CN107991129A - 用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法及装置 - Google Patents

用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法，包括以下步骤：1）将前端固定有煤芯管的空心钻杆按预定钻孔路径进行分段式钻进；2）当空心钻杆钻至取样预定深度时，在煤芯管的前端开口处设置连接有充气管路的密封用气囊，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，空心钻杆再次钻进至取样长度，煤样进入煤芯管内，利用充气管路对煤芯管前端的气囊进行充气，气囊膨胀后对煤芯管的前端进行密封；3）将密封后的煤芯管沿空心钻杆的内孔取出，气囊放气后将煤样从煤芯管内取出，完成定点取样。本发明可以大幅提高煤层瓦斯含量定点取样的效率和精度，提高瓦斯含量测定的准确性。

Description

用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法及装置
技术领域
本发明具体涉及一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法及装置，属于地质钻探技术领域。
背景技术
目前，煤层瓦斯含量井下直接测定方法主要采用解吸法，具体过程分为三步：1在新暴露的煤壁，石门或岩石巷道打钻采集煤样；2井下自然解吸瓦斯量测定；3实验室残存瓦斯含量测定。其中2、3步理论成熟，可忽略对瓦斯含量测值产生的影响。由于1涉及定点取样方式及瓦斯损失量的计算是瓦斯含量测值误差的主要来源。煤矿井下瓦斯含量测定须采用煤芯管取芯法及基于孔口接样法的定点取样方法。孔口接样法的最大缺陷在于所取得的煤样纯度不高，“混样”现象严重，无法实现定点取样。取芯管法在取样钻孔施工完毕后快速退出钻具并将取芯管送至孔底钻进取芯，取样时依靠取芯管与煤层的摩擦钻进完成取样，取样完成后退出钻杆并取出煤样装入特制的煤罐内。该方法可以真正做到定点取样，然而存在以下几点问题：取样耗时远大于对取样用时不大于5min的规定；所取煤样一端长时间暴露，煤芯管与煤层摩擦生热会引起煤样温度升高产生变质、加速煤样瓦斯解吸的问题；钻孔施工完毕至煤芯管送至孔底的时间段内，孔底目标煤样段瓦斯已开始逸散，而此时的瓦斯逸散量并未考虑到所取煤样的瓦斯损失量中；松软煤层中钻孔稳定性差，退钻后再次钻进很容易偏离预定钻孔路径，导致煤芯管取样法在松软煤层中的应用性较差。
发明内容
为解决上述问题，降低取样作业的劳动强度，提高取样精度和质量，本发明提供了一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法，具体包括以下步骤：
1）将前端固定有煤芯管的空心钻杆按预定钻孔路径进行分段式钻进，每段钻进后，空心钻杆固定不动，将煤芯管连同进入煤芯管中的煤层沿空心钻杆的内孔一起取出，并将岩层从煤芯管中取出后，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，再次按预定钻孔路径进行下一段钻进；
2）当空心钻杆钻至取样预定深度时，在煤芯管的前端开口处设置连接有充气管路的密封用气囊，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，空心钻杆再次钻进至取样长度，煤样进入煤芯管内，利用充气管路对煤芯管前端的气囊进行充气，气囊膨胀后对煤芯管的前端进行密封；
3）将密封后的煤芯管沿空心钻杆的内孔取出，气囊放气后将煤样从煤芯管内取出，完成定点取样。
本发明的方法是在空心钻杆的内部设置煤芯管，在钻孔至取样的全过程中不用退钻杆。通过对煤芯管的推入和取出操作实现取样，因而可以大幅提高取样速度，达到取样用时不大于5min的规定。本方法不用在整个钻孔过程中进行退杆和进杆，因此可以保证空心钻杆始终按预定路径进行钻孔，可以提高定点取样的精确度，使煤芯管取样法能够适用于松软煤层。
在达到取样点时，仍然由钻杆进行钻进，可以解决传统取样法煤芯管与煤层摩擦生热会引起煤样温度升高产生变质、加速煤样瓦斯解吸的问题。在煤样进入煤芯管后，在煤芯管利用气囊充气膨胀后对管口实现密封，可以完全阻止在取样过程中的瓦斯逸散，保证煤样中瓦斯含量测定的准确性。
另外，传统的煤芯管取样法在钻孔过程中会排出大量粉尘，本方法采用往复式钻进，煤粉均随煤芯管取出，全过程均无粉尘泄漏，不会影响工作环境。
为实现本发明的取样方法，本发明还提供了一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，包括空心钻杆、煤芯管和取芯杆；所述煤芯管为一端开口的筒体，筒体外径与空心钻杆的内径匹配；所述空心钻杆内侧壁的前端处设有用于固定煤芯管的煤芯管前限位和煤芯管后限位，煤芯管前限位为固定限位，煤芯管后限位为沿后向设置的单向限位；所述取芯杆为硬质钻杆，取芯杆的前端设有可拆卸的连接头，连接头用于驱动煤芯管后限位并与煤芯管连接；
所述煤芯管的开口处内侧壁设有环槽，环槽内嵌设有气囊，气囊连接有充气管；所述充气管连接有充气阀。
进一步的，所述充气阀设于煤芯管的后部。
进一步的，所述煤芯管内套设有密封性袋体，密封性袋体的开口方向与煤芯管的开口方向一致，所述气囊与密封性袋体的开口处连接。
进一步的，所述单向限位为与空心钻杆内侧壁弹性连接的限位块，限位块的一端为倾斜面，另一端为垂直面。
进一步的，所述煤芯管前限位为沿空心钻杆内侧壁设置的环形限位台。
进一步的，所述煤芯管的后端设有卡接头；所述连接头为与空心钻杆的内孔相匹配的筒形体，筒形体的前端开口，筒形体的前端设有用于与所述卡接头连接的快速卡扣。
该取样装置用于实现本发明公开的取芯方法，其工作原理为：在需要取样时，将外部充气机构的进气管与煤芯管上充气管的充气阀连接，再利用取芯杆将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端，煤芯管的前端首先触动煤芯管后限位，并驱动煤芯管后限位动作失去限位作用，煤芯管继续推入直至后端处于煤芯管后限位之前，煤芯管后限位复位，对煤芯管起到固定作用。此时，空心钻杆进行钻孔，煤样完全进入煤芯管后，停止钻孔，对气囊进行充气，气囊膨胀后对煤芯管的管口封闭，然后将连接头连接至取芯杆顶端，将带有连接头的取芯杆沿空心钻杆内孔推入，连接头首先驱动煤芯管后限位动作，并与煤芯管后端的卡接头连接；最后将取芯杆连通煤芯管一同取出，完成取样作业。
附图说明
图1为本发明中取样装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法，具体包括以下步骤：
1）将前端固定有煤芯管的空心钻杆按预定钻孔路径进行分段式钻进，每段钻进后，空心钻杆固定不动，将煤芯管连同进入煤芯管中的煤层沿空心钻杆的内孔一起取出，并将岩层从煤芯管中取出后，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，再次按预定钻孔路径进行下一段钻进；
2）当空心钻杆钻至取样预定深度时，在煤芯管的前端开口处设置连接有充气管路的密封用气囊，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，空心钻杆再次钻进至取样长度，煤样进入煤芯管内，利用充气管路对煤芯管前端的气囊进行充气，气囊膨胀后对煤芯管的前端进行密封；
3）将密封后的煤芯管沿空心钻杆的内孔取出，气囊放气后将煤样从煤芯管内取出，完成定点取样。
实施例2
如图1所示，一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，包括空心钻杆1、煤芯管2和取芯杆4；所述煤芯管2为一端开口的筒体，筒体外径与空心钻杆1的内径匹配；所述空心钻杆1内侧壁的前端处设有用于固定煤芯管2的煤芯管前限位7和煤芯管后限位6，煤芯管前限位7为固定限位，煤芯管后限位6为沿后向设置的单向限位；所述取芯杆4为硬质钻杆，取芯杆4的前端设有可拆卸的连接头3，连接头3用于驱动煤芯管后限位6并与煤芯管2连接。
所述煤芯管2的开口处内侧壁设有环槽，环槽内嵌设有气囊5，气囊5连接有充气管11；所述充气管11连接有充气阀12。所述充气阀12设于煤芯管2的后部。在气囊5未充气时，气囊5整体塌陷并紧贴于环槽内，不会影响煤样沿煤芯管2的开口进入煤芯管2内，而在气囊5以一定压力充气时，气囊5完全膨胀，并对煤芯管2的开口进行完全封闭。
所述煤芯管2内套设有密封性袋体10，密封性袋体10的开口方向与煤芯管2的开口方向一致，所述气囊5与密封性袋体10的开口处连接。气囊5与密封性袋体10连接成一体，充气膨胀后可将煤样完全密封于密封性袋体10中。
所述单向限位为与空心钻杆弹性连接的限位块，限位块的一端为倾斜面，另一端为垂直面。垂直面朝向限位向设置，沿垂直面推动限位块时，限位块可以有效起到限位作用；而沿倾斜面推动限位块时，可以将限位块压入空心钻杆或煤芯管的内侧壁，从而失去限位作用。
所述煤芯管前限位7为沿空心钻杆1内侧壁设置的环形限位台。
所述煤芯管2的后端设有卡接头8；所述连接头3为与空心钻杆1的内孔相匹配的柱形体，柱形体的前端设有用于与所述卡接头8连接的快速卡扣9。当快速卡扣9与卡接头8连接后，连接头3与煤芯管2的后端连接成一体。连接头3留设有用于布置进气管的通孔，以方便在取样时进气管与煤芯管2上的充气阀12连接。
本实施例中连接头3与取芯杆4可通过螺纹连接；快速卡扣9的具体结构可采用现有技术中惯用的快速接头形式，只要能实现连接头3在推动时能与煤芯管后端的卡接头8快速连接，并且在煤芯管取出后能够快速拆分即可。连接头3与煤芯管2的连接形式也可采用其它惯用手段进行替换，如螺纹连接或磁吸附连接。

Claims (7)

1.一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将前端固定有煤芯管的空心钻杆按预定钻孔路径进行分段式钻进，每段钻进后，空心钻杆固定不动，将煤芯管连同进入煤芯管中的煤层沿空心钻杆的内孔一起取出，并将岩层从煤芯管中取出后，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，再次按预定钻孔路径进行下一段钻进；
2）当空心钻杆钻至取样预定深度时，在煤芯管的前端开口处设置连接有充气管路的密封用气囊，再将煤芯管沿空心钻杆的内孔推入至空心钻杆的前端并进行固定，空心钻杆再次钻进至取样长度，煤样进入煤芯管内，利用充气管路对煤芯管前端的气囊进行充气，气囊膨胀后对煤芯管的前端进行密封；
3）将密封后的煤芯管沿空心钻杆的内孔取出，气囊放气后将煤样从煤芯管内取出，完成定点取样。
2.一种用于瓦斯含量定点取样的往复式取样，其特征在于：包括空心钻杆、煤芯管和取芯杆；所述煤芯管为一端开口的筒体，筒体外径与空心钻杆的内径匹配；所述空心钻杆内侧壁的前端处设有用于固定煤芯管的煤芯管前限位和煤芯管后限位，煤芯管前限位为固定限位，煤芯管后限位为沿后向设置的单向限位；所述取芯杆为硬质钻杆，取芯杆的前端设有可拆卸的连接头，连接头用于驱动煤芯管后限位并与煤芯管连接；
所述煤芯管的开口处内侧壁设有环槽，环槽内嵌设有气囊，气囊连接有充气管；所述充气管连接有充气阀。
3.根据权利要求2所述的用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，其特征在于：所述充气阀设于煤芯管的后部。
4.根据权利要求2或3所述的用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，其特征在于：所述煤芯管内套设有密封性袋体，密封性袋体的开口方向与煤芯管的开口方向一致，所述气囊与密封性袋体的开口处连接。
5.根据权利要求2所述的用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，其特征在于：所述单向限位为与空心钻杆弹性连接的限位块，限位块的一端为倾斜面，另一端为垂直面。
6.根据权利要求2所述的用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，其特征在于：所述煤芯管前限位为沿空心钻杆内侧壁设置的环形限位台。
7.根据权利要求6所述的用于瓦斯含量定点取样的往复式取样装置，其特征在于：所述煤芯管的后端设有卡接头；所述连接头为与空心钻杆的内孔相匹配的筒形体，筒形体的前端开口，筒形体的前端设有用于与所述卡接头连接的快速卡扣。
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