[发明专利]固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置及方法

权利要求书

1.固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置，其特征在于：包括测定管、涡街流量计、封孔气囊、防爆显示仪和充气泵，测定管前后两端均通透，封孔气囊固定设在测定管前端部外圆周上，涡街流量计安装在测定管上的后部，充气泵设置在防爆显示仪内部，防爆显示仪上设有瓦斯涌出流量显示屏和气囊压力显示屏，涡街流量计通过数据线与防爆显示仪连接，封孔气囊的后侧通过高压软管与充气泵连接，高压软管上设有邻近测定管前端的阀门，气泵压力显示屏的监测端连接在高压软管上。

2.根据权利要求1所述的固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置及方法，其特征在于：测定管外圆周在封孔气囊的前侧和后侧分别设有前导套和后导套；封孔气囊在未充气时的外径小于前导套和后导套的外径，前导套的前端与测定管前端齐平，前导套的前端与测定管前端外圆设有前细后粗的圆锥形导向结构，前导套后侧与封孔气囊前侧之间、后导套前侧与封孔气囊后侧之间均具有膨胀预留间隙。

3.根据权利要求2所述的固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置及方法，其特征在于：测定管的外壁上部沿长度方向设有一根保护管，后导套上沿长度方向开设有用于穿过保护管的穿孔，高压软管穿设在保护管内。

4.根据权利要求1或2或3所述的固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置及方法，其特征在于：测定管的长度为3.5-4m，测定管的外径22mm，测定管内径15mm，前导套和后导套的外径为40mm，封孔气囊的长度为50cm。

5.根据权利要求4所述的固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置的测定方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）在掘进工作面，顺煤层方向，在距巷道帮0.5m处打一个平行于掘进方向，直径为42mm，孔深为4m的钻孔；

（2）打钻完成后立即将测定管前端的封孔气囊伸入到钻孔内，前导套和后导套沿钻孔内壁向前移动，钻杆伸入到钻孔内3m后停止，打开充气泵的开关，设定充气压力为0.2MPa，用充气泵为封孔气囊充气，圆筒形的封孔气囊膨胀后外壁与钻孔内壁顶压接触，关闭阀门，从而对钻孔进行封孔，封孔气囊前端与钻孔底部形成长度为1m的气室；

（3）涡街流量计位于钻孔的孔口外部，打开涡街流量计的开关，观察防爆显示仪上的瓦斯涌出流量显示屏显示的读数，在2min内测定瓦斯涌出初速度值q₀；

（4）打开阀门，封孔气囊放气后马上向后抽出测定管和封孔气囊，继续在该钻孔向前钻进1m，重复步骤（2），封孔气囊前端与钻孔底部形成长度为2m的气室，再重复步骤（3），测得2m气室长度的瓦斯涌出初速度值q_b，将测得的数据与数值模拟的瓦斯涌出临界值进行比较，看该区域是否具有突出危险性；

（5）重复步骤（4）的操作方式，对钻孔逐次进行钻进来增加气室长度，气室长度依次由2m增加为3m、4m、5m、6m、7m和8m；逐个测量气室内的瓦斯涌出初速度值q_b，每次测定的瓦斯涌出初速度值q_b分别与对应气室长度的数值模拟的瓦斯涌出临界值进行对比；若未超出临界值，代表该测定区域没有突出危险性，一旦瓦斯涌出初速度超过对应的瓦斯涌出临界值，则代表该区域有突出危险性。

6.根据权利要求5所述的固定封孔长度瓦斯涌出初速度测定装置的测定方法，其特征在于：数值模拟的瓦斯涌出临界值的确定方法为：

钻孔的孔口到气室后端的长度3m固定，气室长度随钻孔深度变化，每次气室长度增长1m；所测定钻孔的瓦斯涌出初速度，既包括新钻进1m长度的瓦斯涌出初速度，又包括之前气室长度的瓦斯涌出速度，之前气室长度的瓦斯涌出速度随时间呈现负的幂指数逐渐衰减；被测量气室长度的瓦斯涌出初速度q_b为新钻进长度与原有钻进长度的叠加值；

钻孔的瓦斯涌出初速度衰减系数是表示钻孔瓦斯涌出速度随时间延长呈衰减趋势的变化系数，选择有代表性的掘进工作面，按照规定打直径为42mm钻孔，测定其初始瓦斯涌出初速度q₀，经过时间t后测量其流量q_t，然后按照下式计算：

式中：

β——钻孔瓦斯涌出速度衰减系数，min^-1；

q₀——钻孔初始瓦斯涌出初速度，L/min；

q_t——经过t时间的单位钻孔瓦斯涌出速度，L/min；

t——时间，min；

由钻孔瓦斯涌出速度衰减系数的计算公式可知，测量出钻孔初始瓦斯涌出初速度及随后某一时间的瓦斯涌出速度便可计算β值；在掘进工作面的煤层内打钻4m后，在距离钻孔孔口3m处封孔，保持1m气室长度；首先，打钻后立即测量出q₁作为基准，然后，定时Δt测量钻孔瓦斯涌出速度并记录数据，Δt为打一个钻孔和测量瓦斯涌出初速度所用的时间，得出单位钻孔瓦斯涌出速度随时间的变化数据，根据钻孔自然瓦斯涌出速度测定数组，用回归分析求出1m长度气室的钻孔瓦斯涌出速度衰减系数；

采用回归分析方法，可得出钻孔瓦斯涌出速度衰减系数β及q_t随t的变化规律，绘制单位气室长度的瓦斯涌出速度衰减曲线，单位气室长度为1m；

封孔长度固定，变化长度气室内的瓦斯涌出初速度q_b为各单位长度气室的累加求和，即：

式中：q_i——单位气室瓦斯涌出速度；

l——所测定气室长度，m；

保持3m封孔长度固定，每Δt时间得出测量数据，由以上公式可计算出固定气室长度内瓦斯涌出速度随钻进长度的变化数据，如表1所示；

表1. 固定气室长度瓦斯涌出初速度推算公式

综上所述，固定气室长度瓦斯涌出初速度q_b可表示为:

l=1时，q₁= q₀

l≧2时，；

将数据进行拟合，即可得出固定气室长度的瓦斯涌出初速度q_b随气室长度的变化趋势。