CN106194168B - 一种煤层低温定点冰封取样装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤层低温定点冰封取样装置及其使用方法，包括通孔取芯钻头,通孔取芯钻头的右端外壁和内壁分别连接有取样钻杆和冰冻低温储样器,取样钻杆的右端连接有钻杆转接头，取样钻杆和冰冻低温储样器之间设有干冰降温层和隔热保温层；取样方法：钻孔施工到设计深度，将本发明送入钻孔底部并向煤层推进，采集的煤样推动圆形挡板进入低温储样桶内腔并快速冷却，同时向冰冻密封桶内供水，低温环境下冰冻密封桶内混水煤样快速冰冻降低瓦斯散失，退钻后卸下密封螺栓，利用金属导杆推动圆形挡板将内部煤样快速倒出，并转移到煤样罐中封存；本发明实现了低温定点冰封取样，能够有效减少取样过程中瓦斯的损失量，有利于提高煤层瓦斯含量测值的准确性。
Description
技术领域
本发明属于矿井瓦斯防治技术领域，具体涉及一种煤层低温定点冰封取样装置及其使用方法。
背景技术
据统计，2013年，全国共发生煤矿瓦斯事故59起，死亡348人，分别占煤矿事故总数和死亡人数的10.0%和33.2%，瓦斯灾害仍然是制约我国煤矿安全形势的主要灾害。瓦斯含量是我国煤矿瓦斯危险程度评价、瓦斯灾害防治以及瓦斯资源开发利用不可或缺的参数，准确的测定煤层瓦斯含量是保证煤矿安全生产的重要前提，特别是2009年我国颁布执行的《防治煤与瓦斯突出规定》，把瓦斯含量作为煤层瓦斯突出危险性区域预测、区域预防危险措施效果检验的主要指标，更是提升了瓦斯含量在瓦斯治理中的地位，因此，瓦斯含量测定结果的可靠性和准确性至关重要。
煤层瓦斯含量测定之前，需要对待测定的煤层现场取样并密封保存，采用专用仪器进行测量和计算煤层瓦斯含量，而提高井下煤层瓦斯含量测值可靠性的关键是：减少煤芯采集过程漏失瓦斯量。
目前，科研人员通过实验室试验、理论计算等方法已经证实：温度对煤的瓦斯解吸具有控制作用，解吸环境温度越高，煤的瓦斯解吸速度越快，相同解吸时间内的瓦斯解吸量越大。因此，若在煤样采集过程中保持所采的煤样能够始终保持在低温环境，将能够减少取样过程中瓦斯的损失量，提高煤层瓦斯含量测定的准确性。但受煤层地质条件、取样钻孔深度等取样环境的限制，取样工具的发展落后于理论研究，现有的取样装置种类较多，但大都为常温条件下取样工具，此前公开的一个专利也采用了低温方法取样，但是取样装置的低温方法是在导杆末端连接降温箱，结构复杂不够紧凑，操作不方便，降温效果不理想，影响瓦斯含量测定的准确性。
发明内容
根据现有技术的不足之处，本发明提出了一种结构紧凑，操作方便，降温效果明显，能够极大的提高煤层瓦斯含量测定准确性的煤层低温定点冰封取样装置及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：包括通孔取芯钻头，通孔取芯钻头的右端外壁固定连接有取样钻杆， 通孔取芯钻头的右端内壁固定连接有冰冻低温储样器，取样钻杆的右端内壁固定连接有钻杆转接头，钻杆转接头左端封闭右端敞口，冰冻低温储样器的右端面与钻杆转接头的左端面之间具有间隙，通孔取芯钻头的右端面、钻杆转接头的左端面、取样钻杆的内壁和冰冻低温储样器的外壁围成一个空腔，空腔内设有干冰降温层和隔热保温层，干冰降温层内壁接触冰冻低温储样器的外壁，隔热保温层置于取样钻杆和干冰降温层之间，钻杆转接头的右端内壁固定连接有普通钻杆；
冰冻低温储样器为分体式结构，冰冻低温储样器由左至右依次包括冰冻密封桶、内桶连接头和低温储样桶，冰冻密封桶左右两端均敞口，低温储样桶左端敞口右端封闭，冰冻密封桶左端与通孔取芯钻头固定连接，冰冻密封桶的右端与低温储样桶的左端通过内桶连接头固定连接，低温储样桶的右端沿低温储样桶的轴线方向设有螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接有密封螺栓，冰冻密封桶内滑动连接有圆形挡板，冰冻密封桶的左侧部设有冷气排放孔和位于冷气排放孔右侧的进水孔，冷气排放孔与空腔连通，进水孔外部固定连接有沿空腔轴向方向布置的导水管，导水管的右端穿过钻杆转接头的左端面伸入到普通钻杆内。
钻杆转接头的左端面下部设有用于排放高压冷气的单向阀。
通孔取芯钻头的右端内壁设有内螺纹，通孔取芯钻头的右端外壁设有外螺纹，冰冻密封桶的左端外壁与通孔取芯钻头的右端内壁螺纹连接，取样钻杆的左端内壁与通孔取芯钻头的右端外壁螺纹连接。
圆形挡板沿左右方向水平设有压力平衡孔。
一种煤层低温定点冰封取样装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）对煤层采用钻机施工完成初始钻孔；
（2）钻孔施工到设计深度后，退出并拆卸钻机上连接的钻头和钻杆，将所述的煤层低温定点冰封取样装置通过普通钻杆同轴向连接到钻机的动力输出端上，启动钻机将所述的煤层低温定点冰封取样装置送入钻孔底部，送钻过程中干冰降温层对冰冻低温储样器内部储样空间进行冷却，当干冰升华的CO2气体产生的压力达到单向阀排放压力时，高压冷气从单向阀排放，防止空腔内部压力过大损坏零部件；
（3）操控钻机驱动煤层低温定点冰封取样装置旋转并向煤层推进1～2 分钟，推进过程中通孔取芯钻头切削煤壁，所采集的煤样推动圆形挡板向右移动进入低温储样桶内腔，被圆形挡板封堵的冷气排放孔打开，煤样在进入低温储样桶时被干冰升华产生的低温CO2气体快速冷却；
（4）煤样采集结束退钻前通过导水管透过进水孔向冰冻密封桶内供水，低温环境下冰冻密封桶内混水煤样快速冰冻，已经进入到低温储样桶内的煤样在低温储样桶外部干冰作用下快速降温冷冻，降低瓦斯散失；
（5）采用钻机退钻，退钻过程冰冻密封桶冰冻段煤样有效的封存了右端低温储样桶内煤样的瓦斯散失，同时低温储样桶内的煤样始终处在低温环境，降低了煤样的瓦斯解吸速度，减少了瓦斯的解吸量和损失量；
（6）煤层低温定点冰封取样装置全部退出孔外后，卸下内层冰冻低温储样器和底部密封螺栓，通过低温储样桶底部的螺纹通孔利用金属导杆推动圆形挡板将内部煤样快速倒出，并立即转移到煤样罐中封存，完成取样。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
取样钻杆和冰冻低温储样器之间的空腔内设有干冰降温层和隔热保温层，干冰降温层直接接触冰冻低温储样器实现对采集煤样的冰冻和降温，隔热保温层包裹在干冰降温层外侧，对外隔绝取样钻杆与煤层摩擦所产生的热量进入，对内隔绝干冰降温层冷量散失，保证了取样过程中所采集的煤样处于低温状态保存。
冰冻密封桶的前端部设有进水孔，进水孔外部固定连接有导水管，采集煤样时可向冰冻密封桶内注水，冰冻密封桶内的混水煤样在干冰的作用下迅速冷冻，有效的封存了低温储样桶内的低温煤样。
冰冻密封桶内滑动设有圆形挡板，孔取芯钻头取得的煤样推动圆形挡板进入低温储样桶，方便退钻后内部煤样的快速倒出。
圆形挡板上设有压力平衡孔，能够保证煤样在推动圆形挡板进入低温储样桶的过程中煤层压力和低温储样桶内的压力平衡。
低温储样桶的右端设有螺纹通孔，取样过程中螺纹通孔内设有密封螺栓，退钻后可将密封螺栓卸下，插入金属导杆，金属导杆推动圆形挡板可快速导出冰冻煤样，方便快捷。
钻杆转接头的左端面下部设有用于排放高压冷气的单向阀，送钻过程中当干冰升华气体压力达到单向阀排放压力时，高压冷气从单向阀排放，防止取样装置内部压力过大。
综上所述：本发明的一种煤层低温定点冰封取样装置设计新颖、结构紧凑，操作方便，取样简单，实现了低温定点冰封取样，能够有效减少取样过程中瓦斯的损失量，有利于提高煤层瓦斯含量测值的准确性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A剖视图；
图3是图1中B处的放大图。
具体实施方式
实施例：如图1-3所示的一种煤层低温定点冰封取样装置，包括通孔取芯钻头1,通孔取芯钻头1的右端外壁固定连接有取样钻杆2, 通孔取芯钻头1的右端内壁固定连接有冰冻低温储样器3, 取样钻杆2的右端内壁固定连接有钻杆转接头4，钻杆转接头4左端封闭右端敞口，冰冻低温储样器3的右端面与钻杆转接头4的左端面之间具有间隙，通孔取芯钻头1的右端面、钻杆转接头4的左端面、取样钻杆2的内壁和冰冻低温储样器3的外壁围成一个空腔5，空腔5内设有干冰降温层6和隔热保温层7，干冰降温层6内壁接触冰冻低温储样器3的外壁，隔热保温层7置于取样钻杆2和干冰降温层6之间，钻杆转接头4的右端内壁固定连接有普通钻杆8；
冰冻低温储样器3为分体式结构，冰冻低温储样器3由左至右依次包括冰冻密封桶9、内桶连接头10和低温储样桶11，冰冻密封桶9左右两端均敞口，低温储样桶11左端敞口右端封闭，冰冻密封桶9左端与通孔取芯钻头1固定连接，冰冻密封桶9的右端与低温储样桶11的左端通过内桶连接头10固定连接，低温储样桶11的右端沿低温储样桶11的轴线方向设有螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接有密封螺栓12，冰冻密封桶9内滑动连接有圆形挡板13，冰冻密封桶9的左侧部设有冷气排放孔14和位于冷气排放孔14右侧的进水孔15，冷气排放孔14与空腔5连通，进水孔15外部固定连接有沿空腔5轴向方向布置的导水管16，导水管16的右端穿过钻杆转接头4的左端面伸入到普通钻杆8内。
钻杆转接头4的左端面下部设有用于排放高压冷气的单向阀17。
通孔取芯钻头1的右端内壁设有内螺纹，通孔取芯钻头1的右端外壁设有外螺纹，冰冻密封桶9的左端外壁与通孔取芯钻头1的右端内壁螺纹连接，取样钻杆2的左端内壁与通孔取芯钻头1的右端外壁螺纹连接。
圆形挡板13沿左右方向水平设有压力平衡孔20。
本发明还公开了上述煤层低温定点冰封取样装置的使用方法，依次按以下步骤进行：
（1） 对煤层采用钻机施工完成初始钻孔；
（2） 钻孔施工到设计深度后，退出并拆卸钻机上连接的钻头和钻杆，将所述的煤层低温定点冰封取样装置通过普通钻杆8同轴向连接到钻机的动力输出端上，启动钻机将所述的煤层低温定点冰封取样装置送入钻孔底部，送钻过程中干冰降温层6对冰冻低温储样器3内部储样空间进行冷却，当干冰升华的CO2气体产生的压力达到单向阀17排放压力时，高压冷气从单向阀17排放，防止空腔5内部压力过大损坏零部件；
（3） 操控钻机驱动煤层低温定点冰封取样装置旋转并向煤层推进1～2 分钟，推进过程中通孔取芯钻头1切削煤壁，所采集的煤样推动圆形挡板13向右移动进入低温储样桶11内腔，被圆形挡板13封堵的冷气排放孔14打开，煤样在进入低温储样桶11时被干冰升华产生的低温CO2气体快速冷却；
（4）煤样采集结束退钻前通过导水管16透过进水孔15向冰冻密封桶9内供水，低温环境下冰冻密封桶9内混水煤样快速冰冻，已经进入到低温储样桶11内的煤样在低温储样桶11外部干冰作用下快速降温冷冻，降低瓦斯散失；
（5）钻机退钻，退钻过程冰冻密封桶9冰冻段煤样有效的封存了右端低温储样桶11内煤样的瓦斯散失，同时低温储样桶11内的煤样始终处在低温环境，降低了煤样的瓦斯解吸速度，减少了瓦斯的解吸量和损失量；
（6）煤层低温定点冰封取样装置全部退出孔外后，卸下内层冰冻低温储样器3和底部密封螺栓12，通过低温储样桶11底部的螺纹通孔利用金属导杆推动圆形挡板13将内部煤样快速倒出，并立即转移到煤样罐中封存，完成取样。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的精神和范围内的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种煤层低温定点冰封取样装置，其特征在于：包括通孔取芯钻头，通孔取芯钻头的右端外壁固定连接有取样钻杆， 通孔取芯钻头的右端内壁固定连接有冰冻低温储样器，取样钻杆的右端内壁固定连接有钻杆转接头，钻杆转接头左端封闭右端敞口，冰冻低温储样器的右端面与钻杆转接头的左端面之间具有间隙，通孔取芯钻头的右端面、钻杆转接头的左端面、取样钻杆的内壁和冰冻低温储样器的外壁围成一个空腔，空腔内设有干冰降温层和隔热保温层，干冰降温层内壁接触冰冻低温储样器的外壁，隔热保温层置于取样钻杆和干冰降温层之间，钻杆转接头的右端内壁固定连接有普通钻杆；
冰冻低温储样器为分体式结构，冰冻低温储样器由左至右依次包括冰冻密封桶、内桶连接头和低温储样桶，冰冻密封桶左右两端均敞口，低温储样桶左端敞口右端封闭，冰冻密封桶左端与通孔取芯钻头固定连接，冰冻密封桶的右端与低温储样桶的左端通过内桶连接头固定连接，低温储样桶的右端沿低温储样桶的轴线方向设有螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接有密封螺栓，冰冻密封桶内滑动连接有圆形挡板，冰冻密封桶的左侧部设有冷气排放孔和位于冷气排放孔右侧的进水孔，冷气排放孔与空腔连通，进水孔外部固定连接有沿空腔轴向方向布置的导水管，导水管的右端穿过钻杆转接头的左端面伸入到普通钻杆内；
圆形挡板沿左右方向水平设有压力平衡孔。
2.根据权利要求1所述的一种煤层低温定点冰封取样装置，其特征在于：钻杆转接头的左端面下部设有用于排放高压冷气的单向阀；通孔取芯钻头的右端内壁设有内螺纹，通孔取芯钻头的右端外壁设有外螺纹，冰冻密封桶的左端外壁与通孔取芯钻头的右端内壁螺纹连接，取样钻杆的左端内壁与通孔取芯钻头的右端外壁螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的一种煤层低温定点冰封取样装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）对煤层采用钻机施工完成初始钻孔；
（2）钻孔施工到设计深度后，退出并拆卸钻机上连接的钻头和钻杆，将所述的煤层低温定点冰封取样装置通过普通钻杆同轴向连接到钻机的动力输出端上，启动钻机将所述的煤层低温定点冰封取样装置送入钻孔底部，送钻过程中干冰降温层对冰冻低温储样器内部储样空间进行冷却，当干冰升华的CO2气体产生的压力达到单向阀排放压力时，高压冷气从单向阀排放，防止空腔内部压力过大损坏零部件；
（3）操控钻机驱动煤层低温定点冰封取样装置旋转并向煤层推进1～2 分钟，推进过程中通孔取芯钻头切削煤壁，所采集的煤样推动圆形挡板向右移动进入低温储样桶内腔，被圆形挡板封堵的冷气排放孔打开，煤样在进入低温储样桶时被干冰升华产生的低温CO2气体快速冷却；
（4）煤样采集结束退钻前通过导水管透过进水孔向冰冻密封桶内供水，低温环境下冰冻密封桶内混水煤样快速冰冻，已经进入到低温储样桶内的煤样在低温储样桶外部干冰作用下快速降温冷冻，降低瓦斯散失；
（5）采用钻机退钻，退钻过程冰冻密封桶冰冻段煤样有效的封存了右端低温储样桶内煤样的瓦斯散失，同时低温储样桶内的煤样始终处在低温环境，降低了煤样的瓦斯解吸速度，减少了瓦斯的解吸量和损失量；
（6）煤层低温定点冰封取样装置全部退出孔外后，卸下内层冰冻低温储样器和底部密封螺栓，通过低温储样桶底部的螺纹通孔利用金属导杆推动圆形挡板将内部煤样快速倒出，并立即转移到煤样罐中封存，完成取样。
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