本發(fā)明屬于煤礦瓦斯災(zāi)害防治領(lǐng)域，尤其涉及一種井下煤層瓦斯含量定點鉆屑取樣及瓦斯含量計算方法。

背景技術(shù)：

煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種極其復(fù)雜的瓦斯動力災(zāi)害現(xiàn)象。我國2009年起執(zhí)行了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，對煤與瓦斯突出煤層的開采提出了嚴(yán)格要求，但煤與瓦斯突出災(zāi)害防治形勢依然嚴(yán)峻，時有事故發(fā)生。進行煤與瓦斯突出預(yù)測，能指導(dǎo)防突措施科學(xué)的運用、減少防突措施工程量，保障突出煤層作業(yè)人員的人身安全。因此，突出預(yù)測具有重大的現(xiàn)實意義。根據(jù)煤與瓦斯突出的綜合作用假說，煤層瓦斯含量是瓦斯突出的直接控制因素，只有達(dá)到一定的瓦斯含量，煤層才具有突出的可能性。近年來，煤層瓦斯含量作為突出危險性預(yù)測指標(biāo)越來越得到國內(nèi)外的關(guān)注。

瓦斯含量法預(yù)測突出危險性的技術(shù)關(guān)鍵是快速準(zhǔn)確測定預(yù)測煤層的瓦斯含量。澳大利亞采用壓風(fēng)排碴單管取芯直接測定瓦斯含量，由于其煤層賦存條件好，煤質(zhì)硬，因而能夠取到相對完整的煤芯。但由于其計算瓦斯含量時，對損失瓦斯含量沒有采取其它特殊措施，仍沿用補償計算的方式，得出的瓦斯含量值相對準(zhǔn)確性較低。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院全套引進澳大利亞瓦斯含量法技術(shù)，但在松軟煤層鉆進取芯時，取不到完整煤芯。后經(jīng)過風(fēng)水聯(lián)動霧化排碴、雙管雙動取芯等改進試驗，在水平及上仰角取芯時可以保證煤芯一定的完整，但對損失瓦斯量的計算仍沿用澳大利亞的方法。湖南漣紹、四川南桐、河南焦作等礦區(qū)所采用的瓦斯含量法測定為鉆屑法，此法一方面對所取煤樣的破碎度大，瓦斯損失量大；另一方面在鉆孔孔口所接的煤樣不一定是煤層預(yù)定深度的煤屑，因而影響了所測瓦斯含量值的精度。澳大利亞研究人員曾試圖通過鉆桿中間排碴、周圍壓風(fēng)解決預(yù)定深度鉆屑取樣問題，但由于鉆桿中間空間有限，產(chǎn)生的鉆屑量與之不成比例，導(dǎo)致鉆桿堵塞，取樣深度達(dá)不到10m以上。國內(nèi)相關(guān)研究人員針對國內(nèi)煤層賦存及煤質(zhì)特點進行了大量的取樣方法研究工作，相繼開發(fā)出多種取樣取樣裝置，縱覽這些取樣方式，存在以下不足之處：取樣時間長，煤樣密封不好，造成取樣過程中瓦斯損失量大；難以做到真正的定點取樣，不同位置煤樣混樣嚴(yán)重；取樣量少。由此造成測定的瓦斯含量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響了瓦斯危險程度的客觀評價和后續(xù)選取可靠的防治措施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種取樣時間短、定點準(zhǔn)確、瓦斯損失量小的鉆屑定點取樣及瓦斯含量計算方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：鉆屑定點取樣及瓦斯含量計算方法，包括以下具體步驟：

(1)首先進行了煤樣采集和制備，在實驗室完成不同溫度下的解吸曲線測定，得到一系列瓦斯解吸量Q＝AQ(t)曲線，式中A是擬合系數(shù)，t是時間，同時建立溫度和擬合系數(shù)的關(guān)系方程T＝T(A)；

(2)根據(jù)防突技術(shù)方案選取合適的煤層取樣位置，布置鉆機和取樣鉆桿系統(tǒng)進行鉆孔作業(yè)，取樣鉆桿聯(lián)接在鉆頭后，取樣鉆桿后聯(lián)接普通信號傳輸鉆桿，每間隔10個普通信號傳輸鉆桿聯(lián)接一個帶傳輸信號放大功能的鉆桿；

(3)當(dāng)鉆孔鉆到預(yù)定的采樣深度后，鉆桿原位旋轉(zhuǎn)一會，將鉆孔前方鉆屑排出；

(4)通過采集倉控制器控制取樣鉆桿上的采集倉打開采集倉門；

(5)繼續(xù)向前鉆進，采集倉采集鉆頭前方破碎的煤屑；

(6)停止鉆進，通過采集倉控制器控制取樣鉆桿上的采集倉關(guān)閉采集倉門，并記錄采集時間t₀、鉆頭處環(huán)境溫度T₀；

(7)將鉆桿退出，取下取樣鉆桿，取樣鉆桿作為煤樣罐，完成煤樣存儲的任務(wù)；

(8)將取樣鉆桿帶回地面實驗室，將取樣鉆桿放氣口與解吸測定裝置連接，測定自然解吸氣體量Q_J；

(9)打開取樣鉆桿，選取一定有代表性的煤樣放入破碎系統(tǒng)，測定粉碎煤樣過程中的瓦斯解吸量Q_C；

(10)將井下取樣時記錄的鉆頭處環(huán)境溫度T₀帶入關(guān)系方程T＝T(A)，推算出A₀，再由A₀得到瓦斯解吸量Q＝A₀Q(t)方程，將井下煤樣采集時間t₀代入方程Q＝A₀Q(t)可得到井下采樣時的瓦斯損失量Q_S；

(11)最后得到瓦斯含量Q₀＝Q_S+Q_C+Q_J，完成一次瓦斯含量檢測過程。

鉆桿系統(tǒng)包括采集倉控制器、普通信號傳輸鉆桿、帶傳輸信號放大功能的鉆桿、取樣鉆桿和鉆頭。

所述采集倉控制器包括兩個控制按鈕、一個指示燈和電磁信號傳輸/接收裝置，工作人員可以通過控制按鈕控制取樣鉆桿上采集倉的倉門開啟/關(guān)閉，指示燈負(fù)責(zé)告訴操作人員倉門是否開啟/關(guān)閉到位。

所述普通信號傳輸鉆桿跟一般肋骨鉆桿類似，表面帶有螺紋用于排渣，中間具有貫通的空隙，可用于通風(fēng)和通水。其特殊之處在于在兩端聯(lián)接處均有一個鐵氧體磁環(huán)，在鐵氧體磁環(huán)中嵌入有線圈，兩端的線圈連接在一起形成一個閉環(huán)，鐵氧體磁環(huán)和線圈構(gòu)成控制信號的電磁傳輸信道。

所述帶傳輸信號放大功能的鉆桿結(jié)構(gòu)與普通信號傳輸鉆桿類似，區(qū)別在于在兩端線圈中間的連接處增加了一個雙向信號放大電路，用于放大電磁感應(yīng)信號，保證電磁傳輸信道長距離傳輸。

所述取樣鉆桿放置在鉆頭后，區(qū)別于普通信號傳輸鉆桿的地方在于取樣鉆桿中部有煤樣采集倉用于采集、保存煤樣，且取樣鉆桿鉆桿僅有前端有一個鐵氧體磁環(huán)，磁環(huán)中有一個線圈，尾端沒有鐵氧體磁環(huán)和線圈，前端的線圈連接到采集倉控制模塊中。

所述采集倉位于取樣鉆桿中部，用于采集煤樣。采集倉由放氣口、物料傳感器、煤樣倉、密封劑、倉門、螺桿、直線電機、電機支架、控制模塊、溫度傳感器、充電口組成。當(dāng)鉆頭鉆進到預(yù)定位置后，采集倉控制模塊接收到控制器發(fā)出的打開倉門控制信號，驅(qū)動直線電機動作，打開倉門，倉門打開完畢后向控制器反饋信號。繼續(xù)向前鉆進，采集倉收集煤樣完成后，控制器發(fā)送關(guān)閉倉門控制信號，倉門關(guān)閉后采集倉控制模塊向控制器反饋信號。煤樣采集完成后，將鉆桿全部退出，取下取樣鉆桿即可得到預(yù)定位置煤樣。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明采用專用的取樣鉆桿、普通信號傳輸鉆桿、帶傳輸信號放大功能的鉆桿、采集倉控制器配套使用，組成定點鉆屑取樣鉆桿系統(tǒng)。當(dāng)鉆頭鉆進到預(yù)定位置后，可以做到定點取樣，縮短鉆屑暴露時間，煤樣中的瓦斯損失量小，大大提高了采樣效率和檢測準(zhǔn)確性；采用與鉆屑取樣鉆桿系統(tǒng)配套的瓦斯含量計算方法，省去了井下解吸過程，縮短了井下工作時間，根據(jù)取樣時的溫度確定瓦斯損失量的大小更接近實際情況，損失量數(shù)值更準(zhǔn)確。與其他取樣方式、瓦斯含量計算方法相比具有更廣泛的適用性，不但可以應(yīng)用于硬煤層，同樣適用于取煤塊困難的松軟煤層。且取樣深度不受系統(tǒng)本身性能影響，沒有特殊的鉆孔傾角等要求，理論上鉆孔能打多深就能取多深的煤樣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所采用的煤層瓦斯含量定點鉆屑取樣鉆桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中普通信號傳輸鉆桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1中帶傳輸信號放大功能的鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1中取樣鉆桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(a)是圖1中采集倉控制器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(b)是圖1中采集倉控制器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6(a)是鉆桿兩端鐵氧體磁環(huán)及線圈閉環(huán)結(jié)構(gòu)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6(b)是鉆桿兩端鐵氧體磁環(huán)及線圈閉環(huán)結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是取樣鉆桿上采集倉的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、采集倉控制器，2、普通信號傳輸鉆桿，3、帶傳輸信號放大功能鉆桿，4、取樣鉆桿，5、鉆頭，1-1、開倉門按鈕，1-2、關(guān)倉門按鈕，1-3、指示燈，1-4、采集倉控制器充電口，1-5、采集倉控制器控制模塊，1-6、鐵氧體磁環(huán)，1-7、液晶顯示器，3-1、信號傳輸放大模塊，4-1、采集倉，6-1、線圈連接線，6-2、嵌入鐵氧體磁環(huán)中的線圈，7-1、放氣口，7-2、物料傳感器，7-3、煤樣倉，7-4、密封劑，7-5倉門、，7-6、螺桿，7-7、直流直線電機，7-8、電機支架，7-9、采集倉控制模塊，7-10、溫度傳感器，7-11、采集倉充電口。

具體實施方式

首先在需要進行檢測瓦斯含量的煤層采集煤樣帶回地面實驗室，制備實驗用煤樣，完成不同溫度下的解吸曲線測定，得到一系列瓦斯解吸量Q＝AQ(t)曲線，式中A是擬合系數(shù)，t是時間，并通過大量的曲線建立溫度和擬合系數(shù)的關(guān)系方程T＝T(A)留作檢測過程中使用。

根據(jù)瓦斯防突需要，設(shè)計合理的煤層采樣位置，布置鉆機，采用本發(fā)明的定點鉆屑取樣鉆桿系統(tǒng)進行鉆孔作業(yè)。

將鉆頭安裝在取樣鉆桿4的前端，取樣鉆桿后端連接普通信號傳輸鉆桿2，開啟鉆機進行鉆進，隨鉆進深度推進不斷連接普通信號傳輸鉆桿2，每間隔十根普通信號傳輸鉆桿后連接一根帶傳輸信號放大功能鉆桿3，用于放大電磁傳輸信號，確?？刂菩盘柾ǖ劳〞?。

鉆進到預(yù)定取樣位置時，鉆桿在原地鉆動一會，將鉆孔中煤屑排出，然后停鉆。將采集倉控制器1連接在最后一節(jié)鉆桿上(如圖1中所示)，按下開倉門按鈕1-1，控制信號由采集倉控制器控制模塊1-5發(fā)出，通過所有鉆桿中的鐵氧體磁環(huán)1-6、嵌入鐵氧體磁環(huán)中的線圈6-2、線圈連接線6-1組成的電磁信號傳輸通道傳輸?shù)讲杉瘋}控制模塊7-9，接收到開倉門信號后，采集倉控制模塊7-9驅(qū)動直流直線電機7-7運轉(zhuǎn)，螺桿7-6帶動倉門7-5向后移動，倉門打開。采集倉控制模塊7-9通過電磁傳輸通道反饋倉門已打開信號，采集倉控制器控制模塊1-5接收到反饋信號后，控制指示燈1-3閃爍一次，告知鉆機操作員可以繼續(xù)鉆進。鉆機操作員開啟鉆機向前方鉆進，同時記錄開啟鉆機的時間，隨著鉆桿推進煤屑進入煤樣倉7-3，由物料傳感器7-2檢測采集倉內(nèi)的煤樣是否達(dá)到采樣要求數(shù)量，達(dá)到采集數(shù)量時，采集倉控制模塊7-9通過電磁輸出通道反饋采集完畢信號，控制指示燈常亮，鉆機操作員停止鉆進，按下關(guān)倉門按鈕1-2。采集倉控制模塊7-9接收到關(guān)倉門信號后驅(qū)動直流直線電機7-7，螺桿7-6帶動倉門7-5向前移動，直到擠壓到密封劑7-4，倉門關(guān)閉。采集倉控制模塊7-9通過電磁輸出通道反饋倉門已關(guān)閉信號，采集倉控制器控制模塊1-5接收到反饋信號后，控制指示燈1-3閃爍兩次，告知采集倉倉門關(guān)閉，同時記錄下倉門關(guān)閉時間。在預(yù)定位置取樣完成后，將鉆桿逐一退出，將取樣鉆桿2取下，鉆桿2此時相當(dāng)于煤樣罐的作用存儲煤樣。

將取樣鉆桿帶回地面實驗室，先用膠管將放氣口7-1與自然解吸裝置連接，直到在5分鐘內(nèi)不再有氣體放出是解吸完畢，讀取放出瓦斯量，通過標(biāo)準(zhǔn)換算成自然解吸氣體量Q_J。將采集倉控制器1旋入取樣鉆桿前部帶鐵氧體磁環(huán)的端頭，按下開倉門按鈕1-1，采集倉控制模塊7-9驅(qū)動直流直線電機7-7運轉(zhuǎn)，螺桿7-6帶動倉門7-5向后移動，倉門打開。從采集倉4-1中取出煤樣，選取300克的煤樣，放入粉碎解吸機中進行粉碎解吸瓦斯量測定，讀取放出瓦斯量，通過標(biāo)準(zhǔn)換算成粉碎煤樣過程中的瓦斯解吸量Q_C。再次按下開倉門按鈕1-1，讀取采集過程中溫度信號指令由采集倉控制器控制模塊1-5發(fā)出，通過所有鉆桿中的鐵氧體磁環(huán)1-6、嵌入鐵氧體磁環(huán)中的線圈6-2、線圈連接線6-1組成的電磁信號傳輸通道傳輸?shù)讲杉瘋}控制模塊7-9，接收到讀取采集過程中溫度信號后，采集倉控制模塊7-9通過電磁傳輸通道傳輸采集過程溫度信號，采集倉控制器控制模塊1-5接收到采集過程溫度數(shù)據(jù)后，在液晶顯示器1-7上顯示溫度數(shù)值，技術(shù)人員將溫度記錄下來。將井下取樣時記錄的鉆頭處環(huán)境溫度T₀帶入關(guān)系方程T＝T(A)，推算出擬合系數(shù)A₀，再由A₀得到瓦斯解吸量Q＝A₀Q(t)方程，將井下煤樣采集時間t₀代入方程Q＝A₀Q(t)可得到井下采樣時的瓦斯損失量Q_S。然后將Q_S、Q_C、Q_J分別換算到標(biāo)準(zhǔn)情況下的瓦斯含量值進行相加即可得到煤層瓦斯含量Q₀。按下關(guān)倉門按鈕1-2，采集倉控制模塊7-9接收到關(guān)倉門信號后驅(qū)動直流直線電機7-7，螺桿7-6帶動倉門7-5向前移動，直到擠壓到密封劑7-4，倉門關(guān)閉，完成一次瓦斯含量值測定過程。