一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置及方法

技术领域

本发明涉及采矿工程和钻孔设备技术领域，尤其是一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置，以及利用该装置测量钻进过程中煤粉的方法。

背景技术

在井下煤炭开采过程中，随着开采深度的增加，冲击地压也变得日趋严重。为了有效预警冲击地压灾害，GB/T25217《冲击地压测定、监测与防治方法》中提出了钻屑监测方法。钻屑法是向煤体钻直径为42mm的钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的大小及其变化规律和钻孔过程中的动力现象来检测煤体应力集中程度、峰值大小及位置，以判定冲击地压的危险等级，达到冲击地压预测的目的。目前我国煤矿钻屑法的取粉方式主要是在钻屑孔口用编织袋接煤粉，这样就导致煤粉洒落较多，再利用弹簧秤称量编织袋中收集的煤粉，人工记录每米钻杆对应的煤粉量，出井后将数据交给防冲办，测量精度和效率有待提高，智能化水平较低。

钻屑法是一种简便易行的煤层冲击地压检测方法，基于钻屑法的随钻测量技术应用广泛，现有技术中：中国专利(CN110306936A)公开的一种钻屑法专项钻机，仅对钻杆之间的连接方案进行了优化，缺乏对钻屑的自动收集及准确测量。中国专利(CN109443837A)公开了一种钻屑法连续收集煤粉装置，仅是对煤粉进行了全部收集，但是无法自动获得孔单位孔深排粉量，以及钻杆首尾连接时均要进行煤粉清理，人工成本高，效率较低。

发明内容

为了解决钻孔时无法即时确定推进距离和煤粉质量的问题，得到煤粉的平均速度与平均浓度，准确测得煤粉的质量，本发明提供了一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置及方法，具体的技术方案如下。

一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置，包括钻进机构、煤粉收集机构、测量机构和数据处理模块，所述钻进机构包括钻头、钻杆、驱动杆和气动马达，气动马达带动驱动杆转动，驱动杆和钻杆固定连接，钻杆的端部固定配置有钻头；所述煤粉收集机构包括连接套、连接管和负压式煤粉收集器，连接套两端分别连接驱动杆和连接管，负压式煤粉收集器通过连接管收集煤粉；所述测量机构包括位置传感器和微波固体流量计，位置传感器设置在气动马达和驱动杆之间，微波固体流量计设置在连接管上；所述数据处理模块的上位机接收位置传感器和微波固体流量计的监测信息并处理，上位机还具有显示器；所述驱动杆、连接套和连接管的中空部相连通形成煤粉收集通道。

优选的是，钻头和钻杆通过螺纹连接，钻杆和驱动杆之间通过螺纹连接，驱动杆与连接套之间通过螺纹连接，连接管和连接套之间通过螺纹连接，负压式煤粉收集器和连接管之间通过螺纹连接。

优选的是，微波固体流量计的安装方向和连接管的轴向垂直，微波固体流量计和上位机之间连接有数据线，微波固体流量计内配置有电源。

优选的是，钻头为空心钻头，钻头配置有多个切削齿，切削齿对称分布，各个切削齿之间留有缝隙，缝隙和中空部之间具有煤粉收集通道。

还优选的是，位置传感器套设在驱动杆上，位置传感器呈圆形并具有环形卡箍，气动马达安装在驱动杆的中部。

还优选的是，气动马达上还设置有滑轨连接部，气动马达安装在滑轨上，气动马达带动驱动杆在滑轨上移动并接入多根钻杆。

还优选的是，负压式煤粉收集器呈蜗壳状，内部具有多个旋转叶片，尾端设置有负压泵，负压泵和外部电机相连。

一种抽出式煤粉自动收集和质量测定方法，利用上述的一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置，其特征在于，步骤包括：

S1.选择钻孔位置，安装钻进机构、煤粉收集机构、测量机构和数据处理模块；

S2.钻机机构启动钻头钻杆沿煤壁推进；

S3.煤粉收集机构的负压式煤粉收集器启动，煤粉沿钻头位置的煤粉收集通道，然后依次进入钻杆、驱动杆、连接套、连接管中的煤粉收集通道；

S4.断开驱动杆和钻杆的连接，沿滑轨移动驱动马达，在钻杆和驱动杆之间继续接入钻杆，钻杆连接后继续钻进；

S5.重复S3-S4，并通过测量结构和数据处理模块记录钻进过程中的推进距离和煤粉量。

进一步优选的是，微波固体流量计利用多普勒信号测量连接管内煤粉的流动速度和浓度，具体是当固体颗粒流经连接管时，微波固体流量计发射单频连续波，并接收流体的回波信号，两路混频经过滤波后得到多普勒信号。

进一步优选的是，微波固体流量计将多普勒信号传输至上位机，上位机处理得到煤粉的流速、浓度，并计算煤粉质量。

本发明提供的一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置及方法有益效果是，通过设置煤粉收集通道将钻进过程中的煤粉进行收集，并在煤粉输送过程中完成了实时测量，配合位置传感器能够得到煤粉的平均速度与平均浓度；微波固体流量计通过多普勒信号进行测量，并配合上位机对数据进行处理，实现了煤粉的实时监测；该方法采用负压收集煤粉的方法，减少了钻孔内的煤粉残留，并且在钻杆更换之前已经完成了测量，使得钻杆位置和煤粉参数更好的对应，并且保证了施工的安全。

附图说明

图1是抽出式煤粉自动收集和质量测定装置的结构示意图；

图2是煤粉收集机构和测量机构的侧视图；

图3是煤粉收集机构和测量机构的结构示意图；

图4是连接套的安装结构示意图；

图5是图4中结构的侧视图；

图6是煤粉测量原理示意图；

图中：1-钻头，2-钻杆，3-驱动杆，4-位置传感器，5-气动马达，6-连接套，7-微波固体流量计，8-上位机，9-连接管，10-负压式煤粉收集器，11-连接套。

具体实施方式

结合图1至图6所示，本发明提供的一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置及方法具体实施方式如下。

一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置，包括钻进机构、煤粉收集机构、测量机构和数据处理模块，钻进机构实现钻孔操作，煤粉收集机构和测量机构配合实现了煤粉和钻杆位置对应的测量，并有效的收集煤粉，减小了误差，数据处理模块对测量机构的监测数据进行处理。钻进机构包括钻头1、钻杆2、驱动杆3和气动马达5，气动马达5带动驱动杆转动，驱动杆3和钻杆固定连接，钻杆2的端部固定配置有钻头；气动马达5利用井下风管驱动，为钻机提供动力；钻进过程中依次连接多根钻杆实现长距离钻孔。煤粉收集机构包括连接套6、连接管9和负压式煤粉收集器10，连接套6两端分别连接驱动杆和连接管，负压式煤粉收集器10通过连接管收集煤粉。测量机构包括位置传感器4和微波固体流量计7，位置传感器4设置在气动马达和驱动杆之间，微波固体流量7计设置在连接管上，微波固体流量计7测量确定煤粉的质量。数据处理模块的上位机接收位置传感器和微波固体流量计的监测信息并处理，上位机还具有显示器。驱动杆3、连接套6和连接管9的中空部相连通形成煤粉收集通道，对钻进过程中煤粉通过煤粉收集通道进入负压式煤粉收集器。上位机8将钻杆的推进距离与煤粉量一一对应，得出单位孔深排粉量，并将数据进行显示和储存。

其中，气动马达5和位置传感器4通过环状卡箍固定在驱动杆上，位置传感器4位于驱动杆外部，驱动杆3后端和连接套的旋转端通过螺纹连接，连接套6的旋转端和固定端通过连接轴承实现一端旋转，另一端固定，该连接轴承具有连接套旋转端和连接套固定端。连接管9的前端与连接套固定端通过螺纹连接，连接管9的尾端通过螺纹连接负压式煤粉收集器；连接管的中端设置有微波固体流量计，沿垂直方向进行安装；微波固体流量计7通过数据线和上位机8连接。其中钻头1和钻杆2通过螺纹连接，钻杆2和驱动杆3之间通过螺纹连接，驱动杆3与连接套6之间通过螺纹连接，连接管9和连接套6之间通过螺纹连接，负压式煤粉收集器10和连接管9之间通过螺纹连接。钻头1为空心钻头，钻头1的直径可以为42mm，钻头配置有多个切削齿，可以设置4个切削齿，切削齿呈圆形对称分布，各个切削齿之间留有缝隙，该缝隙较大，缝隙和中空部之间具有煤粉收集通道，钻进过程中煤粉沿煤粉收集通道流动，另外该煤粉收集通道的内壁光滑。

微波固体流量计7的安装方向和连接管的轴向垂直，微波固体流量计7和上位机8之间连接有数据线，微波固体流量计7内配置有电源。位置传感器4套设在驱动杆上，位置传感器4呈圆形并具有环形卡箍，通过卡箍的松紧调节可以固定或调整传感器的安装位置。气动马达安装在驱动杆的中部，气动马达两侧的驱动杆长度可以相对；还可以在气动马达上设置环状卡箍，利用卡箍的松紧调节调整气动马达的安装位置。微波固体流量计内部具有微波传感器，微波传感器与连接管道呈60°安装，微波传感器发射单频连续波，从而可以使发出的信号波覆盖煤粉收集通道的全部流体颗粒。

气动马达5上还设置有滑轨连接部，气动马达安装在滑轨上，气动马达带动驱动杆在滑轨上移动并接入多根钻杆。气动马达在压力能作用下，可以旋转推进，并且气动马达外侧存在滑轨连接口，连接外在滑轨装置，将钻杆和驱动杆分离，人工推动滑轨装置，将驱动杆及连接装置返回未钻孔时位置，为连接钻杆留出工作空间。

负压式煤粉收集器10呈蜗壳状，内部具有多个旋转叶片，尾端设置有负压泵，负压泵和外部电机相连。其中负压泵的一端与蜗壳外侧中心处通过螺纹连接，负压泵另一端连接外部电机，通过外部电机提供动力，负压泵进行工作，使旋转叶片转动，产生负压，吸收所述连接管中的煤粉，因为整个装置的内部均为中空，并且在同一水平线上连接组成，通过负压可以很顺利的将煤粉从钻头吸入，经过内壁光滑、密闭的煤粉收集通道，在排出口排出。

一种抽出式煤粉自动收集和质量测定方法，利用上述的一种抽出式煤粉自动收集和质量测定装置，其特征在于，步骤包括：

S1.选择钻孔位置，安装钻进机构、煤粉收集机构、测量机构和数据处理模块。

S2.钻机机构启动钻头钻杆沿煤壁推进。

S3.煤粉收集机构的负压式煤粉收集器启动，煤粉沿钻头位置的煤粉收集通道，然后依次进入钻杆、驱动杆、连接套、连接管中的煤粉收集通道。

S4.断开驱动杆和钻杆的连接，沿滑轨移动驱动马达，在钻杆和驱动杆之间继续接入钻杆，钻杆连接后继续钻进。

S5.重复S3-S4，并通过测量结构和数据处理模块记录钻进过程中的推进距离和煤粉量。

其中气动马达连接动力系统向驱动杆提供作用力，驱动杆进行推进旋转，驱动杆带动钻杆、钻头旋转推进，将完整煤体切削为煤粉，负压式煤粉收集器提供负压，使钻头切削的煤粉吸入钻头中间的空心钻杆，煤粉通过整个收集装置的内部传送，直至运输到负压式煤粉收集器的排出口，将煤粉收集处理。当一个钻杆完全打进岩层时，驱动杆和钻杆通过螺纹断开连接，气动马达和驱动杆以及位置传感器通过滑轨返至未打孔位置，为连接新的钻杆留出充足空间，当新的钻杆连接完毕后，驱动杆再次与钻杆通过螺纹连接，气动马达提供动力，进行新的钻杆长度的钻进工作，如此往复上述换杆钻进过程，直至工作结束。

当煤粉在负压式煤粉收集器的负压作用下运输时，煤粉经过连接管中部的微波固体流量计时，可以得出煤粉的平均速度与平均浓度，继而可以准确的测得煤粉的质量，这样可以得出煤粉与时间的关系；其次，位置传感器会根据钻杆的推进，得出时间与每米钻杆的对应关系，在上位机中进行数据处理，就得出了单位孔深排粉量。微波固体流量计利用多普勒信号测量连接管内煤粉的流动速度和浓度，具体是当固体颗粒流经连接管时，微波固体流量计发射单频连续波，并接收流体的回波信号，两路混频经过滤波后得到多普勒信号。微波固体流量计将多普勒信号传输至上位机，上位机处理得到煤粉的流速、浓度，并计算煤粉质量。微波固体流量计，利用多普勒信号对煤粉进行测量，可以得出煤粉的平均速度与平均浓度，继而可以准确测得煤粉的质量，利用上位机系统可以对数据进行储存与传输，极大的改善煤粉的收集测量与数据传输。

该方法通过设置煤粉收集通道将钻进过程中的煤粉进行收集，并在煤粉输送过程中完成了实时测量，配合位置传感器能够得到煤粉的平均速度与平均浓度；微波固体流量计通过多普勒信号进行测量，并配合上位机对数据进行处理，实现了煤粉的实时监测；该方法采用负压收集煤粉的方法，减少了钻孔内的煤粉残留，并且在钻杆更换之前已经完成了测量，使得钻杆位置和煤粉参数更好的对应，并且保证了施工的安全。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。