一種煤層瓦斯壓力測定儀及測定方法

2023-10-25 09:17:02 2

專利名稱：一種煤層瓦斯壓力測定儀及測定方法
一種煤層瓦斯壓力測定i^測定方法
駄領域
本發明涉及一種煤層瓦斯壓力測定(^:測定方法，尤其適用於^r井下煤層瓦
斯壓力的直接測定。 背景駄
我國既是世界上麟產量最大的國家，也是w瓦斯(甲垸)最為嚴重的國家
之一。每^;國igr死亡人數是美國的200倍，印度的10多倍，百萬噸死亡率是
世界平均水平的io倍。據統計，我國現有國有重點iir 6oo多個，其中高瓦斯和
突出礦井約佔一半。1983 2000年間，全國,平均發生重大瓦斯事故9起，死 亡185人，約佔同期JW"—fflH防，事故總數的16%，死亡人數的49%。此外，
瓦斯是除二氧化齢卜造^:氣汙染的主要汙染源之一，它增大了大氣層的iU^ M，
而全世界Jir每年排方j(A大氣的瓦其疆約為300億m3。由此看來，JiT瓦斯不僅 對礦工生命及國家財產構成重大劇辦、嚴重製約鮮生產能力的辦，造成了不良 的社會和政治影響，而且還汙染了人鄉以生存的大氣環境。因此，瓦斯治理一直
被作為我國iir安全生產工作的頭等大事來抓。
近io多年來，為了掌握礦井瓦斯的賦存及湧出規律，以消除;^炸瓦斯源、防
止煤與瓦斯突出事故的發生、開發與利用瓦斯資源，國家組織開展了礦井瓦斯湧出
4f頁測、瓦斯抽方M局部瓦斯積聚防治技術的攻關研究，取得了一批重要成果，為 保障iW安全^起到了一定的積極作用。在長期治理瓦斯的實踐中，我國已探索 形成了"以煤層瓦l^測定為基礎，以瓦斯危斷號預測(瓦斯湧出Sf頁測和煤與 瓦斯突出危險性預測)為依據，以瓦斯防治措施為手段"的U i宗合治理模式。
要有效iikift行瓦斯治理工作，首先必須進行比較準確的瓦斯壓力測量，其任務 是測定煤 L隙中所會游離瓦斯的氣體壓九即氣體作用於孔隙壁的壓力。煤層瓦斯 壓力是決定煤層瓦S^量的一個主要因素，同時也，煤層突出危險'teitfiil測和 評價的基礎性參數。由此可見，煤層瓦斯壓力的測定工作是一切瓦斯防治措施的基 礎，具有不可割戈的重要地位。瓦斯壓力值的準確性不但制約礦井瓦鵬斷號預 測的可靠性，而且將影響以此為依據而帝啶的瓦斯防治措施的有效性與經濟性。目前人們對煤層瓦斯壓力的測定方法進行了大量研究，並開展了廣泛的煤層瓦 斯壓力測定工作。但最常用和最可靠的方法還題過井下直接測定法得到的。直接 測定煤層瓦斯壓力方法(簡稱直接測壓法)是用鑽機由巖層 ^某層，向預定 測量煤層瓦斯壓力的地點打^佔孔、然後在鑽孔中放置測壓管再將鑽孔嚴密封閉堵
塞並將壓力表和測壓管相連來測出瓦斯壓力。直接測壓法的關鍵是鑽孑Li寸閉的質量，
但是由於有測壓管的存在，造成封孔介質和領,管之間存在微間隙，導l^寸孔不嚴， 測壓的時間較長，可育激傲某層瓦斯壓力的觀糧值與真實壓力值有很大i^。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，llf共一種結構簡單，測試方便，
精度高，靈驗高，^頓效果好的j;聽瓦斯壓力測定做測定方法。
本發明的煤層瓦斯壓力觀啶儀，由設在煤層內的信號對寸器和巷道內的便攜 式可移動接收器構成，其中信號皿器由壓力變送器，與壓力變送親i^連接的
A/D轉換器、單片機和收發模塊構成；可攜式可移動接收器由收發模與l^^連接單 片機和顯示模塊構成。
戶;M的壓力變送器由恆流源U5和集j^文大器U3會M的放大電路以及插接在 單排插針JP1上的SU100型壓力傳感器構成；所述的A/D轉換器的型號為 MAX1240;所述的單片機的型號為LPC932;所述的收發模±央為nRF905;戶，的 顯示模塊的型號為3V工作電壓的陣列1602。
本發明的煤層瓦斯壓力領l澱方法
a. 先用鑽頭對巖石向著廳方向鑽一小孔，！^鑽妾,層為止；
b. 用鋼管將封裝好的信號對寸翻入小 L^部；
c. 用直徑大於小 L徑約40。/。的鑽頭對小孑Ut行擴孔，擴孔深度/約為2米；
d. 對擴孑,封孔，,瓦斯外溢；
e. 鞭攜式可移動接收器設在^it鑽孑U寸孔^apf逝，即可接收信號對寸器發 出的 。
本發明的有益效果M31設在廳中的壓力^t器，將壓力信號轉變為電信號，
M31收發模土央或有線方式通信，在^it中可精確的測量煤層內部瓦斯壓力。禾,無 線或有線測壓時，封孔簡單嚴密，^t操作過禾雜B寸短，^fjf率高，測量 精確。 大大提高了工作效率，會^f共更加準確的煤層瓦斯壓力值，使得煤層瓦^M和煤 層突出危險性謝Tf顧,評價結果更加準確，從而可以得出更加合理的治理瓦斯的 方案，有效防治瓦斯事故的發生。其結構簡單，造價低，測itt"便，精度高，靈敏 度高，〗頓效果好，具有廣泛的實用性。


圖1是本發明的位置結構示意圖。
圖2是本發明的信號^|寸器構 圖。 圖3是本發明的信號劍才器電路原理圖。 圖4是本發明的可移動接收器構成框圖。 圖5是本發明的可移動接收器電路原理圖。
其中l-信號劍寸器；2-可攜式可移動接收器；3-壓力變送器，4-A/D轉換器; 5陽單片機；6-雌模塊；7-顯示模±央；M-煤層；H-離；Y—巖石；/-擴孔深度。
具體實驗式
下面結合附圖中的實施例對本發明作進一步的描述 圖1所示，本發明的煤層瓦斯壓力領!l定儀由信號激器1和可攜式可移動接 收器2構成，其測定方法採用直徑為45 75mm小鑽頭，對巖石Y向著煤層方向 鑽一小 L，直至鑽到煤層M為止，抽出,浙；用鋼管榭言號鄉器1擁入小 U^部
煤層；再用孑L徑大於小孔徑約40。/o的鑽頭對小孑lJt行擴孔，擴孔深度,約為2米； 用砂漿或封孑L^對擴孑Ut行封孔，並用矽橡雌行密封，以保證瓦斯不夕卜溢；將便 攜式可移動接收器2懸掛在巷道H內或手持距離鑽孑閨孑虛近的位置，即可接收信 號對寸器1發出的瓦斯壓力 。
圖2所示，信號對寸器l由壓力變送器3，與壓力變送器3鵬芋連接的A/D轉 換器4、單片機5和^BtE模塊6構成，其中壓力變送器由恆流源U5和集j^文大器 U3組成的放大電路以及SS在單判雕針JP1上的SH100型壓力傳繊構成；A/D 轉換器4的型號為MAX1240;單片機5的型號為LPC932;收發模塊6為nRF905。 圖3戶jf^， ^^器的壓力傳 SH100的四線接入單掃離針JP1的4 ^t腳， 單排插針JP1的4腳接穩流二極體1N457的正向輸出端，恆流源U5的1腳連結電 源正極，恆流源U5的2腳同時雜電位器JP6、 JP7的1、 2兩腳，恆流源U5的3 歩胴時連接JP6的3腳和二極體1N457的正向輸入端,二極體1N457的正向輸出端 連接著電位器JP7的3腳，恆流源U5艦電位器調節大小，選髓當電流值為壓 力傳iS^鄉電源；JP1的1腳接電源負極，單S離針JP1的3腳的壓力信號負極 輸出連鶴號放大器U3的2腳，單排插針JP1的2腳的壓力信號正極輸出連樹言 號放大器U3的3腳，信號放大器U3的1腳與8腳之間連魏電阻R5， 7腳接電 源正極，4腳5腳接電源負極，電阻R5的大小決定信號的放大倍數。信號放大器 U3將放大設定^if的電壓信號M; 6腳傳入型號為MAX1240的A/D轉換器U4 的輸入端層的2腳，A/D轉換器U4的1腳接電源正極，5腳接電源負極，4腳 接電容C15接電源負極，完劍細內部參考電壓0 2.5V的功能。A/D轉換器U4的弓腳7連接單片機5的P0.6CMP腳，弓腳8連接單片機LPC932(U1 )的P0.4CMP 腳，6腳為數位訊號輸出腳連接單片機Ul的P0.7CMP腳，3腳連接單片機的 P0.5CMP腳，始終置高，即保持高電平為1 。工作時:(1)保持SCLK為0，使CS=0， AD轉換器開始採樣，保持器開始工作，然後進行A/D轉換操作；轉換期間，必須 保持SCLK^(第0個SCLK周期)；在類娥輸出結束前，保持CSK)。 (2)等待Tcm 時間大約8uS，轉換結束，其標誌為Dout端輸出一個上升沿；然後可在SCLK的 時i^空制下將,從D。ut端輸出。(3)在Dout端串行輸出12{M^，在121X時 序圖中第卜12個SCLK時鐘周勒SCLK時鐘周期作用下，將12位轉換結果以高 位在前的格式從端Eto輸出給單片機LPC932(U1);單片機U1的7腳接電源正極， 21腳接電源負極，6腳即P1.5RST割娜酸電阻和電容鄉賊復位電路，^f頓內部晶 振，單片機U1的8腳、9腳懸空。單片機111對翻進行處理後和收發模± 《彌 信，單片機U1的24腳P0,3CIN接收發模l央nRF905的32腳IXEN，單片機U1的 25腳P0.2CIN接收發模i央nRF905的31腳TRXCE，單片機Ul的26腳PO. 1CIN接 收發模±央nRF905的2腳PWRUP，單片機Ul的3腳PO.OCMP接收發模i央nRF905 的3腳uCLK，單片機Ul的2腳P2.1CCD接收發模塊nRF905的6腳CD，單片機 Ul的13腳P2.2MOSI接ife^模i央nRF905的7腳AM，單片機U1的24腳P2.3MISO 接收發模塊nRF905的8腳DR，單片機Ul的15腳P2.4SS接收發模塊nRF905的 10腳MOSI，單片機Ul的16腳P2.5PICLK接收發模±央nRF905的11腳MISO， 單片機5U1的27腳P2.60CA接收發模±央nRF905的12腳SCK，單片機Ul的28 腳P2.7ICA接收發模塊nRF905的13腳CSN，接收發模i央nRF905的20腳ANT1 、 21腳ANT1夕港纖，14腳XC1、 15腳XC2夕I^晶振。當單片機U1有繊要發 送時，按時序地址和要發送的i^^^合收發模塊nRF905，單片機U1置高收發模 塊nRF905的引腳TRXCEl和TXEN32，收發t勢央nRF905的發送模式被激發，收 發模±央nRF905 ^A^t狀態，射頻寄存器自動開啟，把 打包(包撤合,力口 字頭和CRC校驗碼)，総 &，當 縦完成，,準備好引腳CDl體高； 收發模土央nRF905按^^狀態模式編程不斷載，直到IKX-CElffi低，即保掛氐 電平為O， M:模塊nRF905^lJl程完成，自動^A空閒模式。
圖4所示，可攜式可移動接收器2由收發模塊6順序連接單片機5和顯示模土央 7構成0單片機5的型號為LPC932; iBC^模決6為NewMsg-RF905，顯示模決7 的型號為3V工作電壓的陣列1602。
圖5所示，電位器JP2為顯示豐莫塊JP1與單片機LPC932 (Ul)的16管腳接口， 顯示模塊JP1的1腳同日報電源負極和電位器JP2的3腳，2腳同時接電源正極和 電位器JP2的1腳，3腳接電位器JP2的2腳，fflil調節電位器調節字符顯示的亮 度，4腳CS是片趣卻連接單片機U1的5腳P1.60CB， 5勝贖電源負極，6腳連接單片機Ul的10腳P1.4NTI， 7—14腳依次連接單片機Ul的P0 口即P0.0~P0.7， 15腳接電源正極，16展卩接電源負極，為顯示模塊JP1的背光掛共電源。工作時初始 化完成後，將顯示模塊JP1弓l的腳4置低，寫入地址，延時後置高引腳6，再延時 後置低弓腳6，將顯示模塊JP1的弓腳4置高fyg寫入，延時後置高引腳6，再延時 後置低弓胸6，如此循環進行 的刷新顯示；單片機Ul的7展酸電源正極，21 腳接電源負極，6腳P1.5RST接復位電路，j頓內部晶振，單片機U1的8腳、9 腳懸空，單片機Ul對i^進行處理後和收發模塊進t ffi信，單片機Ul的18腳 P1.0TXD接Lfefc^模i央nRF905的32腳rXEN，單片機5U1的17腳P1.1RXD)接收 發模±央nRF905的31腳TRXCE，單片機Ul的12腳Pl .2TSCL接收發模i央nRF905 的2腳PWRUP，單片機U1的5腳P1.60CB接收發模t央nRF905的3腳uCLK，單 片機U1的4腳P1.70CC接收發模塊nRF905的6腳CD，單片機U1的1腳P2.0OCB 接收發t對央nRF905的7腳AM，單片機Ul的2腳P2.10CD接收發模±央nRF905 的8腳DR，單片機Ul的13腳P2.2MOSI接收發模i央nRF905的10腳MOSI，單 片機Ul的14腳P2.3 MISO接收發模i央nRF905的11腳MSO，單片機Ul的15 腳P2.4SS接收發模±央nRF905的12腳SCK，單片機Ul的16腳P2.5 UCLK接收發 模土央nRF905的13腳CSN，接收發模土央nRF905的20腳ANT1 、 21腳ANT1夕展 天線，14腳XC115腳XC2夕港晶振。當收發模±央nRF905弓腳TRXCE1為高、 TXEN32為低時，收發模i央nRF905iiA接受模式；等待模式轉換650uS後，收發 模士央nRF905不斷監測，等待接受,；當收發模l央nRF905檢測到同一頻段的載波 時，弓胸6載波檢測置高；當接受到一個相匹配的地址，弓腳7l體高；當一個正 確的 包接收完畢時，收發模塊nRF905自動移去 包的字頭、地址和CRC校 驗位，然後把引腳8置高；單片機U1把TRXCE1腳置低，1|^:模±央nRF905 iSA 空閒模式；4撥模i央nRF905的內部存儲器把i^移到單片機Ul內，當所以的 接受完畢，Lfcg:模i央nRF905把DR引腳8和AM引腳7置低，iB^:模i央nRF905 此時可以34A至嗾收模式、發送模式或關機模式。單片機U1的27腳P2,60CA連 接電阻器R21和觸點式開關JP4的1腳，電阻離電源正極，觸點式開關JP4的3 腳接電源負極，單片機Ul的28腳P2.7UCA連接電阻器和觸點式開關JP5的1腳， 電阻器R3接電源正極，觸點式開關JP5的3腳接電源負極，通過用手按兩M蟲點 式開關JP4、 JP5 Si旬歷史,，可以MilM示模塊JP1艦力娜以+it制的標準 f!M示出來，並可3W編禾避制顯示接收7M[^時間驗數。
權利要求
1、一種煤層瓦斯壓力測定儀，其特徵在於它由設在煤層內的信號發射器(1)和巷道內的可攜式可移動接收器(2)構成，其中信號發射器(1)由壓力變送器(3)，與壓力變送器(3)順序連接的A/D轉換器(4)、單片機(5)和收發模塊(6)構成；可攜式可移動接收器(2)由收發模塊(6)順序連接單片機(5)和顯示模塊(7)構成。
2、 根據權利要求1所述的煤層瓦斯壓力測定儀，其特徵在於所述的壓力變送器(3)由恆流源U5和集j^夂大器U3組成的放大電路以及插接在單排插針JPl 上的STI100 ME力傳自構成。
3、 根據權利要求1戶，的煤層瓦斯壓力測定儀，其特徵在於戶，的A/D轉 換器(4)的型號為MAX1240;所述單片機(5)的型號為LPC932;所述收發模塊(6)的型號為nRF905;所皿示模決(7)的型號為3V工作電壓的陣列1602。
4、 一種煤層瓦斯壓力測定方法，期寺徵在於a.先用鑽頭對巖石(Y)向著煤層方向鑽一小孔，直至鑽到煤層(M)為止； b將信號鄉器(1)置入小孔底部；c用孑L徑大於小孔徑約40%的鑽頭對小孑[^行擴孔，擴孔深度/約為2米； d.對擴孑US行封孔，卩lih瓦斯外溢；e-^M攜式可移動接收器(2)設在驗(H)鑽孑Ut孔位置P(誕，即可接收信 號激t器(1)發出的數據。
全文摘要
一種煤層瓦斯壓力測定儀，適用於煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定。它由設在煤層內的信號發射器和巷道內的可攜式可移動接收器構成，信號發射器由壓力變送器，與壓力變送器順序連接的A/D轉換器、單片機I和無線或有線發射模塊構成；可攜式可移動信號接收器由無線或有線接收模塊順序連接單片機II和顯示模塊構成。將壓力變送器置入煤層內，通過壓力變送器將煤層內部的瓦斯壓力轉換為電信號傳入傳出煤層，再通過巷道中的接受裝置對信號進行接收處理顯示出煤層內部瓦斯壓力的大小，使得煤層瓦斯含量和煤層突出危險性進行預測和評價結果準確，有效防治瓦斯事故的發生。其結構簡單，造價低，解析度高，測量數據精確，使用方便，具有廣泛的實用性。
文檔編號E21B47/06GK101440707SQ20081024325
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者吳徵豔, 燕 孟, 凱 王, 蔣曙光, 昊 邵 申請人:中國礦業大學