灾害危险程度，可为含瓦斯煤层的安全、经济开采提供技术支持。

2 煤层钻孔气体参数测定装置的加工制造

根据上述设计方案，对煤层钻孔气体参数测定装置进行加工与制造，具体实施的方案如下：外壳11为一长方体，材质为钢板，结构尺寸为250 mm×200 mm×200 mm；软管2采用具有一定硬度和柔性的橡胶管，用于把气体导入测定装备；传感器4的具体型号(甲烷传感器的型号为GS+4CH4，硫化氢传感器的型号为GS+4H2S，一氧化碳传感器的型号为GS+4CO，压力传感器的型号为SPD300ABto05，温度传感器的型号为JPT100，流量传感器的型号为FGS-J)；处理电路5的型号为CCU-FDTV，显示屏6为LED电子显示屏，防爆电磁阀7的型号为LD51，电池8的型号为骆驼牌6-QW-135MFK。

加工制造出的煤层钻孔气体参数测定装置实物如图2所示。在使用前，预先在地面将电池8充满电，然后带入井下测试地点；将煤层钻孔封孔器与采集管1联接起来，打开堵头10，打开电池8的开关，在显示屏6上设置本次测试的名称；待测定钻孔密封好后，通过显示屏6启动测定程序，仪器开始测定、记录和保存数据(每秒钟进行一次)；测量结束后，打开电磁阀，将气室中的气体排放出去；关闭电源8。本次测试结束后，不但可直接在显示屏6上读取所测最大数值，而且在地面可将测定数据导入计算机。

图2 煤层钻孔气体参数测定装置实物图

通过上述操作，即可实现煤矿井下煤层钻孔气体参数的实时、连续测试与数据显示、记录、储存和读取。

3 煤层钻孔气体参数测定装置的实验室实验

对于新研发的煤层钻孔气体参数测定装置，在进入井下试验之前，需要在地面开展对比实验，以判断测定结果的可靠性。本实验所采取的实验方案如下：在仪器的进气口，通过胶管与高压气罐相连，并通过高压气罐的减压阀控制气体流量与压力；在仪器的出气口通过胶管连接标准压力表或流量计，同时测定读数，并对数据进行整理分析。

因本装置研发的时间和经费有限，并结合课题研究内容，选定流量和压力作为研究的关键参数，对比实验也以这两个参数为主要研究对象；具体实验系统及结果分别如图3和图4所示。

在图3中，机械压力表显示的读数为0.5 MPa，新研发的煤层钻孔气体参数测定装置显示的读数为512 kPa；在图4中，浮子流量计显示的读数为210 ml/min，新研发的煤层钻孔气体参数测定装置显示的读数为0.2 l/min；由此可见新研发的煤层钻孔气体参数测定装置所测定气体流量和压力与国家标准的机械压力表和浮子流量计基本一致。

通过多次实验，可得到多组实验数据，并计算出实验结果误差，具体如表1和表2所示。

表1 压力对比实验结果统计表

图3 压力对比实验图

图4 流量对比实验图

序 号浮子流量计读数(ml/min)新装置读数(l/min)误 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%

根据表1和表2可知，当气体流量或压力很低时，煤层钻孔气体参数测定装置所显示的读数与传统的浮子流量计和机械压力读数之间的误差相对较大，随着气体流量或压力的上升，该误差基本能控制在7%以内。

由此可见，新研发的煤层钻孔气体参数测定装置在进行钻孔气体流量与压力测定时，其可靠性基本满足要求。

4 煤层钻孔气体参数测定装置现场试验

煤与瓦斯突出预测试验选择在平顶山矿区六矿和十一矿进行，其中，六矿现场试验地点为丁5-6-21110工作面，十一矿现场试验地点为26061工作面。具体测定结果见表3。

表3 平顶山矿区现场试验数据

根据表3可知，在平顶山矿区，六矿试验地点的突出危险性相对较高，随着钻孔深度的增加，钻孔瓦斯涌出初速度、钻孔瓦斯压力、钻屑瓦斯解吸指标和最大钻屑量的变化趋势是一致的，由此可见，煤层钻孔气体参数测定装置能够准确的测定出钻孔内的气体流量与压力。

5 结论

(1)该煤层钻孔气体参数测定装置能够同时测定钻孔气体的浓度(包括甲烷、硫化氢和一氧化碳)、气体流量、气体温度和气体压力(包括高压和低压)，并且实时显示、连续记录及便于读取数据。

(2)当气体流量或压力很低时，误差相对较大；随着气体流量或压力的上升，最高误差基本能控制在7%以内，基本满足井下测定需要。

(3)该装置能够准确测定煤层钻孔的气体流量和压力，并且测定结果与各矿区的常规预测指标基本一致。

[1] 俞启香，程远平．矿井瓦斯防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2012．

[2] 李宾．我国煤矿瓦斯抽采技术现状[J]．山西煤炭，2015,35(2)：76-78．

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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

中央高校基本科研业务费资助(3142015059)；河北省自然科学基金资助项目(E2015508053)

葛须宾(1989-),男,河南商丘人,华北科技学院在读硕士研究生。E-mail:gexubinzzj@163.com

TD713

A

1672-7169(2016)01-0028-05