一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，包括聲波儀、導(dǎo)線、控制器及處理器、顯示器，所述聲波儀包括外殼、封閉蓋、上夾煤板、下夾煤板、聲波發(fā)射器、標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱和聲波接收器，所述外殼一端封閉，另一端開口，所述開口用封閉蓋封閉，外殼中間放置標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱，標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱一端用下夾煤板夾持，另一端用上夾煤板夾持；下夾煤板上設(shè)有聲波發(fā)射器，聲波發(fā)射器一端與標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱接觸，另一端通過導(dǎo)線與控制及處理器連接，上夾煤板設(shè)有聲波接收器，聲波接收器一端與標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱接觸，另一端通過導(dǎo)線與控制及處理器連接。本發(fā)明提供的裝置，具有測量精確，操作便捷，省時省力等優(yōu)點。本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置測瓦斯壓力的方法。
【專利說明】一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測定煤層瓦斯壓力的裝置，具體涉及一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]高瓦斯礦井和突出礦井的開采往往有瓦斯涌出和煤與瓦斯突出事故，嚴(yán)重影響和制約著煤炭的安全開采和煤炭行業(yè)的健康發(fā)展。煤層瓦斯壓力是評估煤層突出危險性的重要指標(biāo)之一，煤層在開采之前必須預(yù)先對煤層瓦斯壓力進(jìn)行探測，進(jìn)而采取相應(yīng)的瓦斯抽采措施。而現(xiàn)有的鉆孔測瓦斯壓力的方法主要是預(yù)先鉆孔，放置壓力傳感器，封堵抽采鉆孔、測壓等操作，其存在著封孔質(zhì)量差，工人長時間看管儀表，測壓耗時長，測壓效率低，測壓不精確的問題。
[0003]超聲波在煤柱中傳遞速度與煤柱所處的氣體壓力有關(guān)，在地面壓差不大的情況下，波速幾乎相同，但是在井下煤層中，尤其是高瓦斯、瓦斯突出礦井，瓦斯壓力達(dá)到了0.1MPa以上，在這種壓力下，超聲波在煤柱中傳遞速度與標(biāo)準(zhǔn)壓力下相差較大，因為試驗煤柱長度是已知的，如果得到超聲波在煤柱中的傳播時間即可以得到超聲波在煤柱中傳播的速度，煤柱中瓦斯壓力不同時，超聲波在煤柱中傳播速度不同，并且煤柱中超聲波傳播速度與煤柱中瓦斯壓力呈線性關(guān)系。在實驗室對不同瓦斯壓力情況下超聲波在含瓦斯煤柱中的速度進(jìn)行標(biāo)定，即可以得到瓦斯壓力與超聲波速度的函數(shù)關(guān)系，在此函數(shù)關(guān)系基礎(chǔ)上測定超聲波在煤柱中傳播的時間差即可反推出瓦斯壓力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明設(shè)計出一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，具有測量精確，操作便捷，省時省力等優(yōu)點。本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置測瓦斯壓力的方法，簡化了測壓操作，測壓操作簡單便捷，節(jié)約了工人大量的工作時間，顯著提高了瓦斯壓力的測量精度和測量效率。
[0005]一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，包括聲波儀、導(dǎo)線、控制及處理器、顯示器，所述聲波儀包括外殼、封閉蓋、下夾煤板、上夾煤板、聲波發(fā)射器、標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱和聲波接收器，所述外殼一端封閉，另一端開口，所述開口用所述封閉蓋封閉，所述外殼內(nèi)表面噴有吸聲涂層，所述外殼外表面布有網(wǎng)孔；所述外殼中間放置標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱兩端分別用下夾煤板和上夾煤板夾持；所述下夾煤板上設(shè)有聲波發(fā)射器，所述聲波發(fā)射器一端與所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱接觸，另一端穿過封閉蓋通過導(dǎo)線與控制及處理器連接，所述上夾煤板上設(shè)有聲波接收器，所述聲波接收器一端與所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱接觸，另一端穿過封閉蓋通過導(dǎo)線與控制及處理器連接。
[0006]本發(fā)明所述的一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其中，所述外殼長度為500?900mm,直徑為 50 ?70mm。
[0007]本發(fā)明所述的一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱長度為400?800mm，直徑為40?66mm，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱為完整的煤柱，本發(fā)明所說的完整的煤柱是指無較大裂紋或無破碎的煤柱。
[0008]本發(fā)明所述的一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其中，所述外殼由金屬鐵制成。
[0009]本發(fā)明所述的一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其中，所述上夾煤板和所述下夾煤板表面附有吸聲填充層，所述吸聲填充層為多層硅酸鋁棉。
[0010]本發(fā)明所述的一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其中，所述封閉蓋為螺紋旋轉(zhuǎn)封閉蓋。
[0011]一種使用上述裝置測瓦斯壓力的方法，包括以下步驟:
[0012](a)向?qū)⑦M(jìn)行瓦斯抽采的待測煤層打鉆孔；
[0013](b)通過步驟(a)中所述鉆孔，取出所述煤層中的煤柱，加工成標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱在與待測煤層相同溫度，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下解析；解析完成后，在上述溫度和壓力條件下測出瓦斯壓力值(壓力校準(zhǔn)值)，并以所述瓦斯壓力值對聲波儀進(jìn)行校零；
[0014](c)在步驟(a)中所述鉆孔中放置步驟(b)中所述聲波儀，所述聲波儀放置在步驟(a)中所述煤層中間位置，將導(dǎo)線引出至瓦斯鉆孔孔口，所述導(dǎo)線與控制及處理器連接，啟動裝置測試超聲波信號，確認(rèn)裝置無故障后，用封孔材料封堵瓦斯鉆孔；
[0015](d)步驟(b)所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱吸附瓦斯，當(dāng)所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱中內(nèi)外壓力平衡，所述內(nèi)外壓力的值接近于原始瓦斯壓力時，步驟(C)中所述控制及處理器根據(jù)聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波與聲波接受器接收超聲波的時間差測得瓦斯壓力。
[0016]本發(fā)明所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其中，步驟(b)中所述瓦斯壓力值是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，待測煤層溫度下，標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱解析48h后，采用超聲波測瓦斯壓力的裝置測得的壓力值。
[0017]本發(fā)明所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其中，步驟(d)中所述超聲波的頻率為1KHz ?2.5MHz，精度 0.1 μ s ;幅度:0 ?150dB。
[0018]本發(fā)明所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其中，步驟(d)中所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱吸附瓦斯時間為48h。
[0019]本發(fā)明提供的一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，具有測量精確，操作便捷，省時省力等優(yōu)點；所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱長度為400?800mm，直徑為40?66mm，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱為完整的煤柱，有利于壓力測試的精確性，且易于加工成型；所述上夾煤板和所述下夾煤板表面附有吸聲填充層為多層硅酸鋁棉，多層硅酸鋁棉兼有較強的吸聲性能和穩(wěn)定性；所述封閉蓋為螺紋旋轉(zhuǎn)封閉蓋；可以調(diào)整夾緊標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱，使實驗測試更加精確。
[0020]本發(fā)明提供的使用上述裝置測瓦斯壓力的方法，聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波通過標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱傳遞，而其他擴散的超聲波被周圍的吸聲涂層或吸聲材料吸收，不會干擾數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且由于瓦斯鉆孔中僅僅引出兩條引線，鉆孔封堵嚴(yán)密性較高，測得壓力接近真實壓力，具有測量精確，操作便捷，省時省力等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明利用超聲波測瓦斯壓力的裝置的工作原理圖；
[0022]圖2為本發(fā)明利用超聲波測瓦斯壓力的裝置的主視圖；
[0023]圖3為本發(fā)明利用超聲波測瓦斯壓力的裝置沿圖2中A-A線的剖視圖；
[0024]圖4為本發(fā)明利用超聲波測瓦斯壓力的裝置的工作狀態(tài)的示意圖。
[0025]圖中，I一控制及處理器，2—顯示器，3—導(dǎo)線，4一聲波發(fā)射器，5—標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱，6—聲波接收器，7—封閉蓋，8—下夾煤板，9一外殼，1—上夾煤板11一網(wǎng)孔，12—封孔材料，13 一巖層，14 一煤層。
[0026]下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明利用超聲波測瓦斯壓力的裝置及方法進(jìn)一步說明。

【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，包括聲波儀、導(dǎo)線3、控制器及處理器1、顯示器2，聲波儀包括外殼9、封閉蓋7、下夾煤板8、上夾煤板10、聲波發(fā)射器4、標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5和聲波接收器6,長度為500mm、直徑為50mm的外殼9 一端封閉，另一端開口，所述開口用螺紋旋轉(zhuǎn)封閉蓋7封閉，夕卜殼9由金屬鐵制成,夕卜殼9外表面布有網(wǎng)孔11，夕卜殼9內(nèi)表面噴有吸聲涂層；外殼9中間放置長度為400mm,直徑為40mm的標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5，標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5為完整的煤柱，該完整的煤柱是指無較大裂紋或無破碎的煤柱，標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5 —端用下夾煤板8夾持，另一端用上夾煤板10夾持，下夾煤板8上設(shè)有聲波發(fā)射器4，聲波發(fā)射器4 一端與標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5接觸，另一端穿過封閉蓋7通過導(dǎo)線3與控制及處理器I連接，上夾煤板10上設(shè)有聲波接收器6，聲波接收器6 —端與標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5接觸，另一端穿過封閉蓋7通過導(dǎo)線3與控制及處理器I連接，下夾煤板8和所述上夾煤板10表面附有吸聲填充層，該吸聲填充層為多層硅酸鋁棉。
[0029]本實施例利用超聲波測瓦斯壓力的裝置的工作原理是:通過控制及處理器I激活聲波發(fā)射器4,聲波發(fā)射器4向標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5中發(fā)射超聲波,超聲波在標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5介質(zhì)中傳播，聲波接收器6接收到標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5中傳遞的超聲波后發(fā)送到控制器及處理器1，控制器及處理器I根據(jù)發(fā)射超聲波與接受超聲波間的時間差進(jìn)行處理計算得出煤層中瓦斯壓力，若持續(xù)15分鐘控制器及處理器I測得瓦斯壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定，則所測得數(shù)據(jù)即可認(rèn)為瓦斯壓力。
[0030]本實施例上述裝置測瓦斯壓力的方法，包括以下步驟:
[0031](a)向?qū)⑦M(jìn)行瓦斯抽采的待測煤層14打鉆孔；
[0032](b)通過步驟(a)中所述鉆孔，取出所述煤層14中的煤柱，加工成標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5在與待測煤層14相同溫度，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下解析48h，所述解析為瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化成游離狀態(tài)；解析完成后，在上述溫度和壓力條件下測出瓦斯壓力值(壓力校準(zhǔn)值)，并以所述瓦斯壓力值對聲波儀進(jìn)行校零；
[0033](c)在步驟(a)中所述鉆孔中放置步驟(b)中所述聲波儀，所述聲波儀放置在步驟(a)中所述煤層14中間位置，將導(dǎo)線3引出至瓦斯鉆孔孔口，導(dǎo)線3與控制及處理器I連接，啟動裝置測試超聲波信號，確認(rèn)裝置無故障后，用封孔材料12封堵瓦斯鉆孔；
[0034](d)步驟(b)中所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5吸附瓦斯時間為48h，當(dāng)所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5中內(nèi)外壓力平衡，所述內(nèi)外壓力的值接近于原始瓦斯壓力時，步驟(C)中所述控制及處理器根據(jù)聲波發(fā)射器4發(fā)射超聲波與聲波接受器6接收超聲波的時間差測得瓦斯壓力，超聲波頻率為1KHz，精度0.1 μ s ;幅度=OdB0
[0035]實施例2
[0036]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，包括聲波儀、導(dǎo)線3、控制器及處理器1、顯示器2，聲波儀包括外殼9、封閉蓋7、下夾煤板8、上夾煤板10、聲波發(fā)射器4、標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5和聲波接收器6,長度為900mm、直徑為70mm的外殼9 一端封閉，另一端開口，所述開口用螺紋旋轉(zhuǎn)封閉蓋7封閉，夕卜殼9由金屬鐵制成,夕卜殼9外表面布有網(wǎng)孔11，夕卜殼9內(nèi)表面噴有吸聲涂層；外殼9中間放置長度為800mm,直徑為66mm的標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5，標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5為完整的煤柱，該完整的煤柱是指無較大裂紋或無破碎的煤柱，標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5 —端用下夾煤板8夾持，另一端用上夾煤板10夾持，下夾煤板8上設(shè)有聲波發(fā)射器4，聲波發(fā)射器4 一端與標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5接觸，另一端穿過封閉蓋7通過導(dǎo)線3與控制及處理器I連接，上夾煤板10上設(shè)有聲波接收器6，聲波接收器6 —端與標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5接觸，另一端穿過封閉蓋7通過導(dǎo)線3與控制及處理器I連接，下夾煤板8和所述上夾煤板10表面附有吸聲填充層，該吸聲填充層為多層硅酸鋁棉。
[0037]本實施例利用超聲波測瓦斯壓力的裝置的工作原理同實施例1。
[0038]本實施例上述裝置測瓦斯壓力的方法，包括以下步驟:
[0039](b)向?qū)⑦M(jìn)行瓦斯抽采的待測煤層14打鉆孔；
[0040](b)通過步驟(a)中所述鉆孔，取出所述煤層14中的煤柱，加工成標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5在與待測煤層14相同溫度，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下解析48h，所述解析為瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化成游離狀態(tài)；解析完成后，在上述溫度和壓力條件下測出瓦斯壓力值(壓力校準(zhǔn)值)，并以所述瓦斯壓力值對聲波儀進(jìn)行校零；
[0041](c)在步驟(a)中所述鉆孔中放置步驟(b)中所述聲波儀，所述聲波儀放置在步驟(a)中所述煤層14中間位置，將導(dǎo)線3引出至瓦斯鉆孔孔口，導(dǎo)線3與控制及處理器I連接，啟動裝置測試超聲波信號，確認(rèn)裝置無故障后，用封孔材料12封堵瓦斯鉆孔；
[0042](d)步驟(b)中所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5吸附瓦斯時間為48h，當(dāng)所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱5中內(nèi)外壓力平衡，所述內(nèi)外壓力的值接近于原始瓦斯壓力時，步驟(C)中所述控制及處理器根據(jù)聲波發(fā)射器4發(fā)射超聲波與聲波接受器6接收超聲波的時間差測得瓦斯壓力，超聲波頻率為2.5MHz，精度0.1 μ s ;幅度:150dB。
[0043]以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本本發(fā)的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其特征在于:包括聲波儀、導(dǎo)線(3)、控制及處理器(I)、顯示器(2)，所述聲波儀包括外殼(9)、封閉蓋(7)、下夾煤板(8)、上夾煤板(10)、聲波發(fā)射器(4)、標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)和聲波接收器(6),所述外殼(9) 一端封閉，另一端開口，所述開口用封閉蓋(7)封閉，所述外殼(9)內(nèi)表面噴有吸聲涂層，所述外殼(9)外表面布有網(wǎng)孔(11);所述外殼(9)中放置標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5) —端用下夾煤板(8)夾持，另一端用上夾煤板(10)夾持；所述下夾煤板(8)上設(shè)有聲波發(fā)射器(4)，所述聲波發(fā)射器(4) 一端與所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)接觸，另一端穿過封閉蓋(7)通過導(dǎo)線(3)與控制及處理器(I)連接，所述上夾煤板(10)上設(shè)有聲波接收器￠)，所述聲波接收器(6)一端與所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)接觸，另一端穿過封閉蓋(7)通過導(dǎo)線(3)與控制及處理器(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其特征在于:所述外殼(9)長度為500?900mm,直徑為50?70mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其特征在于:所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)長度為400?800mm,直徑為40?66mm,所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)為完整的煤柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其特征在于:所述外殼(9)由金屬鐵制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其特征在于:所述上夾煤板(10)和所述下夾煤板(8)表面附有吸聲填充層，所述吸聲填充層為多層硅酸鋁棉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項所述利用超聲波測瓦斯壓力的裝置，其特征在于:所述封閉蓋(7)為螺紋旋轉(zhuǎn)封閉蓋。
7.利用權(quán)利要求1?6中任一所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)向進(jìn)行瓦斯抽采的待測煤層(14)打鉆孔； (b)通過步驟(a)中所述鉆孔，取出所述煤層(14)中的煤柱，加工成標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)在與待測煤層(14)相同溫度、壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下解析；解析完成后，在上述溫度和壓力條件下測出瓦斯壓力值，并以所述瓦斯壓力值對聲波儀進(jìn)行校零； (C)在步驟(a)中所述鉆孔中放置步驟(b)中所述聲波儀，所述聲波儀放置在步驟(a)中所述煤層(14)中間位置，將導(dǎo)線(3)引出至瓦斯鉆孔孔口，所述導(dǎo)線(3)與控制及處理器(I)連接，啟動裝置測試超聲波信號，確認(rèn)裝置無故障后，用封孔材料封堵(12)瓦斯鉆孔； (d)步驟(b)所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)吸附瓦斯，當(dāng)所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)中內(nèi)外壓力平衡，所述內(nèi)外壓力的值接近于原始瓦斯壓力時，步驟(c)中所述控制及處理器(I)根據(jù)聲波發(fā)射器(4)發(fā)射超聲波與聲波接受器(6)接受超聲波的時間差進(jìn)行處理測得瓦斯壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其特征在于:步驟(b)中所述瓦斯壓力值是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，與待測煤層(14)相同溫度下，所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)解析48h后，采用超聲波測瓦斯壓力的裝置測得的壓力值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其特征在于:步驟(d)中所述超聲波的頻率為1KHz?2.5MHz，精度0.1 μ s ;幅度:0?150dB。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置測瓦斯壓力的方法，其特征在于:步驟(d)中所述標(biāo)準(zhǔn)試驗煤柱(5)吸附瓦斯時間為48h。
【文檔編號】E21B47/06GK104329078SQ201410446698
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】穆朝民, 石必明, 伍清, 齊娟, 張文清, 胡祖祥, 高光發(fā), 程建圣 申請人:安徽理工大學(xué)