基本信息
- 项目名称：
- 井下煤层瓦斯定点密封取样装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 煤层瓦斯含量是瓦斯治理和防治及煤层气评价和开发等相关领域最重要的基础参数之一，也是国际上相关领域的专家研究的重点、难点和焦点，我国“十一五”等五年计划曾把瓦斯含量测定的采集装置列入国家重大专项，但至今没有一家单位或一种设备可以准确地测定瓦斯含量。 本装置集煤矿安全、机械、控制于一体，攻克了难以定点采集煤样和瓦斯的难题，并免除瓦斯含量损失量计算环节，可以做到更准确地测定瓦斯含量。
- 详细介绍：
- 煤层瓦斯含量是瓦斯治理和防治及煤层气评价和开发等相关领域的重要参数，同时也是国际上相关领域的专家研究的重点、难点和焦点。（国家“十一五”等五年计划曾把瓦斯含量测定的采集装置列入国家重大专项）。现在国内外很多专家把瓦斯含量测定的重点放在了损失量计算上，建立了不同的模型来模拟瓦斯吸附和解析过程，从而得出了一系列的计算公式来计算瓦斯含量在测定中的损失量；瓦斯的吸附、解析是一个化学、物理和复杂环境条件等共同作用的过程，然而这些模型都是在实验室中建立的，条件单一、模型简单等因素导致不可能完全符合实际情况。至今没有一家单位或一种设备可以准确地测定瓦斯含量。 根据中华人民共和国国家标准（GB/T 23250-2009）——《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》和中华人民共和国安全生产行业标准（AQ 1066-2008）——《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》，井下解吸法测定煤层原始瓦斯含量的具体步骤如下：①采样（用煤芯管或孔口钻屑取样）；②井下瓦斯解吸量测定；③煤样残存瓦斯测定；④瓦斯损失量计算；⑤煤层瓦斯含量计算。 虽然有人说，瓦斯含量没有必要精确计算，只要知道一个大概就行了。但瓦斯含量是煤矿安全防治及煤层气开发评价最重要的基础数据之一，很多安全防护措施的制定以及煤层气开发、评价等基本都是建立在（或是有关）瓦斯含量数值的基础之上，如果瓦斯含量的数值发生了偏差，那以后的分析和研究就可能继续偏差，以致到后来偏差越来越大，最终导致财物上的浪费、损失甚至人员的伤亡。 根据以上的分析和长期的研究，开发了一套井下瓦斯含量测定装置，取名为：“井下瓦斯在位密封取样装置”。目前能够实现在煤层中定点取样且在位密封的另一家单位是煤炭科学研究总院西安分院，但其研制的装置较为笨重，不能与手持式钻机结合使用。本设备由于研发时间比较短，还没有真正投入工业试验，但是已经显示出它设计的科学性和现场优良的可操作性。 装置结构：瓦斯含量测定实验室测试部分已经十分的完备，本设备主要针对实验室测试以前的采样环节，实现煤样瓦斯在位密封采集。 煤层瓦斯在位取样装置外观类似于矿用麻花钻杆，中空，从外部可分为：钻头件、储煤舱、取样密封舱、传动舱、动力及控制舱，从内部零配件上可分为：瓦斯解析装置、推煤装置、密封装置、传动装置、动力装置、控制装置和动力源。 具体实施方法：该采集装置安装在矿用麻花钻杆最前端，随钻杆在煤层中转动，在取样密封舱外壁上开有一孔，密封此孔的活塞和滑套在煤层固定地点打开，煤样通过此孔，在螺旋推煤器的作用下进入储煤舱。按照设定好的时间，活塞和滑套又退回原来位置，封闭进煤口。采集到的煤样和瓦斯封闭在本装置的储煤舱内；采用径向带O型密封圈的活塞与精密加工过的密封舱内壁配合来保证煤样和瓦斯在储煤舱内的原始状态，滑套用来封闭和打开进煤口，同时保护O型密封圈；微型防爆减速电机，带动丝杠螺母副实现活塞、滑套的运动，布置在活塞内的微型防爆减速电机直接带动推煤器转动；利用单片机和集成电路按照设定的程序实现预定的控制功能；利用可充电电池提供动力。并严格按照防爆标准设计。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：实现对煤层原始瓦斯的在位密封采集，最终做到准确测定煤层原始瓦斯含量。 基本思路：1、钻入原始煤层瓦斯带，定点采集煤样和瓦斯；2、在原始煤层中即时密封采集的煤样和瓦斯。 创新点、技术关键：1、本装置安装在钻杆前段，定点打开，定时关闭；保证定点采集煤样和瓦斯。2、实现煤层中在位密封煤样和瓦斯；避免了瓦斯含量测定中的损失量计算环节。3、本装置与井下手持式钻机配套使用，方便快捷。 主要技术指标：取样完成后取样器完全密封煤样和瓦斯。
科学性、先进性
- 目前瓦斯含量测定技术（以解吸法为主）不能准确测定的原因：1）煤样不能定点准确采集；2）瓦斯损失量无法做到准确计算（①公式不能正确反应损失瓦斯解吸过程②损失瓦斯开始时间很难界定）；3）测定地点工况复杂，4）测定空间有限。 针对以上原因，本装置的优点：1）本装置安装在钻杆前段，钻进煤层，定点打开取样器口，定时关闭，保证定点采集煤样和瓦斯。2）利用密封装置实现煤层中在位密封煤样和瓦斯，避免了损失量计算环节。3）本装置的核心控制和运动部件都有外壳和防护装置保护，与复杂工况隔离。4）本装置外形似钻杆，并随钻杆钻进煤层，然后实现采集、密封煤样和瓦斯，不受有限空间限制。5）本装置小巧轻便，通过手持式钻机钻进煤层以实现采样，在井下易于携带且取样灵活。 参考文献： [1]中华人民共和国国家标准GB/T 23250-2009, 煤层瓦斯含量井下直接测定方法. [2]陈大力,陈 洋.对我国煤层瓦斯含量测定方法的评述[J].煤矿安全,2008年12月.
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中期试验阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点：本装置安装在钻杆的前端，随钻杆同旋转和进退，在煤层指定位置采集煤样和瓦斯，并即时密封。 优势： 1）本装置安装在钻杆前段，钻进煤层，定点打开取样器口，定时关闭；保证定点采集煤样和瓦斯。2）利用O型密封圈实现煤层中在位密封煤样和瓦斯；避免了损失量计算环节。3）本装置的核心控制和运动部件都有外壳和防护装置保护，与复杂工况隔离。4）本装置外形似钻杆，并随钻杆钻进煤层，然后实现采集、密封煤样和瓦斯，不受有限空间限制。 推广前景：本设备由于结构简单、体积小，操作简单、可靠，测定准确，必将得到大力推广。 经济效益：此设备是当前所有煤矿安全和煤层气开发领域（煤矿和有关科研院所）急需的产品，经济效益非常可观。
同类课题研究水平概述
- 瓦斯含量测定一直是国内外有关瓦斯防治、煤层气评价和开发等相关领域研究的重点和难点，曾经无数位国内外知名的专家、学者深入研究（国家“十一五”等五年计划曾把瓦斯含量测定煤样采集装置列入国家重大专项），但至今没有完全突破。实验室测定部分已经十分完善了，其中最难也是最重要的就是损失量计算和定点采样。两者的准确性决定了瓦斯含量测定的准确性。 国内瓦斯含量测定采集装置从50年代至今经历了密闭式、集气式、解吸法等。目前密闭式、集气式由于本身的缺点已经淘汰了。 根据国家标准，目前应用最广的解吸法有四个缺点：1）煤样不能定点准确采集；2）瓦斯损失量无法做到准确计算（①公式不能正确反应损失瓦斯解吸过程②损失瓦斯开始时间很难界定）；3）测定地点工况复杂，4）测定空间有限。 目前，在大家的研究习惯和实际操作中，往往把取样和损失瓦斯量计算分成两个不同的部分对待（事实上这两者是统一），又把瓦斯补偿量的计算放在了重要的位置，建立不同的模型，推导不同的计算公式，力争计算准确。但是模型的建立和公式的推导中有三个致命的缺点使补偿量的计算难以准确：1、开始时间（零时刻）的界定不明确；2、不同变质程度和不同破坏类型的煤样损失气体占原有气体的百分比不同；3、推导公式建立的模型和建立模型与公式的基础理论的成立都存在不同的假设，这些假设的存在有可能某个就是与现实环境是十分矛盾的或是十分重要的而不能假设的条件。最好的办法就是避免瓦斯损失量计算，源于这种思路大多研究的设备结构都比较复杂而实际应用受阻。 因此现行的瓦斯含量测定方法测出的含量值不准确，或高或低。 瓦斯含量测定装置是当前煤及煤层气领域相关企业及科研院所研究的重点，也是急需的设备，意义重大！
