一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法，包括孔内参数监测单元，用于用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度；进风参数监测单元，用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度；返风参数监测单元，用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度；压风冷却单元，用于对进风管路上的进风气流进行降温；瓦斯抽吸单元，用于抽吸返风管路上的返风气流；本发明专利技术使煤矿井下定向钻进的工程参数可知、施工状态可控、钻孔轨迹可调，为煤矿井下空气定向钻进施工和轨迹调控提供了决策依据，保障了钻孔施工安全性。经现场使用发现，显著降低了安全事故。低了安全事故。低了安全事故。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法


[0001]本专利技术属于煤矿井下钻进监控
，具体涉及一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法。

技术介绍

[0002]瓦斯是煤炭开采的主要致灾隐患之一，钻孔是进行煤层瓦斯抽采的重要技术手段。根据钻孔施工时循环排渣介质的不同，煤矿井下坑道钻进可分为干式钻进、空气钻进和清水钻进等三类，其中干式钻进和空气钻进主要适用于碎软煤层，清水钻进主要适用于中硬煤层和岩层。受我国煤层赋存复杂地质条件影响，碎软煤层分布广泛，空气钻进技术在国内大多数煤矿均有应用，近年来，更是开发了以空气螺杆马达为核心钻具的空气定向钻进技术装备，进一步提高了碎软煤层瓦斯抽采钻孔的成孔深度和轨迹控制精度。
[0003]但是由于空气钻进的自身特性，其存在的钻进安全风险远大于清水钻进，具体体现在以下方面：
①
孔内着火风险。温度、一氧化碳浓度和氧气是煤层着火的重要影响因素。空气钻进时气体受体积压缩生热影响，温度可达到80℃以上，而空气的冷却润滑效果较差，钻进过程中受钻头、钻杆与孔底和孔壁地层摩擦生热影响，极易产生高温；同时空气钻进时向钻孔供入大量氧气，使煤层容易氧化并生成一氧化碳，进一步增加了孔内着火风险。
②
瓦斯超限风险。空气钻进对碎软煤层孔壁的冲刷和扰动较小，孔内为气固两相流，瓦斯的解吸释放通道顺畅，减少了瓦斯喷孔的风险，但煤层瓦斯解吸释放后将随循环空气排出孔外，极易带来瓦斯浓度超限的安全问题。
③
安全钻进问题。碎软煤层易坍塌卡钻，导致循环空气流通道路易堵塞，此时供风流量、供风压力和返风流量将出现异常，盲目钻进存在重大安全隐患。
④
粉尘治理问题。空气定向钻进供风量大，孔口粉尘多、颗粒分布范围广、处理量大，对除尘装置的除尘能力要求较高，当除尘效果达不到要求时，既严重危害施工人员人身健康，又可能造成粉尘燃烧或爆炸。
⑤
轨迹精准控制问题。空气定向钻进主要用于碎软煤层顺层施工，其硬度系数小，造斜率低，钻孔轨迹调控难度大，应实时监控钻孔轨迹变化，及时调整空气螺杆马达的造斜工具面向角，确保轨迹调控精度满足生产需要。但是目前煤矿井下缺乏与空气定向钻进配套的随钻监控系统，对瓦斯抽采钻孔的施工安全保障不够。
[0004]为此，本专利技术的设计者针对研究设计出一种煤矿井下空气定向钻进用随钻监控系统及方法，以克服上述缺陷。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种煤矿井下空气定向钻进用随钻监控系统及方法，对空气定向钻进存在的孔内着火、瓦斯超限、安全钻进、粉尘治理、轨迹精准控制等风险和问题进行控制，解决目前煤矿井下碎软煤层空气定向钻进过程和安全风险控制缺乏有效监测控制的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0007]一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，包括孔内参数监测单元、进风参数
监测单元、返风参数监测单元、压风冷却单元、瓦斯抽吸单元和控制单元；
[0008]所述孔内参数监测单元用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度；
[0009]所述进风参数监测单元用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度；
[0010]所述返风参数监测单元用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度；
[0011]所述压风冷却单元用于对进风管路上的进风气流进行降温；所述瓦斯抽吸单元用于抽吸返风管路上的返风气流；
[0012]所述控制单元的输入端分别连接孔内参数监测单元、进风参数监测单元和返风参数监测单元，控制单元的输出端分别连接压风冷却单元和瓦斯抽吸单元，所述控制单元用于根据孔内参数监测单元、进风参数监测单元、返风参数监测单元反馈的参数结果来控制压风冷却单元和瓦斯抽吸单元的启停。
[0013]可选的，所述孔内参数监测单元包括外管、仪器管、连接在仪器管两端的第一接头和第二接头、信号传输接头；所述仪器管通过第一接头和第二接头固定在外管内；所述仪器管内设置有倾角传感器、方位角传感器、工具面向角传感器、第一温度传感器、孔内参数采集模块和孔内信号传输模块；
[0014]所述第一接头上设置有第一过线孔和第一过气通道，所述信号传输接头与第一过线孔连接；所述第二接头上设置有第二过线孔和第二过气通道；
[0015]所述外管外壁上设置有用于放置第二温度传感器的传感器仓，所述第二温度传感器用于监测钻杆外气流温度，所述传感器仓与第二过线孔连通；
[0016]所述仪器管外壁与外管内壁之间的间隙、第一过气通道、第二过气通道形成供气体流动的过气通道；
[0017]所述外管两端分别设置有用于与气动螺杆马达、有线随钻测量钻杆连接的接头。
[0018]可选的，所述进风参数监测单元设置在进风管路上；所述进风参数监测单元包括第一管体、第一采集器仓、第一流量传感器、压力传感器、第三温度传感器；所述第一管体上设置有多个安装接口，分别用于连接第一流量传感器、压力传感器、第三温度传感器；所述第一采集器仓设置在第一管体外壁上，第一采集器仓内设置有进风参数采集模块和进风参数信号传输模块，所述进风参数采集模块分别连接第一流量传感器、压力传感器、第三温度传感器。
[0019]可选的，所述返风参数监测单元设置在返风管路上；所述返风参数监测单元包括第二管体、第二采集器仓、一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、第二流量传感器、第四温度传感器；所述第二管体上设置有多个安装口，分别用于连接一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、第二流量传感器、第四温度传感器；所述第二采集器仓设置在第二管体外壁上，第二采集器仓内设置有返风参数采集模块和返风参数信号传输模块，所述返风参数采集模块分别连接一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、第二流量传感器、第四温度传感器。
[0020]进一步的，所述返风参数监测单元还包括粉尘传感器和喷淋除尘装置，所述粉尘传感器用于对返风中的粉尘进行监测。
[0021]可选的，所述压风冷却单元包括风筒、换热器、风扇叶轮和带动风扇叶轮转动的动力系统；所述换热器设置在风筒一端，换热器上设置有供进风气流流入、流出的进口和出
口；所述风扇叶轮设置在换热器附近的风筒内。
[0022]可选的，所述控制单元包括主控板；信号隔离模块，用于对接收的信号进行隔离；恒压供电模块，用于为孔内参数监测单元供电；信号载波模块，用于给孔内参数监测单元发送信号；信号提取解调模块，用于对孔内参数监测单元发送过来的信号进行提取；无线通讯接口，用于接收进风参数监测单元和返风参数监测单元发送的测量数据；有线通讯接口，用于与压风冷却单元、瓦斯抽吸单元采用信号电缆连接；供电通讯接口，用于接收孔内参数监测单元发送的数据；存储器。
[0023]进一步的，本专利技术的监控系统还包括应急处理单元，所述应急处理单元设置在进风管路上，用于对进风管路上的气流进行卸压和水雾降温；所述应急处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，包括孔内参数监测单元(1)、进风参数监测单元(2)、返风参数监测单元(3)、压风冷却单元(4)、瓦斯抽吸单元(5)和控制单元(8)；所述孔内参数监测单元(1)用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度；所述进风参数监测单元(2)用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度；所述返风参数监测单元(3)用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度；所述压风冷却单元(4)用于对进风管路(9)上的进风气流进行降温；所述瓦斯抽吸单元(5)用于抽吸返风管路(10)上的返风气流；所述控制单元(8)的输入端分别连接孔内参数监测单元(1)、进风参数监测单元(2)和返风参数监测单元(3)，控制单元(8)的输出端分别连接压风冷却单元(4)和瓦斯抽吸单元(5)，所述控制单元(8)用于根据孔内参数监测单元(1)、进风参数监测单元(2)、返风参数监测单元(3)反馈的参数结果来控制压风冷却单元(4)和瓦斯抽吸单元(5)的启停。2.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述孔内参数监测单元(1)包括外管(101)、仪器管(102)、连接在仪器管(102)两端的第一接头(103)和第二接头(104)、信号传输接头(105)；所述仪器管(102)通过第一接头(103)和第二接头(104)固定在外管(101)内；所述仪器管(102)内设置有倾角传感器(106)、方位角传感器(107)、工具面向角传感器(108)、第一温度传感器(109)、孔内参数采集模块(110)和孔内信号传输模块(111)；所述第一接头(103)上设置有第一过线孔(112)和第一过气通道(113)，所述信号传输接头(105)与第一过线孔(112)连接；所述第二接头(104)上设置有第二过线孔(118)和第二过气通道(119)；所述外管(101)外壁上设置有用于放置第二温度传感器(120)的传感器仓(121)，所述第二温度传感器(120)用于监测钻杆外气流温度，所述传感器仓(121)与第二过线孔(118)连通；所述仪器管(102)外壁与外管(101)内壁之间的间隙、第一过气通道(113)、第二过气通道(119)形成供气体流动的过气通道；所述外管(101)两端分别设置有用于与气动螺杆马达(11)、有线随钻测量钻杆(12)连接的接头。3.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述进风参数监测单元(2)设置在进风管路(9)上；所述进风参数监测单元(2)包括第一管体(201)、第一采集器仓(202)、第一流量传感器(203)、压力传感器(204)、第三温度传感器(205)；所述第一管体(201)上设置有多个安装接口，分别用于连接第一流量传感器(203)、压力传感器(204)、第三温度传感器(205)；所述第一采集器仓(202)设置在第一管体(201)外壁上，第一采集器仓(202)内设置有进风参数采集模块(206)和进风参数信号传输模块(207)，所述进风参数采集模块(206)分别连接第一流量传感器(203)、压力传感器(204)、第三温度传感器(205)。4.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述返风
参数监测单元(3)设置在返风管路(10)上；所述返风参数监测单元(3)包括第二管体(301)、第二采集器仓(302)、一氧化碳浓度传感器(303)、甲烷浓度传感器(304)、第二流量传感器(305)、第四温度传感器(306)；所述第二管体(301)上设置有多个安装口，分别用于连接一氧化碳浓度传感器(303)、甲烷浓度传感器(304)、第二流量传感器(305)、第四温度传感器(306)；所述第二采集器仓(302)设置在第二管体(301)外壁上，第二采集器仓(302)内设置有返风参数采集模块(307)和返风参数信号传输模块(308)，所述返风参数采集模块(307)分别连接一氧化碳浓度传感器(303)、甲烷浓度传感器(304)、第二流量传感器(305)、第四温度传感器(306)。5.如权利要求4所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述返风参数监测单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：方俊，李泉新，刘建林，褚志伟，陈龙，刘飞，张冀冠，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：