[发明专利]模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统及方法

说明书

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。

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20 mm，沿钻杆所对应的钻孔轴线的垂直方向的间距为20 mm。

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：