[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

权利要求书

1.一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，其特征是：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；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。

2.根据权利要求1所述的模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，其特征是：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。

3.根据权利要求1所述的模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，其特征是：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。

4.根据权利要求1所述的模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，其特征是：缸体内煤层通过压力机进行压缩填充。

5.根据权利要求1所述的模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，其特征是：缸盖对应缸体内壁设有橡胶密封圈；缸盖侧壁设有手柄。

6.根据权利要求1所述的模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统，其特征是：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。

7.一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，其特征是：

包括如下步骤：

（1） 实验前，每次称取一定质量的煤样倒入缸体中；利用压力机施加预定成型压力，并保持恒压30 min，重复以上步骤，当成型煤样上部水平面与侧面堵头最下端的引线孔齐平时，停止压煤；

（2）将若干压电膜传感器埋设在靠近端面堵头连接孔轴向投影所对应的钻孔周围待测；

（3）将压电膜传感器连接线穿过引线孔后与动态数据采集仪连接；并将电荷电压滤波积分放大器与动态数据采集仪、电脑对应连接构成动态数据采集系统；

（4）按步骤（1）继续压煤，直至成型煤层基本充满缸体后将缸体盖对应安装在缸体上；

（5）模拟煤层制备完毕后，通过真空泵对成型煤层进行抽真空12 h，抽真空结束后通过气瓶对缸体内加压，持续48 h；

（6）关闭气源，启动动态数据采集系统；取下端面堵头，启动钻机沿端面堵头连接孔轴向对缸体内煤层钻孔，当钻杆钻进400 mm左右时停钻；利用动态数据采集系统对压电膜传感器所感应到的应力数据进行采集和存储；

（7）煤层钻孔施工结束后，将NTS200工业内窥镜放入钻孔中，对钻孔周围及底部的煤层变形情况进行观测，并拍照和存储。

8.根据权利要求7所述的模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统的使用方法，其特征是：步骤（2）中，压电膜传感器数量为三个，相邻两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；并将引线孔与连接线之间的空隙用水泥和环氧树脂进行密封。