模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统及方法

摘要

本发明涉及一种模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，包括缸体、缸盖、钻进装置、真空泵、气瓶、动态数据采集系统、压电膜传感器，内部设有煤层的缸体上端配合安装有缸盖，真空泵和气瓶通过高压胶管连接缸体内腔；煤层内靠近钻杆所对应的钻孔设有若干压电膜传感器；压电膜传感器连接线穿过侧面堵头连接在动态数据采集系统上；提供了一种钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现装置，有效填补了钻孔失稳模拟领域的空白。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种模拟煤层钻进过程中钻孔动态 失稳监测系统及方法。

背景技术

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层及突出煤层的深孔钻进是公认的世界性难题；根 据《防治煤与瓦斯突出规定》，上述煤层煤的破坏类型大多属于Ⅲ~Ⅴ类煤（亦称作“软煤”）； 在上述煤层中施工钻孔时，经常发生喷孔、塌孔、堵孔、卡钻、夹钻、响煤炮等现象，致使钻孔 成孔率偏低或钻进深度受限，严重时甚至会诱发钻孔瓦斯燃烧、工作面煤与瓦斯突出等事 故，威胁现场作业人员生命安全，严重制约了部分高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理效果。

长期以来，国内外研究者针对软煤深孔钻进难题进行了大量深入细致地研究，但 其研究焦点多集中在钻孔施工装备及工艺的改进方面，少数研究者对软煤钻孔施工过程中 发生的某些现象进行了初步分析与探讨。上述研究工作取得了一定成效，钻孔深度有所提 高，但尚未达到瓦斯治理的需求，软煤深孔钻进难题并未得到根本性解决。究其根源，在于 对软煤钻孔钻进过程中发生的各种现象认识模糊，钻孔成孔工艺缺乏行之有效的理论支 撑。

煤层钻孔钻进过程类似于一条小型煤巷的掘进过程，其失稳过程与含瓦斯煤 （岩）体的采掘失稳相同，喷孔、塌孔、堵孔、卡钻、夹钻、响煤炮等现象皆可归结为钻进过程 中因外界扰动造成钻孔周围含瓦斯煤体应力场与流场再分配而引起的动力失稳问题，钻孔 失稳与流体（瓦斯、水）性质、固体（煤体）性质、应力及其相互耦合作用密切相关。因此，流- 固-应力耦合作用下的软煤钻孔失稳机理研究，是破解软煤深孔钻进难题的重点方向之一， 而钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现，是其中的重要环节。

发明内容

为了解决上述问题，提供一种钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现装置，本发 明涉及了一种模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统。

本发明为解决技术问题所提供的具体技术方案为：一种模拟煤层钻进过程中钻孔 动态失稳监测系统，包括缸体、缸盖、钻进装置、真空泵、气瓶、动态数据采集系统、压电膜传 感器，内部设有煤层的缸体上端配合安装有缸盖，真空泵和气瓶通过高压胶管连接缸体内 腔；缸体侧壁设有端面堵头，钻进装置包括钻机和钻杆，钻杆穿过端面堵头连接孔伸出缸体 内腔，煤层内靠近钻杆所对应的钻孔设有若干压电膜传感器；压电膜传感器连接线穿过侧 面堵头连接在动态数据采集系统上。

动态数据采集系统包括通过连接线对应连接的电荷电压滤波积分放大器、动态数 据采集仪和电脑，所述压电膜传感器通过连接线连接在动态数据采集仪上。

侧面堵头和端面堵头为带颈法兰，二者距离缸体底部的高度相同；侧面堵头或端 面堵头的颈部通过螺纹配合安装在缸体侧部对应的侧面堵头连接孔端面堵头连接孔内；侧 面堵头端面设有引线孔，引线孔与连接线之间通过水泥和环氧树脂密封。

真空泵或气瓶与缸体之间的高压胶管上设有气压表甲，真空泵与缸体之间的高压 胶管上设有三通管，所述三通管通过高压胶管连通气瓶与缸体之间的高压胶管；气瓶内装 有氮气或二氧化碳，出气口上设有减压阀；缸体远离连接气压表甲一侧的侧壁上通过高压 胶管连接有气压表乙。

缸体内煤层通过压力机进行压缩填充；缸盖对应缸体内壁设有橡胶密封圈；缸盖 侧壁设有手柄；压电膜传感器数量为三个，相邻两压电膜传感器沿钻杆所对应的钻孔轴线 方向的间距为20mm，沿钻杆所对应的钻孔轴线的垂直方向的间距为20mm。

一种模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统的使用方法，包括如下步骤：

（1）实验前，每次称取一定质量的煤样倒入缸体中；利用压力机施加预定成型压力，并 保持恒压30min，重复以上步骤，当成型煤样上部水平面与侧面堵头最下端的引线孔齐平 时，停止压煤；

（2）将若干压电膜传感器埋设在靠近端面堵头连接孔轴向投影所对应的钻孔周围待 测；

（3）将压电膜传感器连接线穿过引线孔后与动态数据采集仪连接；并将电荷电压滤波 积分放大器与动态数据采集仪、电脑对应连接构成动态数据采集系统；

（4）按步骤（1）继续压煤，直至成型煤层基本充满缸体后将缸体盖对应安装在缸体上；

（5）模拟煤层制备完毕后，通过真空泵对成型煤层进行抽真空12h，抽真空结束后通过 气瓶对缸体内加压，持续48h；

（6）关闭气源，启动动态数据采集系统；取下端面堵头，启动钻机沿端面堵头连接孔轴 向对缸体内煤层钻孔，当钻杆钻进400mm左右时停钻；利用动态数据采集系统对压电膜传 感器所感应到的应力数据进行采集和存储；

（7）煤层钻孔施工结束后，将NTS200工业内窥镜放入钻孔中，对钻孔周围及底部的煤层 变形情况进行观测，并拍照和存储。

具体地，步骤（2）中，压电膜传感器数量为三个，压电膜传感器数量为三个，相邻两 电膜传感器沿钻杆所对应的钻孔轴线方向的间距为20mm，沿钻杆所对应的钻孔轴线的垂 直方向的间距为20mm；并将引线孔与连接线之间的空隙用水泥和环氧树脂进行密封。

本发明的有益技术效果为：通过对缸体内煤层进行压缩填充、真空泵及气瓶抽放 气体进行煤层模拟，提供了一种钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现装置，有效填补了 钻孔失稳模拟领域的空白。

附图说明

附图1为本系统结构简图；

附图2为缸体正向剖视简图；

附图3为缸体侧向剖视简图；

附图4为钻进过程中缸体端面堵头处的俯向剖视简图；

附图5为附图4中侧面堵头处放大图；

附图6为钻孔孔壁变形图；

附图7为孔周煤体应力集中出现时刻及峰值大小示意图。

图中1-气瓶、2-减压阀、3-高压胶管、4-气压表甲、5-缸盖、6-橡胶密封圈、7-缸体、 8-钻杆、9-钻机、10-端面堵头、11-侧面堵头、12-引线孔；13-煤层、14-连接线、15-电荷电压 滤波积分放大器、16-动态数据采集仪、17-电脑、18-压电膜传感器、19-真空泵、20-手柄、 21-气压表乙、22为气压表乙连接孔。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步的说明。

实施例1一种模拟煤层13钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，参见图1-5：包括缸 体7、缸盖5、钻进装置、真空泵19、气瓶1、动态数据采集系统、压电膜传感器18，内部设有煤 层13的缸体7上端配合安装有缸盖5，真空泵19和气瓶1通过高压胶管3连接缸体7内腔；缸体 7侧壁设有端面堵头10，钻进装置包括钻机9和钻杆8，钻杆8穿过端面堵头10连接孔伸出缸 体7内腔，煤层13内靠近钻杆8所对应的钻孔设有若干压电膜传感器18；压电膜传感器18连 接线14穿过侧面堵头11连接在动态数据采集系统上。

通过对缸体7内煤层13进行压缩填充、真空泵19及气瓶1抽放气体进行煤层13模 拟，提供了一种钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现装置，有效填补了钻孔失稳模拟领 域的空白。

实施例2一种模拟煤层13钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，参见图1-5：包括缸 体7、缸盖5、钻进装置、真空泵19、气瓶1、动态数据采集系统、压电膜传感器18，内部设有煤 层13的缸体7上端配合安装有缸盖5，真空泵19和气瓶1通过高压胶管3连接缸体7内腔；缸体 7侧壁设有端面堵头10，钻进装置包括钻机9和钻杆8，钻杆8穿过端面堵头10连接孔伸出缸 体7内腔，煤层13内靠近钻杆8所对应的钻孔设有若干压电膜传感器18；压电膜传感器18连 接线14穿过侧面堵头11连接在动态数据采集系统上。

通过对缸体7内煤层13进行压缩填充、真空泵19及气瓶1抽放气体进行煤层13模 拟，提供了一种钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现装置，有效填补了钻孔失稳模拟领 域的空白。

动态数据采集系统包括通过连接线14对应连接的电荷电压滤波积分放大器15、动 态数据采集仪16和电脑17，所述压电膜传感器18通过连接线14连接在动态数据采集仪16 上；对压电膜传感器18感应数据进行分析并以图像的形式显示在电脑17上，可以直观清晰 的了解钻动过程中煤层13应力变化。

侧面堵头11和端面堵头10为带颈法兰，二者距离缸体7底部的高度相同；侧面堵头 11或端面堵头10的颈部通过螺纹配合安装在缸体7侧部对应的侧面堵头11连接孔端面堵头 10连接孔内；侧面堵头11端面设有引线孔12，引线孔12与连接线14之间通过水泥和环氧树 脂密封；缸盖5侧壁设有手柄20；通过带颈法兰使连接线14穿过缸体7侧壁，引线孔12与连接 线14之间通过水泥和环氧树脂密封，密封效果较高，并且便于拆卸安装。

真空泵19或气瓶1与缸体7之间的高压胶管3上设有气压表甲4，真空泵19与缸体7 之间的高压胶管3上设有三通管，所述三通管通过高压胶管3连通气瓶1与缸体7之间的高压 胶管3；气瓶1内装有氮气或二氧化碳，出气口上设有减压阀2；缸体7远离连接气压表甲4一 侧的侧壁上通过高压胶管3连接有气压表乙21。

因缸体7体积较大，为确保缸体7内模拟煤层13充分吸附气体，直至平衡，故设置压 力表甲和压力表乙分别连接缸体7的两侧侧壁，当两个压力表显示气体压力相同时，表明煤 层13吸附平衡；利用三通管连接真空泵19和气瓶1与缸体7之间的高压胶管3，利用同一压力 表就可进行抽气和加气时的压力的显示，减少了压力表的使用，节省了装置成本。

缸体7内煤层13通过压力机进行压缩填充；缸盖5对应缸体7内壁设有橡胶密封圈 6；缸盖5侧壁设有手柄20；压电膜传感器18数量为三个，相邻两压电膜传感器18沿钻杆8所 对应的钻孔轴线方向的间距为20mm，沿钻杆8所对应的钻孔轴线的垂直方向的间距为20 mm；设置压电膜传感器18等距排列，可以更精确的显示煤层13钻动过程中的受力变化，有利 于测试结果的分析。

设置密封圈确保缸体7盖与缸体7之间连接紧密，防止漏气；通过压电膜传感器18 连接动态数据采集仪16采集钻进过程中煤层13钻孔动态失稳数据，电脑17对所采集到的数 据以曲线图的形式显现并存储。

实施例3一种模拟煤层13钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，参见图1-7：包括缸 体7、缸盖5、钻进装置、真空泵19、气瓶1、动态数据采集系统、压电膜传感器18，内部设有煤 层13的缸体7上端配合安装有缸盖5，真空泵19和气瓶1通过高压胶管3连接缸体7内腔；缸体 7侧壁设有端面堵头10，钻进装置包括钻机9和钻杆8，钻杆8穿过端面堵头10连接孔伸出缸 体7内腔，煤层13内靠近钻杆8所对应的钻孔设有若干压电膜传感器18；压电膜传感器18连 接线14穿过侧面堵头11连接在动态数据采集系统上。

通过对缸体7内煤层13进行压缩填充、真空泵19及气瓶1抽放气体进行煤层13模 拟，提供了一种钻孔动态失稳过程的实验室模拟与再现装置，有效填补了钻孔失稳模拟领 域的空白。

动态数据采集系统包括通过连接线14对应连接的电荷电压滤波积分放大器15、动 态数据采集仪16和电脑17，所述压电膜传感器18通过连接线14连接在动态数据采集仪16 上；对压电膜传感器18感应数据进行分析并以图像的形式显示在电脑17上，可以直观清晰 的了解钻动过程中煤层13应力变化。

侧面堵头11和端面堵头10为带颈法兰，二者距离缸体7底部的高度相同；侧面堵头 11或端面堵头10的颈部通过螺纹配合安装在缸体7侧部对应的侧面堵头11连接孔端面堵头 10连接孔内；侧面堵头11端面设有引线孔12，引线孔12与连接线14之间通过水泥和环氧树 脂密封；缸盖5侧壁设有手柄20；通过带颈法兰使连接线14穿过缸体7侧壁，引线孔12与连接 线14之间通过水泥和环氧树脂密封，密封效果较高，并且便于拆卸安装。

真空泵19或气瓶1与缸体7之间的高压胶管3上设有气压表甲4，真空泵19与缸体7 之间的高压胶管3上设有三通管，所述三通管通过高压胶管3连通气瓶1与缸体7之间的高压 胶管3；气瓶1内装有氮气或二氧化碳，出气口上设有减压阀2；缸体7远离连接气压表甲4一 侧的侧壁上通过高压胶管3连接有气压表乙21。

因缸体7体积较大，为确保缸体7内模拟煤层13充分吸附气体，直至平衡，故设置压 力表甲和压力表乙分别连接缸体7的两侧侧壁，当两个压力表显示气体压力相同时，表明煤 层13吸附平衡；利用三通管连接真空泵19和气瓶1与缸体7之间的高压胶管3，利用同一压力 表就可进行抽气和加气时的压力的显示，减少了压力表的使用，节省了装置成本。

缸体7内煤层13通过压力机进行压缩填充；缸盖5对应缸体7内壁设有橡胶密封圈 6；缸盖5侧壁设有手柄20；压电膜传感器18数量为三个，相邻两压电膜传感器18沿钻杆8所 对应的钻孔轴线方向的间距为20mm，沿钻杆8所对应的钻孔轴线的垂直方向的间距为20 mm；设置压电膜传感器18等距排列，可以更精确的显示煤层13钻动过程中的受力变化，有利 于测试结果的分析。

设置密封圈确保缸体7盖与缸体7之间连接紧密，防止漏气；通过压电膜传感器18 连接动态数据采集仪16采集钻进过程中煤层13钻孔动态失稳数据，电脑17对所采集到的数 据以曲线图的形式显现并存储。

一种模拟煤层13钻进过程中钻孔动态失稳监测系统的使用方法，包括如下步骤：

（1）实验前，每次称取一定质量的煤样倒入缸体7中；利用压力机施加预定成型压力， 并保持恒压30min，重复以上步骤，当成型煤样上部水平面与侧面堵头11最下端的引线孔 12齐平时，停止压煤；

（2）将若干压电膜传感器18埋设在靠近端面堵头10连接孔轴向投影所对应的钻孔周围 待测；

（3）将压电膜传感器18连接线14穿过引线孔12后与动态数据采集仪16连接；并将电荷 电压滤波积分放大器15与动态数据采集仪16、电脑17对应连接构成动态数据采集系统；

（4）按步骤（1）继续压煤，直至成型煤层13基本充满缸体7后将缸体7盖对应安装在缸体 7上；

（5）模拟煤层13制备完毕后，通过真空泵19对成型煤层13进行抽真空12h，抽真空结束 后通过气瓶1对缸体7内加压，持续48h；

（6）关闭气源，启动动态数据采集系统；取下端面堵头10，启动钻机9沿端面堵头10连接 孔轴向对缸体7内煤层13钻孔，当钻杆8钻进400mm左右时停钻；利用动态数据采集系统对 压电膜传感器18所感应到的应力数据进行采集和存储；

（7）煤层13钻孔施工结束后，将NTS200工业内窥镜放入钻孔中，对钻孔周围及底部的煤 层13变形情况进行观测，并拍照和存储。

具体地，步骤（2）中，压电膜传感器18数量为三个，压电膜传感器18数量为三个，相 邻两电膜传感器沿钻杆8所对应的钻孔轴线方向的间距为20mm，沿钻杆8所对应的钻孔轴 线的垂直方向的间距为20mm；并将引线孔12与连接线14之间的空隙用水泥和环氧树脂进 行密封。