CN102384860A - 一种反转密封煤样取样器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反转密封煤样取样器及其使用方法，本发明的取样器包括组合钻头、煤样筒、密封盘总成、密封轴总成、封孔拨盘总成和变径接头；组合钻头与煤样筒上端连接，密封盘总成的压盘将密封盘压设在煤样筒的凹台上，密封盘上开设有入煤孔，密封轴总成的密封套密封连接在煤样筒的通孔中，封孔拨盘总成的拨扇通过与煤样筒底部的拨块的配合带动煤样筒转动，弧形键槽通过与密封套上的拨块的配合带动密封轴总成转动，整个取样器通过变径接头连接至钻杆，当钻机反转时，密封头进入密封盘的入煤孔，完成煤样密封，煤样中的瓦斯通过通过密封轴总成末端的快接装置进入瓦斯解吸设备，进行井下现场瓦斯解吸测试。本发明可以广泛应用于煤矿煤层瓦斯含量的测定与检测过程中。

Description

一种反转密封煤样取样器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种煤样取样器及其使用方法，特别是关于一种用于测定煤层瓦斯含量的反转密封煤样取样器及其使用方法。

背景技术

煤层瓦斯含量是反映煤层瓦斯赋存情况的重要参数之一，是计算煤层瓦斯储量、预测矿井瓦斯涌出量、进行瓦斯抽采设计和评价煤层煤与瓦斯突出危险性的重要依据。瓦斯含量测量值的准确性不但制约矿井瓦斯危险程度预测的可靠性，而且影响以瓦斯危险程度预测为依据而制定的瓦斯防治措施的有效性与经济性，甚至危及矿井安全生产。目前，煤层瓦斯含量测定方法主要有间接法和直接法。间接法根据实测的煤层瓦斯压力、煤的吸附常数、工业分析等参数，用朗格缪尔公式计算煤层瓦斯含量。该方法测试周期较长，成本较高，煤矿现场较少采用。在实际煤层瓦斯含量测定中主要采用直接法，直接法是通过钻孔取煤屑或煤芯，测定和计算取样过程的瓦斯损失量、解吸瓦斯量和残存瓦斯量，这三者之和为煤层瓦斯含量。这种方法会有瓦斯量损失过大的缺点，尤其在进行取样深度大于30米的钻孔取样时，取样深度越大，退钻过程煤样暴露时间越长，瓦斯损失量越大。因此如何降低或准确推算瓦斯损失量是一个亟待解决的问题。实验表明：煤屑的瓦斯解吸速度远大于块煤。煤屑脱离煤体初期的解吸速度非常快，如果能取出块状煤样，将极大地减小取样过程的瓦斯损失量，但是，国内的具有突出危险的煤层一般都比较松软，难以取出完整的块状煤样。此外，虽然国内外也开发了许多直接取样测量瓦斯含量的装置，如普通单层取样管、双层取样管，但是其取样方法及及其原理没有大的突破，取样过程中瓦斯损失严重，导致测定的煤层瓦斯含量测量结果存在较大的误差，不利于瓦斯防治措施的制定与有效实施。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在测定煤层瓦斯含量时降低取样过程中瓦斯损失量的反转密封煤样取样器及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种反转密封煤样取样器，它包括组合钻头、煤样筒、密封盘总成、密封轴总成、封孔拨盘总成和变径接头，其中：所述煤样筒上端内壁设置有凹台，底部中心设置有通孔，底面围绕所述通孔设置有若干凸起的拨块；所述煤样筒上端与所述组合钻头固定连接成一体；所述密封盘总成包括压盖和密封盘，所述密封盘上开设有若干入煤孔，所述密封盘坐落在所述煤样筒的凹台上，所述压盖穿入所述煤样筒压设在所述密封盘上，并与所述煤样筒上端固定连接成一体；所述密封轴总成包括一空心轴、密封套、拨键、快接装置和反转密封总成；所述空心轴的顶部封闭，轴身上开有若干排气孔；所述密封套设置在所述空心轴下部，密封连接在所述煤样筒的通孔中；所述拨键设置在所述密封套的外壁下部；所述快接装置连接在所述密封套尾端；所述反转密封总成位于所述密封轴总成上部，包括与所述空心轴连接的销座；所述销座上穿设有与所述密封盘上每一所述入煤孔对应的封孔销，所述封孔销的上端设置有密封头，在所述密封头的底部与所述销座之间设置有压簧，每一所述封孔销下部设置有一开孔销；所述封孔拨盘总成包括拨盘和压板；所述拨盘呈倒置的筒状，所述拨盘底部设置有一中心孔，围绕所述中心孔设置有与所述煤样筒底部的拨块配合的拨扇，所述中心孔内壁设置有与所述密封套上拨键配合的弧形键槽；所述压板穿入所述拨盘，且通过固定件连接在所述煤样筒底部的拨块上；所述变径接头的上端与所述封孔拨盘总成的拨盘下端固定连接成一体。

所述组合钻头包括钻头座，所述钻头座上设置有中心钻头和围绕所述中心钻头的若干小钻头。

所述密封盘上开设有2～4个入煤孔。

上述的一种反转密封煤样取样器的使用方法，包括以下步骤：1)将一密封轴总成从一煤样筒顶部插入，使其中的密封套密封连接在煤样筒的通孔中；2)将一拨盘套设在密封套上，使拨盘上的拨扇靠在煤样筒底部的拨块侧部，且密封套上的拨键插入拨盘上的弧形键槽中，再将一压板套设在密封套上，并与煤样筒底部的拨块固定连接；3)在煤样筒上部的凹台内放入一密封盘，使密封头位于密封盘的底部；将一压盖与煤样筒上端内壁固定连接，且压设在密封盘上；4)将组合钻头与煤样筒上端外壁固定连接，并将变径接头与拨盘的下端固定连接；5)施工钻孔至预定深度，退出钻杆，然后将依照步骤1)～4)安装好的取样器通过变径接头连接至钻机及钻杆，送入钻孔，启动钻机顺时针正转进行定点取样；6)取样完成后，启动钻机逆时针反转30°以上；7)退出钻杆，将取样器从钻杆上取下，并将其中的快接装置的气阀打开，将快接装置与外部的瓦斯解吸设备连接。

所述步骤5)中将安装好的取样器通过所述变径接头连接至钻机及钻杆，送入钻孔，启动钻机正转进行定点取样时，钻机的转速控制在60～100r/min以内，钻进行程为0.6m～1m，取样时间为3～5分钟。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用反转密封取样缩短了取样过程中煤样暴露的时间，从而极大的减小了取样过程的瓦斯损失量，提高了瓦斯含量测量值的准确性。2、本发明由于采用上端、下端密封煤样筒进行瓦斯解吸，瓦斯解吸测试过程中无需转移煤样筒内的煤样，直接通过快接装置连接解吸设备进行瓦斯解吸，从而减小了井下解吸测试过程中瓦斯损失，有利于准确测定瓦斯含量。3、本发明由于采用外扩、内钻组合钻头的形式采集煤样，因此特别适用于中软突出煤层直接取样测量煤层瓦斯含量。4、本发明可以广泛用于煤矿煤层瓦斯含量的测定与检测过程中。

附图说明

图1是本发明取样器的结构示意图

图2是本发明取样器处于密封状态时的结构示意图

图3是本发明组合钻头示意图

图4是图1的A-A剖视示意图

图5是图2的A-A剖视示意图

图6是现场实施效果比较图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。为叙述方便，下文中的“上”，“下”与附图中的上、下方向一致，但是在使用过程中，装置是横向使用，“上”的方向是朝向煤层。

如图1所示，本发明取样器包括一组合钻头1、一煤样筒2、一密封盘总成3、一密封轴总成4、一封孔拨盘总成5和一变径接头6。

如图1、图3所示，本发明的组合钻头1包括一筒状的钻头座11，在钻头座11的中心位置设置有一中心钻头12，以中心钻头12为中心，在钻头座11的同一圆周上均匀设置四个小钻头13，在钻头座11筒壁的顶部均匀设置八个小钻头14。钻头座11的下端内壁设置有螺纹。

如图1所示，本发明的煤样筒2上端内壁设置有一圈凹台21，煤样筒2的底部中心设置有一通孔22，煤样筒2的底面围绕通孔22设置有三个凸起的楔形拨块23，楔形拨快23与煤样筒2是一体成型，每一个楔形拨块23在其垂向上设置有一螺栓孔24。煤样筒2的上端通过其上的外螺纹与组合钻头1钻头座11下端固定连接成一体。

本发明的密封盘总成3包括一环形压盖31和一圆形密封盘32。在密封盘32的同一圆周上开设有圆形入煤孔33，入煤孔33数量可以是两个或四个，下面仅以三个为例进行说明。密封盘32坐落在煤样筒2的凹台21上，在密封盘32底部与凹台21接触的部位设置有密封橡胶圈34。压盖31穿入煤样筒2压设在密封盘32上，并通过其上的外螺纹与与煤样筒2上端固定连接成一体。

本发明的密封轴总成4包括一空心轴41、一密封套42、一拨键43、一快接装置44和一反转密封总成45。空心轴41的顶部封闭，轴身上开有若干个直径2～4mm的排气孔46。密封套42设置在空心轴41的下部，与空心轴41一体制作成型，或焊接成一体，密封套42与煤样筒2的通孔22之间通过密封橡胶圈47密封连接，密封套42的下部外壁设置有一拨键43。快接装置44通过螺纹连接在密封套42的尾端，快接装置44末端设置有一可以开关的气阀48，在外接瓦斯解吸设备进行瓦斯解吸测试之前，气阀48始终处于关闭状态。

反转密封总成45位于密封轴总成4的上部，包括三个与空心轴42连接成一体的销座451，销座451的数量可以是两个或四个，下面仅以三个为例进行说明。在销座451上穿设有与密封盘32的入煤孔33数量对应的三个封孔销452，每一个封孔销452的上端设置有一个与入煤孔33配合的橡胶锥面密封头453，在每一个密封头453的底部与销座451之间设置有一压簧454，每一个封孔销452的底部插设有一开孔销455，开孔销455用于防止封孔销452在压簧454的作用下从销座451中弹出。

如图4、图5所示，本发明的封孔拨盘总成5包括一拨盘51和一压板52。拨盘51呈一倒置的筒状，筒底中心开设有一中心孔，围绕中心孔设置有三个与煤样筒2底部拨块23配合的拨扇53，中心孔内壁上设置有一与密封套42上的拨键43配合的弧形键槽54，筒下端内壁设置有螺纹。压板52上开设有三个通孔55，将压板52穿入拨盘51，使拨盘51筒底部顶在煤样筒2底部，然后通过螺栓与煤样筒2底部的三个拨块23固定连接在一起，此时，压板52和拨块23之间的固定，不影响拨盘51的转动，拨盘51的旋转角度最大为30°。

本发明的变径接头6通过其上端的外螺纹与拨盘51下端固定连接成一体。

本发明的使用方法包括以下步骤：

1)将密封轴总成4从煤样筒2的顶部插入，使密封套42密封连接在煤样筒2的通孔22中；

2)将拨盘51套设在密封套42上，使拨盘51上的三个拨扇53靠在煤样筒2底部的三个拨块23侧部，且使密封套42上的拨键43插入拨盘51上的弧形键槽54中(如图4所示)，再将压板52套设在密封套上，并通过螺栓与煤样筒2底部的拨块23固定连接在一起；

3)在煤样筒2上部的凹台内放入密封盘32，使密封头453位于密封盘32的底部；再将压盖31通过螺纹与煤样筒2上端内壁连接，且压设在密封盘32上；

4)将组合钻头1通过螺纹与煤样筒2上端外壁固定连接，并将变径接头6的上端通过螺纹与拨盘51的下端连接；

5)先施工钻孔至预定深度，退出钻杆，然后将依照步骤1～4安装好的取样器通过变径接头6连接至钻机及钻杆，送入钻孔进行定点取样；

6)钻机的钻杆顺时针正转，通过变径接头6带动拨盘51转动，拨盘51通过其上的拨扇53推动拨块23带动煤样筒2转动，煤样筒2又带动组合钻头1上的中心钻头12从煤层上取出块状煤样，小钻头13、14再将块状煤样打磨成小于20mm的煤屑，煤屑通过密封盘32敞开的入煤孔33进入煤样筒2内；

7)取样完成后，钻机逆时针反转，带动拨盘51转动30°(如图5所示)，拨盘51通过弧形键槽54与拨键43的配合推动密封轴总成4转动，使反转密封总成45上的三个密封头453在转动过程中被压簧454顶入入煤孔33中，将入煤孔33封闭，煤样密封完成；

8)退出钻杆，将本发明从钻杆上取下，将快接装置44的气阀48打开，并将快接装置44与外部的瓦斯解吸设备连接，此时，煤样中的瓦斯气体便通过空心轴41上的排气孔46进入空心轴41内，接着进入外部的瓦斯解吸设备，进行井下现场瓦斯解吸测试。

上述实施例中，为了避免钻头发热加剧煤样瓦斯解吸，钻机的转速应该控制在60～100r/min以内，钻进行程约为0.6m～1m，取样时间约为3～5分钟。

上述实施例中，煤样密封完成后，密封后煤样筒2内的耐压值最高可以达到1.5MPa。

下面对现场试验使用本发明的测试结果与使用传统装置的测试结果进行比较。现场试验在淮北矿业集团祁南矿715底板巷24号钻场进行，根据煤层突出危险区域划分研究结果，715工作面处于突出危险区。当钻孔施工至见煤时，记录煤样初始暴漏时间，退出钻杆；将本发明取样器与钻机连接，送入钻孔，到取样位置时，记录取样开始时间；开始钻进取样，转速保持在60～100转/min，避免钻头发热加剧煤样瓦斯解吸，钻进0.6m～1m，取样结束，钻机逆时针反转30°以上，完成对所取煤样的密封，并记录取样结束时间；退出钻杆及本发明取样器，无需转移所取煤样，直接利用本发明的末端快接装置连接瓦斯解吸设备，记录开始井下解吸时间，进行井下30min瓦斯解吸。在24号钻场再施工一个取样钻孔，但采用传统的岩心管取样法进行瓦斯解吸。

反转密封取样过程煤样暴露时间5min，井下30min解吸量694ml，常压自然解吸量为2397ml，煤样质量676.6g；传统岩样管取样开始至煤样装入煤样罐开始解吸暴露时间25min，井下30min解吸量242ml，常压自然解吸量为1154ml，煤样质量583.8g。为便于比较分析，将两种取样方式井下30min的解吸量都转换为单位质量煤标准状态下的解吸量(如图6所示)，试验结果表明：本发明取样井下30min瓦斯解吸量明显高于传统岩样管取样。由于本发明取样法在退钻过程中煤样被密封，在取样筒内煤样瓦斯解吸，导致煤样筒内气体压力上升，因此，现场解吸时初始瓦斯解吸量很大，1min时的瓦斯解吸量达0.7823ml/g，是传统岩样管取样煤样1min瓦斯解吸量的34.6倍。与传统的岩样管取样法相比，使用本发明取样器可以极大的缩短煤样暴露时间，减少取样过程中瓦斯损失量，从而能够减小因瓦斯损失量的推算过大而导致的瓦斯含量测量误差，测量结果更可靠。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种反转密封煤样取样器，其特征在于：它包括组合钻头、煤样筒、密封盘总成、密封轴总成、封孔拨盘总成和变径接头，其中：

所述煤样筒上端内壁设置有凹台，底部中心设置有通孔，底面围绕所述通孔设置有若干凸起的拨块；所述煤样筒上端与所述组合钻头固定连接成一体；

所述密封盘总成包括压盖和密封盘，所述密封盘上开设有若干入煤孔，所述密封盘坐落在所述煤样筒的凹台上，所述压盖穿入所述煤样筒压设在所述密封盘上，并与所述煤样筒上端固定连接成一体；

所述密封轴总成包括一空心轴、密封套、拨键、快接装置和反转密封总成；所述空心轴的顶部封闭，轴身上开有若干排气孔；所述密封套设置在所述空心轴下部，密封连接在所述煤样筒的通孔中；所述拨键设置在所述密封套的外壁下部；所述快接装置连接在所述密封套尾端；

所述反转密封总成位于所述密封轴总成上部，包括与所述空心轴连接的销座；所述销座上穿设有与所述密封盘上每一所述入煤孔对应的封孔销，所述封孔销的上端设置有密封头，在所述密封头的底部与所述销座之间设置有压簧，每一所述封孔销下部设置有一开孔销；

所述封孔拨盘总成包括拨盘和压板；所述拨盘呈倒置的筒状，所述拨盘底部设置有一中心孔，围绕所述中心孔设置有与所述煤样筒底部的拨块配合的拨扇，所述中心孔内壁设置有与所述密封套上拨键配合的弧形键槽；所述压板穿入所述拨盘，且通过固定件连接在所述煤样筒底部的拨块上；

所述变径接头的上端与所述封孔拨盘总成的拨盘下端固定连接成一体。

2.如权利要求1所述的一种反转密封煤样取样器，其特征在于：所述组合钻头包括钻头座，所述钻头座上设置有中心钻头和围绕所述中心钻头的若干小钻头。

3.如权利要求1或2所述的一种反转密封煤样取样器，其特征在于：所述密封盘上开设有2～4个入煤孔。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种反转密封煤样取样器的使用方法，包括以下步骤：

1)将一密封轴总成从一煤样筒顶部插入，使其中的密封套密封连接在煤样筒的通孔中；

2)将一拨盘套设在密封套上，使拨盘上的拨扇靠在煤样筒底部的拨块侧部，且密封套上的拨键插入拨盘上的弧形键槽中，再将一压板套设在密封套上，并与煤样筒底部的拨块固定连接；

3)在煤样筒上部的凹台内放入一密封盘，使密封头位于密封盘的底部；将一压盖与煤样筒上端内壁固定连接，且压设在密封盘上；

4)将组合钻头与煤样筒上端外壁固定连接，并将变径接头与拨盘的下端固定连接；

5)施工钻孔至预定深度，退出钻杆，然后将依照步骤1)～4)安装好的取样器通过变径接头连接至钻机及钻杆，送入钻孔，启动钻机顺时针正转进行定点取样；

6)取样完成后，启动钻机逆时针反转30°以上；

7)退出钻杆，将取样器从钻杆上取下，并将其中的快接装置的气阀打开，将快接装置与外部的瓦斯解吸设备连接。

5.如权利要求4所述的一种反转密封煤样取样器的使用方法，其特征在于：所述步骤5)中将安装好的取样器通过所述变径接头连接至钻机及钻杆，送入钻孔，启动钻机正转进行定点取样时，钻机的转速控制在60～100r/min以内，钻进行程为0.6m～1m，取样时间为3～5分钟。

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