CN106546292A - 煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置及方法，所述测试装置包括圆柱体载体、瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器和数据采集仪，其中：瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器和地应力传感器合成在一个圆柱体载体内，可同时测量多场耦合作用下煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数，减少了煤矿井下煤岩体参数多钻孔测试的钻孔成本、劳动工序和工作量；瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器和地应力传感器与数据采集仪连接，并与现有的煤矿监测分站连接，不仅可以为煤矿动力灾害机理研究提供基础研究数据统计与分析，还可为煤矿动力灾害发生提供监测、预警信息，以减少煤矿灾害事故。

Description

煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置及方法

技术领域

本发明属于煤炭地下开采煤岩体多物理场参数测试技术领域，涉及一种煤炭深部开采过程中，对井下煤岩体内瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力进行测试的装置及方法。

背景技术

煤炭地下开采过程中井下煤岩体内瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力是影响煤矿生产安全的重要因素。随着煤炭开采深度的增加，煤岩体瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力逐渐增大。研究表明，煤炭深部开采冲击地压等动力灾害的发生与煤岩体物理力学性质密不可分，与地温和煤岩体赋存状态有关，是煤岩体瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力耦合作用的结果。煤岩体瓦斯压力、瓦斯流量、地应力各种异常变化蕴含着动力灾害发生的前兆信息，同时，瓦斯压力、瓦斯流量又受到地温和地应力的影响。因此，对煤炭开采过程中井下煤岩体瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力在多场耦合作用下的有效测试，能够有效提高煤矿动力灾害发生前兆信息的捕捉与分析，对于分析与预测煤炭深部开采诱发的动力灾害，具有重要意义与应用前景。

现有的设备与技术无法同时测试煤炭地下开采煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数，导致目前对于煤炭深部开采多场耦合作用下动力灾害发生机理认识不足，煤炭开采难以避免因监测不及时导致动力灾害的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时测试煤炭地下开采煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力的耦合测试装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，包括圆柱体载体、瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器和数据采集仪，其中：

所述圆柱体载体左侧开口，中部开有正方形孔；

所述瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器布置在圆柱体载体内部，数据采集仪布置在圆柱体载体外部；

所述瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器通过信号导线与数据采集仪连接；

所述瓦斯流量传感器与瓦斯管连接，瓦斯管与圆柱体载体外部连通，并在外部设置有瓦斯管阀门，可以通过阀门控制瓦斯气体流出，打开阀门时即可通过瓦斯流量传感器测试瓦斯流量参数，并且可以在瓦斯管外部端头处采集瓦斯气体，用于分析瓦斯气体成分。

本发明中，所述圆柱体载体外圆周直径50mm，长度200mm，厚度4mm，圆柱体载体中部开有一10mm×10mm的正方形孔，圆柱体载体由钢构件一体成型制成，圆柱体载体左侧开口处用聚氨酯层封口。

本发明中，所述地应力传感器、瓦斯压力传感器和温度传感器固定在金属管上，金属管通过透气圆盘固定在圆柱体载体内。

本发明中，所述地应力传感器用于测试煤岩体地应力，地应力传感器与6mm×6mm钢板合成一体，钢板位于圆柱体载体中部正方形孔内，保证钢板与正方形孔之间有一定的空隙用于瓦斯气体流通，并且钢板超出圆柱体载体外平面2mm。

本发明中，所述瓦斯压力传感器用于测试煤岩体瓦斯压力，瓦斯压力传感器靠近圆柱体载体出口处，位于远离正方形孔处，处于瓦斯压力稳定区域。

本发明中，所述温度传感器用于测试煤岩体所处环境的温度，温度传感器测试位于圆柱体载体底部。

本发明中，所述数据采集仪通过布置在金属管内的信号导线与瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器和地应力传感器连接。

本发明中，所述数据采集仪包括A/D转换电路和CPU处理器，A/D转换电路与CPU处理器相连，CPU处理器分别接有程序存储器、显示器、数据存储器、RS232通讯电路、操作键盘和标准信号输出接口。

使用上述测试装置测试煤炭地下开采煤岩体多场耦合下瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度和地应力的方法，包括如下步骤：

（1）在煤岩体内布置测试孔；

（2）将煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置放置在测试孔内；

（3）将圆柱体载体中部的正方形孔的垂直方向作为拟测试地应力的方向；

（4）固定圆柱体载体；

（5）封闭测试孔；

（6）关闭阀门，开启数据采集仪，通过瓦斯压力传感器、温度传感器和地应力传感器分别测试孔内的煤岩体瓦斯压力、温度和地应力，经数据采集仪采集煤岩体瓦斯压力、温度和地应力数据；

（7）打开瓦斯管阀门，采集瓦斯流量数据，通过瓦斯管排放瓦斯气体，通过瓦斯流量传感器感应瓦斯的流量，数据采集仪采集瓦斯流量、瓦斯压力、温度和地应力。

本发明具有如下优点：

1、本发明将瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器和地应力传感器合成在一个圆柱体载体内，可同时测量多场耦合作用下煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数，减少了煤矿井下煤岩体参数多钻孔测试的钻孔成本、劳动工序和工作量。

2、瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器和地应力传感器与数据采集仪连接，并与现有的煤矿监测分站连接，实现煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数数据的动态变化监测与储存，不仅可以为煤矿动力灾害机理研究提供基础研究数据统计与分析，还可为煤矿动力灾害发生提供监测、预警信息，以减少煤矿灾害事故。

附图说明

图1为煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置的结构示意图；

图2为透气圆盘的结构示意图；

图3为煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置所示的数据采集仪原理框图；

图4为煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试方法的流程图；

图中：1-圆柱体载体，2-瓦斯压力传感器，3-瓦斯流量传感器，4-温度传感器，5-地应力传感器，6-数据采集仪，7-数据传输线路，8-金属管，9-透气圆盘一，10-透气圆盘二，11-正方形孔，12-钢板，13-瓦斯管，14-瓦斯管阀门，15-聚氨酯层，16-A/D转换电路，17-CPU处理器，18-程序存储器，19-显示器，20-数据存储器，21-通讯电路，22、操作键盘，23-标准信号输出接口，24-电源，25-分站。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1和2所示，本发明的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置包括圆柱体载体1、瓦斯压力传感器2、瓦斯流量传感器3、温度传感器4、地应力传感器5和数据采集仪6，其中：

所述圆柱体载体1由钢构件一体成型制成，左侧开口，中部开有正方形孔11，左侧开口处用聚氨酯层15封口；

所述地应力传感器5、瓦斯压力传感器2和温度传感器4固定在金属管8上，金属管8通过透气圆盘一9和透气圆盘二10固定在圆柱体载体1的内部，其中：地应力传感器5位于圆柱体载体1中部正方形孔11处，地应力传感器5与6mm×6mm钢板12合成一体，钢板12位于圆柱体载体1中部的正方形孔11内，保证钢板12与正方形孔11之间有一定的空隙用于瓦斯气体流通，并且钢板12超出圆柱体载体1外平面2mm；瓦斯压力传感器2靠近圆柱体载体1出口处，温度传感器4位于圆柱体载体1底部；

所述瓦斯流量传感器3与瓦斯管13连接，瓦斯管13与圆柱体载体1外部连通，并在外部设置有瓦斯管阀门14。

如图1和3所示，数据采集仪6通过布置在金属管8内的信号导线7与瓦斯压力传感器2、瓦斯流量传感器3、温度传感器4和地应力传感器5连接。所述数据采集仪6包括A/D转换电路16和CPU处理器17，A/D转换电路16与CPU处理器17相连，CPU处理器17分别接有程序存储器18、显示器19、数据存储器20、通讯电路21、操作键盘22和标准信号输出接口23。

如图4所示，本发明使用上述测试装置测试煤炭地下开采煤岩体多场耦合下瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度和地应力的方法，包括下述步骤：

（1）在煤岩体内布置测试孔，根据实际需要测试孔可选择不同方位和深度，施工完成后，孔内清理干净；

（2）将煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置的圆柱体载体1放入测试孔内，将正方形孔11的垂直方向作为拟测试地应力的方向，根据不同地应力测试方向调整圆柱体载体正方形孔11的方位；

（3）将瓦斯管13和金属管8引出至测试孔外部，瓦斯管13连接阀门14，金属管8内的信号导线7与数据采集仪6连接；

（4）为了保证圆柱体载体1的方位和稳定性以及测试孔的良好气密性，固定圆柱体载体1，并封闭测试孔；

（5）关闭瓦斯管阀门14，开启数据采集仪6，通过瓦斯压力传感器2、温度传感器4和地应力传感器5测试孔内的煤岩体瓦斯压力、温度和地应力，经数据采集仪6采集煤岩体瓦斯压力、温度和地应力数据，由显示器19实时显示数据并由数据存储器20将数据存储；

（7）当需要采集瓦斯流量数据时，打开瓦斯管阀门14，通过瓦斯管13排放瓦斯气体，通过瓦斯流量传感器3感应瓦斯的流量，数据采集仪6采集瓦斯流量、瓦斯压力、温度和地应力，显示器19实时显示数据并由数据存储器20将数据存储。

本发明所采用的瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器均为外购件，可以采用北京威斯特中航科技有限公司生产的产品，型号分别为瓦斯压力传感器：CYB-11S；瓦斯流量传感器：GLW100G；温度传感器：WZ-PT100；地应力传感器：CYB-605ST。

Claims (10)

1.一种煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置包括圆柱体载体、瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器和数据采集仪，其中：其中：

所述圆柱体载体左侧开口，中部开有正方形孔；

所述瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器布置在圆柱体载体内部，数据采集仪布置在圆柱体载体外部；

所述瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器通过信号导线与数据采集仪连接；

所述瓦斯流量传感器与瓦斯管连接，瓦斯管与圆柱体载体外部连通，并在外部设置有瓦斯管阀门。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述圆柱体载体由钢构件一体成型制成，外圆周直径50mm，长度200mm，厚度4mm。

3.根据权利要求1或2所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述圆柱体载体左侧开口处用聚氨酯层封口。

4.根据权利要求1所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述正方形孔的尺寸为10mm×10mm。

5.根据权利要求1所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述地应力传感器、瓦斯压力传感器和温度传感器固定在金属管上，金属管通过透气圆盘固定在圆柱体载体内。

6.根据权利要求1或5所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述地应力传感器与6mm×6mm钢板合成一体，钢板位于圆柱体载体中部正方形孔内，并且钢板超出圆柱体载体外平面2mm。

7.根据权利要求1所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述瓦斯压力传感器靠近圆柱体载体出口处。

8.根据权利要求1所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述温度传感器位于圆柱体载体底部。

9.根据权利要求1所述的煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，其特征在于所述数据采集仪包括A/D转换电路和CPU处理器，A/D转换电路与CPU处理器相连，CPU处理器分别接有程序存储器、显示器、数据存储器、RS232通讯电路、操作键盘和标准信号输出接口。

10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述测试装置测试煤炭地下开采煤岩体多场耦合下瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度和地应力的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

（1）在煤岩体内布置测试孔；

（2）将煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置放置在测试孔内；

（3）将圆柱体载体中部的正方形孔的垂直方向作为拟测试地应力的方向；

（4）固定圆柱体载体；

（5）封闭测试孔；

（6）关闭阀门，开启数据采集仪，通过瓦斯压力传感器、温度传感器和地应力传感器分别测试孔内的煤岩体瓦斯压力、温度和地应力，经数据采集仪采集煤岩体瓦斯压力、温度和地应力数据；

（7）打开瓦斯管阀门，采集瓦斯流量数据，通过瓦斯管排放瓦斯气体，通过瓦斯流量传感器感应瓦斯的流量，数据采集仪采集瓦斯流量、瓦斯压力、温度和地应力。