CN110454105B - 煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法，属于煤矿安全技术领域，将专用取芯钻头与煤芯存储管连接，而后与专用钻杆连接，并与钻机上的夹持装置连接；将高压水或压风通过专用水尾与尾部钻杆连接，在钻进的过程中，不退去钻杆更换钻头而直接钻取煤芯，并通过冷风对煤芯进行冷却，使得其内部的水分发生凝固，而防止煤芯逸散瓦斯；将煤芯送至实验室，待煤芯的温度升高后，凝固的水分转化为液态，进而瓦斯逸散出煤芯存储管，通过测定煤芯存储管自然与粉碎后的瓦斯量，结合工业分析、孔隙率与吸附瓦斯常数，计算可得到煤层瓦斯含量。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法。
背景技术
煤矿瓦斯(又称“煤层气”)是煤伴生且主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气，其主要成分为甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。瓦斯是威胁矿井安全生产的主要因素，但同时又是一种清洁能源。因此，在国际能源局势趋紧的情况下，作为一种优质高效清洁的能源，煤矿抽采瓦斯大规模开发利用的前景诱人。厘清煤层瓦斯成藏特征是矿井实施瓦斯抽采或煤矿区煤层气开发及利用的基础，而精准测定煤层瓦斯含量是掌握矿井煤层瓦斯赋存规律的核心。目前，煤炭行业普遍采用直接法和间接法进行煤矿井下煤层瓦斯含量的测定。但由于煤层瓦斯赋存情况大相径庭，造成现有的煤层瓦斯含量测定方法与装备在工程应用中存在不完善的问题，包括：1)间接法虽测定结果可靠，但需要在煤层内施工测压钻孔，故其作业成本高，测试周期长；2)目前虽有较为完善的煤矿井下密闭取芯工艺，但该种工艺需在钻进至待取样深度后，停止钻机，并退钻而后更换专用的密闭取芯管。实际停钻后，至开始取芯的过程内，钻孔孔底内壁亦将逸散瓦斯，且更换密闭取芯管过程的时间往往超过标准《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T 23250-2009)中规定的小于5min的要求；3)现有的高效随钻取屑工艺可以做到随钻随取，且取样损失时间小于5min，但该种工艺钻取的煤屑粒径较小，其损失瓦斯量往往较煤芯大。因此，为整体提升煤矿瓦斯灾害治理和煤矿区煤层气产业的科技自主创新能力，亟需突破许多的理论、技术瓶颈，并深入开展煤矿井下煤层瓦斯含量的原位测试装置及技术的研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法，可实现钻进至预定深度后煤芯的随钻随取，并且配合采用的冷风还可对钻取的煤芯进行冷冻保存，大幅度减少了煤芯钻取过程中瓦斯逸散量，可准确的反映原位煤层瓦斯含量。本发明解决了常规的密闭取芯工艺需停钻并更换专用的密闭取芯管造成的取样时间长、瓦斯的问题，同时又兼具随钻取屑工艺的优点，并且可钻取、冷冻大尺寸的煤芯，消除取样过程中的瓦斯损失量。
本发明的目的之一是提供一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法：
一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，包括以下步骤：
S1：将专用取芯钻头与煤芯存储管连接，再与专用钻杆连接，专用钻杆与钻进专用钻头连接，并与钻机上的夹持装置连接；并将高压水或压风通过专用水尾与尾部钻杆连接，开启钻机，使携带有专用取芯钻头与煤芯存储管的钻杆旋转，逐步钻进至预定深度；
S2：待钻进至预定深度后，将小直径橡胶球投入到尾部钻杆中，再通过专用水尾将高压水注入内层管；高压水带动小直径橡胶球在内层管内运动，至煤芯存储管底部的曲面球室内，而后堵塞曲面球室的小孔；随着水压的升高，推动煤芯存储管向孔底方向运动，并依靠限位挡块与限位合页、限位盖帽固定，使得煤芯存储管前方的取芯刀片外露；
S3：停止注入高压水，并将专用水尾与冷风气源相连接，并在专用钻杆环形通道内流动，经由专用钻头上开设的工艺孔流出；开启钻机，使取芯刀片随着专用钻杆的旋转开始钻取煤芯；
S4：待钻进至一定深度后，随即停止钻进；并将大直径橡胶球经由尾部钻杆放入到专用钻杆的内层管中；再将专用水尾与高压水连接，使高压水经由尾部钻杆进入到专用钻杆的内层管中，大直径橡胶球在高压水的推动下，高速运动至煤芯存储管尾部的球座上，使得球座与煤芯存储管内部的结构发生联动，从而使得煤芯存储管上设置的球阀剪切并密封煤芯；同时，球座的运动将使得密封橡胶球向钻孔孔底方向运动，并在水压的作用下进入至球室进口，通过定位圆环、限位合页及弹簧配合保证煤芯罐的密封效果；
S5：退钻，将装有煤芯的煤芯存储管送至实验室中，使气体阀门与量管连接；打开气体阀门，使煤芯存储管内的气体进入量管，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊I收集气体；
S6：而后旋转限位帽盖，将煤芯存储管取出，而后用力提拉球座，使得球阀的阀门打开，将煤芯存储管内的煤样倒出，并称重；最后将煤样放入到粉碎机的料钵中，并将粉碎机的料钵与量管连接；将煤样进行粉碎，使煤样内剩余的瓦斯气体流入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管的气体体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊II收集气体；将气囊I与气囊II通过三通与气囊III相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分；最终根据气体的体积数值，通过计算获取煤层瓦斯含量。
进一步，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：专用取芯钻头与煤芯存储管通过螺纹连接，而后将连接专用取芯钻头的煤芯存储管放入到专用钻杆内；所述专用钻杆内壁开设有一定深度与长度的凹槽，所述凹槽沿专用钻杆中心呈120°的分布，煤芯存储管外壁设置的定位凸块与凹槽配合，实现煤芯存储管的固定；而后将专用钻进钻头与专用钻杆通过螺纹连接；
S12：所述专用水尾用以连接高压水或压风，其与尾部专用钻杆连接；钻进过程中，压风或高压水通过专用水尾进入到专用钻杆的内层管中；所述专用钻杆的内层管与煤芯存储管通过螺纹连接，压风或高压水进入煤芯存储管内后，将流动至钻孔孔底，实现钻进过程的排渣；
S13：钻进过程中，通过不断的将专用钻杆进行其连接，实现钻进过程的持续，并逐渐至预定的钻进深度。
进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：所述小直径橡胶球在专用钻杆的内层管内随高压水流动，通过定位圆环、球座后进入到曲面球室内；所述定位圆环边缘设有导向带，用以保证定位圆环可在煤芯存储管内壁沿轴向自由滑动，且定位圆环上设有钢条，使定位圆环与球座固定形成一体；所述球座为网状结构，其网眼的直径大于小直径橡胶球的直径；待小直径橡胶球进入到曲面球室后，将堵塞曲面球室上的小孔；
S22：而后高压水进入到曲面球室内，使得其中的水压升高；经由球座的另一部分高压水将受格米圈的作用被阻挡在环形空间内，进而推动带有专用取芯钻头的煤芯存储管部件向钻孔底部运动，且专用取芯钻头的刀片外露，进而直接接触煤壁，对煤样进行钻取；
S23：煤芯存储管部件向钻孔底部运动的过程中，限位挡块通过限位活页后，则煤芯存储管不会发生远离钻孔孔底方向的运动；导向带至限位盖帽位置后，防止煤芯存储管进一步向钻孔孔底方向运动。
进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：冷风气源由制冷装置提供，或为井下安设，或为地面安设通过敷设管路至井下钻进的位置；
S32：冷风在专用钻杆环形通道内的流动，使得煤芯存储管冷却，保障进入煤芯存储管内的煤芯处于低温环境；煤样内含有一定程度的水分，冷风的作用使得煤样内的水分凝固成冰，进而锁住煤体内瓦斯防止逸散；
S33：冷风经由专用钻头上开设的工艺孔流出，使得与钻头接触的煤体降温，专用取芯钻头钻取下的煤芯与工艺孔流出的冷风接触，因煤芯内的水分凝固而锁住煤体内瓦斯的逸散。
进一步，所述步骤S4中具体包括以下步骤：
S41：待钻进的深度至煤芯存储管所能存储的最大长度的煤芯时，关闭钻机与冷风风源；
S42：大直径橡胶球尺寸与专用钻杆的内层管内径相当，将大直径橡胶球投入到专用钻杆的内层管中后，随即将专用水尾与高压水相连接，并逐步增加高压水的压力，驱动大直径橡胶球在专用钻杆的内层管中运动；
S43：待大直径橡胶球与球座接触后，其将阻碍高压水在专用钻杆的内层管中运动，因而水压将不断上升，待水压的数值上升至某一阈值后，将通过球座挤压弹簧使得与球阀把手连接的连杆发生运动，连杆推动球阀把手移动，最终使得球阀关闭，从而剪切断煤芯；同时，定位圆环亦将向钻孔孔底方向运动，通过限位活页后，其位置锁定；所述限位活页的旋转角度为0～90°。
进一步，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S51：量管通过胶管与煤芯存储管上的气体阀门连接；
S52：而后打开气体阀门，煤芯存储管内的气体将进入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积V1；
S53：应用气囊I将量管内采集的气体收集到其中，并用夹子将气囊I的气嘴夹紧。
进一步，所述步骤S6具体包括以下步骤：
S61：所述粉碎机为任何形式的粉碎方式；所述料钵具有相应的密封性，且设置有与胶管连接的气嘴，并将胶管连接到量管上；
S62：将煤样放入到料钵内后，通过胶管将气嘴与量管连接，开始粉碎，待量管的示数稳定后，随即读取量管的气体体积为V2；
S63：应用气囊II将量管内采集的气体收集到其中，并用夹子将气囊II的气嘴夹紧；所述气囊III在与气囊I、气囊II连通之前，采用真空泵对气囊III进行脱气，而后采用夹子将气囊III的气嘴夹紧；将气囊I、气囊II与抽真空后的气囊III通过三通相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分，包括c(O2)、c(N2)、c(CH4)、c(CO2)；
S64：而后根据气相色谱仪测定的主要气体组分，计算气体组分无空气基的浓度：
式中：A(N2)为扣除空气后N2的浓度，％；A(CH4)为扣除空气后CH4的浓度，％；A(CO2)为扣除空气后CO2的浓度，％；
S65：根据量管测得的气体体积，计算得到标准状态下的气体体积Vb为：
式中：T为实验室温度，℃；p1为大气压力，kPa；p2为实验室温度下饱和食盐水的饱和蒸汽压，kPa；C0为气压计温度，℃；
将标准状态下的气体体积Vb换算为无空气瓦斯的体积：
Vs＝Vb(100-4.57×c(O2))×100％ (3)
式中：Vs为扣除空气后标准状态下瓦斯体积，cm3；
各组分气体体积为：
将煤样的吸附瓦斯常数与工业分析、孔隙率等参数代入，得到煤层瓦斯含量为：
式中：W为煤层瓦斯含量，cm3/g；a为煤的极限吸附瓦斯量，cm3/g；b为煤的吸附瓦斯常数，MPa-1；Ad为煤的灰分，％；Mad为煤的水分，％；
为煤的孔隙率，cm3/cm3；γ为煤的容重，g/cm3。
本发明的目的之二是提供一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统，包括钻机，通过钻机的夹持装置夹持有专用钻杆，所述专用钻杆尾部连接有尾部钻杆，所述尾部钻杆尾部连接有专用水尾，所述专用水尾尾部连接高压水源和冷风气源；
所述专用钻杆头部设有钻进专用钻头，所述钻进专用钻头上开设有用于使冷风流出的工艺孔，专用钻杆内设有外径小于专用钻杆内径的煤芯存储管，所述专用钻杆内壁开设有凹槽，所述凹槽沿专用钻杆中心呈120°的分布，所述煤芯存储管外壁设置有与凹槽配合的定位凸块，用于固定煤芯存储管；所述煤芯存储管尾部设置有用于连通管内外的气阀，还设有定位圆环，所述定位圆环通过在边缘设置导向带，使得定位圆环在煤芯存储管内滑动，所述定位圆环连接有球座，所述定位圆环还通过钢条和弹簧连接有专用取芯钻头，所述专用取芯钻头尾部设置有球阀，所述球阀的球阀把手通过滑块滑动连接在圆弧导轨内，所述滑块还通过连杆连接有曲面球室，所述曲面球室头部设置有小孔，尾部设有直径大于小孔的球室进口，所述球座上还设置有密封橡胶球，所述密封橡胶球直径大于球室进口的直径；所述煤芯存储管内壁上靠近头部位置设有用于阻挡导向带的限位冒盖，用于防止定位圆环划出煤芯存储管，所述专用取芯钻头包括刀片和连接部，所述连接部外壁上设有限位挡块，所述煤芯存储管内壁上设有与限位挡块配合的限位合页，用于防止专用取芯钻头发生远离头部方向的运动。
进一步，所述专用取芯钻头的连接部外壁上还设有与煤芯存储管内壁密封连接的格米圈，用于阻挡煤芯存储管内的高压水泄露。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法，可实现钻进至预定深度后煤芯的随钻随取，解决了常规的密闭取芯工艺需停钻并更换专用的密闭取芯管造成的取样时间长、瓦斯的问题，同时又兼具随钻取屑工艺的优点，并且可钻取、冷冻大尺寸的煤芯，消除取样过程中的瓦斯损失量。
(1)本发明特有的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法，可实现钻进至预定深度后煤芯的随钻随取，并且配合采用的冷风还可对钻取的煤芯进行冷冻保存，消除了煤芯钻取过程中瓦斯逸散量，可准确的反映原位煤层瓦斯含量；
(2)本发明提供的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法，解决了常规的密闭取芯工艺需停钻并更换专用的密闭取芯管造成的取样时间长、瓦斯的问题，同时又兼具随钻取屑工艺的优点；
(3)本发明提供的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统及方法，省去了传统的煤矿井下瓦斯含量直接测定方法中需要推算损失量的流程，工艺简单，且作业效率高，可满足煤矿井下大面积高效测定煤层瓦斯含量的需求。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统结构示意图；
图2为本发明所述煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统内部结构图；
图3为本发明所述球阀把手结构示意图。
附图标记：钻机1、夹持装置11、专用钻杆2、尾部钻杆3、专用水尾4、高压水或压风5、冷风气源6、煤层7、煤芯存储管21、定位凸块22、气阀23、定位圆环24、导向带25、球座26、弹簧27、专用取芯钻头28、球阀29、滑块291、圆弧导轨292、曲面球室210、球室进口211、密封橡胶球212、限位冒盖213、限位挡块214、限位合页215、格米圈216、钻进专用钻头217、工艺孔218。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法目的就是在钻进的过程中，不退去钻杆更换钻头而直接钻取煤芯，并通过冷风对煤芯进行冷却，使得其内部的水分发生凝固，而防止煤芯逸散瓦斯；进一步将煤芯送至实验室，待煤芯的温度升高后，凝固的水分转化为液态，进而瓦斯逸散出煤芯存储管，通过测定煤芯存储管自然与粉碎后的瓦斯量，结合工业分析、孔隙率与吸附瓦斯常数，计算可得到煤层瓦斯含量。
如图1-2所示，本发明提供的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，包括以下步骤：
S1：将专用取芯钻头28与煤芯存储管21连接，而后与专用钻杆2连接，专用钻杆2与钻进专用钻头连接，并与钻机1上的夹持装置11连接；并将高压水或压风5通过专用水尾4与尾部钻杆3连接，开启钻机1，使携带有专用取芯钻头28与煤芯存储管21的钻杆旋转，逐步钻进至预定深度；
S2：待钻进至预定深度后，将小直径橡胶球投入到尾部钻杆3中，而后通过专用水尾4将高压水注入内层管；高压水带动小直径橡胶球在内层管内运动，至煤芯存储管21底部的曲面球室210内，而后堵塞曲面球室210的小孔；随着水压的升高，推动煤芯存储管21向孔底方向运动，并依靠限位挡块214与限位活页、限位盖帽固定，使得煤芯存储管21前方的取芯刀片外露；
S3：而后停止注入高压水，并将专用水尾4与冷风气源6相连接，并在专用钻杆2环形通道内流动，经由专用钻头上开设的工艺孔218流出；开启钻机1，使取芯刀片随着专用钻杆2的旋转开始钻取煤芯；
S4：待钻进至一定深度后，随即停止钻进；并将大直径橡胶球经由尾部钻杆3放入到专用钻杆2的内层管中；而后将专用水尾4与高压水连接，使高压水经由尾部钻杆3进入到专用钻杆2的内层管中，大直径橡胶球在高压水的推动下，高速运动至煤芯存储管21尾部的球座26上，使得球座26与煤芯存储管21内部的结构发生联动，从而使得煤芯存储管21上设置的球阀29剪切并密封煤芯；同时，球座26的运动将使得密封橡胶球212向钻孔孔底方向运动，并在水压的作用下进入至球室进口211，定位圆环、限位合页215及弹簧配合可保证煤芯罐的密封效果；
S5：而后退钻，并将装有煤芯的煤芯存储管送至实验室中，使气体阀门与量管连接；打开气体阀门，使煤芯存储管内的气体进入量管，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊I收集气体；
S6：而后旋转限位帽盖，将煤芯存储管取出，而后用力提拉球座，使得球阀的阀门打开，将煤芯存储管内的煤样倒出，并称重；最后将煤样放入到粉碎机的料钵中，并将粉碎机的料钵与量管连接；将煤样进行粉碎，使煤样内剩余的瓦斯气体流入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管的气体体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊II收集气体；将气囊I与气囊II通过三通与气囊III相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分；最终根据气体的体积数值，通过计算即可获取煤层瓦斯含量。
可选地，所述步骤S1中的：将专用取芯钻头28与煤芯存储管21连接，而后与专用钻杆2连接，并与钻机1上的夹持装置11连接；并将高压水或压风5通过专用水尾4与尾部钻杆3连接，开启钻机1，使携带有专用取芯钻头28与煤芯存储管21的钻杆旋转，逐步钻进至预定深度，具体包括以下步骤：
S11：专用取芯钻头28与煤芯存储管21通过螺纹连接，而后将连接专用取芯钻头28的煤芯存储管21放入到专用钻杆2内；所述专用钻杆2内壁开设有一定深度与长度的凹槽，所述凹槽沿专用钻杆2中心呈120°的分布，煤芯存储管21外壁设置的定位凸块22与凹槽配合，可实现煤芯存储管21的固定；而后将专用钻进钻头与专用钻杆2通过螺纹连接；
S12：所述专用水尾4用以连接压风或高压水，其与尾部专用钻杆2连接；钻进过程中，压风或高压水通过专用水尾4进入到专用钻杆2的内层管中；所述专用钻杆2的内层管与煤芯存储管21通过螺纹连接，压风或高压水进入煤芯存储管21内后，将流动至钻孔孔底，可实现钻进过程的排渣；
S13：钻进过程中，通过不断的将专用钻杆2进行其连接，实现钻进过程的持续，并逐渐至预定的钻进深度。
可选地，所述步骤S2中的：待钻进至预定深度后，将小直径橡胶球投入到尾部钻杆3中，而后通过专用水尾4将高压水注入内层管；高压水带动小直径橡胶球在内层管内运动，至煤芯存储管21底部的曲面球室210内，而后堵塞曲面球室210的小孔；随着水压的升高，推动煤芯存储管21向孔底方向运动，并依靠限位挡块214与限位活页、限位盖帽固定，使得煤芯存储管21前方的取芯刀片外露，具体包括以下步骤：
S21：所述小直径橡胶球在专用钻杆2的内层管内随高压水流动，通过定位圆环24、球座26后进入到曲面球室210内；所述定位圆环24边缘设有导向带25，用以保证定位圆环24可在煤芯存储管21内壁沿轴向自由滑动，且定位圆环24上设有钢条，可与球座26固定形成一体；所述球座26为网状结构，其网眼的直径大于小直径橡胶球的直径；待小直径橡胶球进入到曲面球室210后，将堵塞曲面球室210上的小孔；
S22：而后高压水进入到曲面球室210内，使得其中的水压升高；经由球座26的另一部分高压水将受格米圈216的作用被阻挡在环形空间内，进而推动带有专用取芯钻头28的煤芯存储管21部件向钻孔底部运动，且专用取芯钻头28的刀片外露，进而直接接触煤壁，对煤样进行钻取；
S23：煤芯存储管21部件向钻孔底部运动的过程中，限位挡块214通过限位活页后，则煤芯存储管21不会发生远离钻孔孔底方向的运动；导向带25至限位盖帽位置后，可防止煤芯存储管21进一步向钻孔孔底方向运动。
可选地，所述步骤S3中的：而后停止注入高压水，并将专用水尾4与冷风气源6相连接，并在专用钻杆2环形通道内流动，经由专用钻头上开设的工艺孔218流出，具体包括以下步骤：
S31：所述冷风气源6由制冷装置提供，或为井下安设，或为地面安设通过敷设管路至井下钻进的位置；
S32：冷风在专用钻杆2环形通道内的流动，可使得煤芯存储管21冷却，保障进入煤芯存储管21内的煤芯处于低温环境；煤样内含有一定程度的水分，冷风的作用使得煤样内的水分凝固成冰，进而锁住煤体内瓦斯的逸散；
S33：冷风经由专用钻头上开设的工艺孔218流出，可使得与钻头接触的煤体降温，专用取芯钻头28钻取下的煤芯与工艺孔218流出的冷风接触，因煤芯内的水分凝固而锁住煤体内瓦斯的逸散。
可选地，所述步骤S4中的：待钻进至一定深度后，随即停止钻进；并将大直径橡胶球经由尾部钻杆3放入到专用钻杆2的内层管中；而后将专用水尾4与高压水连接，使高压水经由尾部钻杆3进入到专用钻杆2的内层管中，大直径橡胶球在高压水的推动下，高速运动至煤芯存储管21尾部的球座26上，使得球座26与煤芯存储管21内部的结构发生联动，从而使得煤芯存储管21上设置的球阀29剪切并密封煤芯；同时，球座26的运动将使得密封橡胶球212向钻孔孔底方向运动，并在水压的作用下进入至球室进口211，定位圆环与限位合页215配合可保证煤芯罐的密封效果，具体包括以下步骤：
S41：待钻进的深度至煤芯存储管21所能存储的最大长度的煤芯时，关闭钻机1与冷风风源；
S42：所述大直径橡胶球尺寸与专用钻杆2的内层管内径相当，将大直径橡胶球投入到专用钻杆2的内层管中后，随即将专用水尾4与高压水相连接，并逐步增加高压水的压力，驱动大直径橡胶球在专用钻杆2的内层管中运动；
S43：待大直径橡胶球与球座接触后，其将阻碍高压水在专用钻杆的内层管中运动，因而水压将不断上升，待水压的数值上升至某一阈值后，将通过球座挤压弹簧使得与球阀把手连接的连杆发生运动，连杆推动球阀把手移动，最终使得球阀关闭，从而剪切断煤芯；同时，定位圆环亦将向钻孔孔底方向运动，通过限位活页后，其位置锁定；所述限位活页的旋转角度为0～90°。
可选地，所述步骤S5中：而后退钻，将装有煤芯的煤芯存储管21送至实验室中，使气体阀门与量管连接；打开气体阀门，使煤芯存储管21内的气体进入量管，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积，具体包括以下步骤：
S51：所述量管通过胶管与煤芯存储管21上的气体阀门连接；
S52：而后打开气体阀门，煤芯存储管21内的气体将进入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积V1；
S53：应用气囊I将量管内采集的气体收集到其中，并用夹子将气囊I的气嘴夹紧。
可选地，所述步骤S6中：而后旋转限位帽盖，将煤芯存储管21取出，而后用力提拉球座26，使得球阀29的阀门打开，将煤芯存储管21内的煤样倒出，并称重；最后将煤样放入到粉碎机的料钵中，并将粉碎机的料钵与量管连接；将煤样进行粉碎，使煤样内剩余的瓦斯气体流入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管的气体体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊II收集气体；将气囊I与气囊II通过三通与气囊III相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分；最终根据气体的体积数值，通过计算即可获取煤层7瓦斯含量，具体包括以下步骤：
S61：所述粉碎机可为任何形式的粉碎方式；所述料钵需具有相应的密封性，且设置有气嘴，可与胶管连接，并接入到量管上；
S62：将煤样放入到料钵内后，而后通过胶管将气嘴与量管连接，即可开始粉碎，待量管的示数稳定后，随即读取量管的气体体积为V2。
S63：应用气囊II将量管内采集的气体收集到其中，并用夹子将气囊II的气嘴夹紧；所述气囊III在与气囊I、气囊II连通之前，需采用真空泵对气囊III进行脱气，而后采用夹子将气囊III的气嘴夹紧。将气囊I、气囊II与抽真空后的气囊III通过三通相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分，包括：c(O2)、c(N2)、c(CH4)、c(CO2)；
S64：而后根据气相色谱仪测定的主要气体组分，计算气体组分无空气基的浓度：
式中：A(N2)为扣除空气后N2的浓度，％；A(CH4)为扣除空气后CH4的浓度，％；A(CO2)为扣除空气后CO2的浓度，％。
S65：根据量管测得的气体体积，可计算得到标准状态下的气体体积Vb为：
式中：T为实验室温度，℃；p1为大气压力，kPa；p2为实验室温度下饱和食盐水的饱和蒸汽压，kPa；C0为气压计温度，℃。
进一步将标准状态下的气体体积Vb换算为无空气瓦斯的体积：
Vs＝Vb(100-4.57×c(O2))×100％ (3)
式中：Vs为扣除空气后标准状态下瓦斯体积，cm3。
各组分气体体积为：
将煤样的吸附瓦斯常数与工业分析、孔隙率等参数代入，则可得到煤层瓦斯含量为：
式中：W为煤层瓦斯含量，cm3/g；a为煤的极限吸附瓦斯量，cm3/g；b为煤的吸附瓦斯常数，MPa-1；Ad为煤的灰分，％；Mad为煤的水分，％；φ为煤的孔隙率，cm3/cm3；γ为煤的容重，g/cm3。
另一方面，本发明提供一种煤矿井下煤层7瓦斯含量的随钻原位测试系统，包括钻机1，通过钻机1的夹持装置11夹持有专用钻杆2，所述专用钻杆2尾部连接有尾部钻杆3，所述尾部钻杆3尾部连接有专用水尾4，所述专用水尾4尾部连接高压水源和冷风气源6；
所述专用钻杆2头部设有钻进专用钻头217，所述钻进专用钻头217上开设有用于使冷风流出的工艺孔218，专用钻杆2内设有外径小于专用钻杆2内径的煤芯存储管21，所述专用钻杆2内壁开设有凹槽，所述凹槽沿专用钻杆2中心呈120°的分布，所述煤芯存储管21外壁设置有与凹槽配合的定位凸块22，用于固定煤芯存储管21；所述煤芯存储管21尾部设置有用于连通管内外的气阀23，还设有定位圆环24，所述定位圆环24通过在边缘设置导向带25，使得定位圆环24在煤芯存储管21内滑动，所述定位圆环24连接有球座26，所述定位圆环24还通过钢条和弹簧27连接有专用取芯钻头28，所述专用取芯钻头28尾部设置有球阀29，如图3所示，所述球阀29的球阀把手通过滑块291滑动连接在圆弧导轨292内，所述滑块291还通过连杆连接有曲面球室210，所述曲面球室210头部设置有小孔，尾部设有直径大于小孔的球室进口211，所述球座26上还设置有密封橡胶球212，所述密封橡胶球212直径大于球室进口211的直径；所述煤芯存储管21内壁上靠近头部位置设有用于阻挡导向带25的限位冒盖213，用于防止定位圆环24划出煤芯存储管21，所述专用取芯钻头28包括刀片和连接部，所述连接部外壁上设有限位挡块214，所述煤芯存储管21内壁上设有与限位挡块214配合的限位合页215，用于防止专用取芯钻头28发生远离头部方向的运动。所述专用取芯钻头28的连接部外壁上还设有与煤芯存储管21内壁密封连接的格米圈216，用于阻挡煤芯存储管21内的高压水泄露。本系统的测试方法及工作原理如前所述。
本发明在钻进的过程中，不退去钻杆更换钻头而直接钻取煤芯，并通过冷风对煤芯进行冷却，使得其内部的水分发生凝固，而防止煤芯逸散瓦斯；进一步将煤芯送至实验室，待煤芯的温度升高后，凝固的水分转化为液态，进而瓦斯逸散出煤芯存储管21，通过测定煤芯存储管21自然与粉碎后的瓦斯量，结合工业分析、孔隙率与吸附瓦斯常数，计算可得到煤层7瓦斯含量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统，其特征在于：包括钻机，通过钻机的夹持装置夹持有专用钻杆，所述专用钻杆尾部连接有尾部钻杆，所述尾部钻杆尾部连接有专用水尾，所述专用水尾尾部连接高压水源和冷风气源；所述专用钻杆头部设有钻进专用钻头，所述钻进专用钻头上开设有用于使冷风流出的工艺孔，专用钻杆内设有外径小于专用钻杆内径的煤芯存储管，所述专用钻杆内壁开设有凹槽，所述凹槽沿专用钻杆中心呈120°的分布，所述煤芯存储管外壁设置有与凹槽配合的定位凸块，用于固定煤芯存储管；还包括煤芯存储管部件，所述煤芯存储管部件尾部设置有用于连通管内外的气阀，还设有定位圆环，所述定位圆环通过在边缘设置导向带，使得定位圆环在煤芯存储管内滑动，所述定位圆环连接有球座，所述定位圆环还通过钢条和弹簧连接有专用取芯钻头，所述专用取芯钻头尾部设置有球阀，所述球阀的球阀把手通过滑块滑动连接在圆弧导轨内，当大直径橡胶球与球座接触后，其阻碍高压水在专用钻杆的内层管中运动，因而水压不断上升，待水压的数值上升至某一阈值后，将通过球座挤压弹簧使得球阀把手连接的连杆发生运动，连杆推动球阀把手移动，最终使得球阀关闭，从而剪切断煤芯；所述专用取芯钻头还连接有曲面球室，所述曲面球室头部设置有小孔，尾部设有直径大于小孔的球室进口，小直径橡胶球通过球座的网眼后进入到曲面球室后，堵塞曲面球室上的小孔，而后高压水进入曲面球室内，使得其中的水压升高，进而推动带有专用取芯钻头的煤芯存储管部件向钻孔底部运动，且专用取芯钻头的刀片外露，进而直接接触煤壁，对煤样进行钻取；所述球座上还设置有密封橡胶球，所述密封橡胶球直径大于球室进口的直径；所述煤芯存储管内壁上靠近头部位置设有用于阻挡导向带的限位冒盖，用于防止定位圆环划出煤芯存储管，所述专用取芯钻头包括刀片和连接部，所述连接部外壁上设有限位挡块，所述煤芯存储管内壁上设有与限位挡块配合的限位合页，用于防止专用取芯钻头发生远离头部方向的运动。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试系统，其特征在于：述专用取芯钻头的连接部外壁上还设有与煤芯存储管内壁密封连接的格米圈，用于阻挡煤芯存储管内的高压水泄露。
3.一种基于权利要求1-2任一所述系统的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将专用取芯钻头与煤芯存储管部件连接，再与专用钻杆连接，专用钻杆与钻进专用钻头连接，并与钻机上的夹持装置连接；并将高压水或压风通过专用水尾与尾部钻杆连接，开启钻机，使携带有专用取芯钻头与煤芯存储管的专用钻杆旋转，逐步钻进至预定深度；
S2：待钻进至预定深度后，将小直径橡胶球投入到尾部钻杆中，再通过专用水尾将高压水注入内层管，所述专用钻杆的内层管与煤芯存储管通过螺纹连接；高压水带动小直径橡胶球在内层管内运动，至煤芯存储管部件底部的曲面球室内，而后堵塞曲面球室的小孔；随着水压的升高，推动煤芯存储管部件向孔底方向运动，并依靠限位挡块与限位合页、限位盖帽固定，使得煤芯存储管部件前方的专用取芯钻头的刀片外露；
S3：停止注入高压水，并将专用水尾与冷风气源相连接，并在专用钻杆环形通道内流动，经由专用钻头上开设的工艺孔流出；开启钻机，使取芯刀片随着专用钻杆的旋转开始钻取煤芯；
S4：待钻进至一定深度后，随即停止钻进；并将大直径橡胶球经由尾部钻杆放入到专用钻杆的内层管中；再将专用水尾与高压水连接，使高压水经由尾部钻杆进入到专用钻杆的内层管中，大直径橡胶球在高压水的推动下，高速运动至煤芯存储管部件尾部的球座上，使得球座与煤芯存储管部件内部的结构发生联动，从而使得煤芯存储管部件上设置的球阀剪切并密封煤芯；同时，球座的运动将使得密封橡胶球向钻孔孔底方向运动，并在水压的作用下进入至球室进口，通过定位圆环、限位合页及弹簧配合保证煤芯存储管的密封效果；
S5：退钻，将装有煤芯的煤芯存储管部件送至实验室中，使气阀与量管连接；打开气阀，使煤芯存储管部件内的气体进入量管，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊I收集气体；
S6：而后旋转限位帽盖，将煤芯存储管取出，而后用力提拉球座，使得球阀的阀门打开，将煤芯存储管内的煤样倒出，并称重；最后将煤样放入到粉碎机的料钵中，并将粉碎机的料钵与量管连接；将煤样进行粉碎，使煤样内剩余的瓦斯气体流入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管的气体体积；而后将量管内的气体排出，并采用气囊II收集气体；将气囊I与气囊II通过三通与气囊III相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分；最终根据气体的体积数值，通过计算获取煤层瓦斯含量。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：专用取芯钻头与煤芯存储管部件通过螺纹连接，而后将连接专用取芯钻头的煤芯存储管部件放入到煤芯存储管内，再将所述煤芯存储管放入到专用钻杆内；所述专用钻杆内壁开设有凹槽，所述凹槽沿专用钻杆中心呈120°的分布，煤芯存储管外壁设置的定位凸块与凹槽配合，实现煤芯存储管的固定；而后将专用钻进钻头与专用钻杆通过螺纹连接；
S12：所述专用水尾用以连接高压水或压风，其与尾部钻杆连接；钻进过程中，压风或高压水通过专用水尾进入到专用钻杆的内层管中；所述专用钻杆的内层管与煤芯存储管通过螺纹连接，压风或高压水进入煤芯存储管部件内后，将流动至钻孔孔底，实现钻进过程的排渣；
S13：钻进过程中，通过不断的将专用钻杆进行其连接，实现钻进过程的持续，并逐渐至预定的钻进深度。
5.根据权利要求3所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：所述小直径橡胶球在专用钻杆的内层管内随高压水流动，通过定位圆环、球座后进入到曲面球室内；所述定位圆环边缘设有导向带，用以保证定位圆环可在煤芯存储管内壁沿轴向自由滑动，且定位圆环上设有钢条，使定位圆环与球座固定形成一体；所述球座为网状结构，其网眼的直径大于小直径橡胶球的直径；待小直径橡胶球进入到曲面球室后，将堵塞曲面球室上的小孔；
S22：而后高压水进入到曲面球室内，使得其中的水压升高；经由球座的另一部分高压水将受格米圈的作用被阻挡在煤芯存储管内，进而推动带有专用取芯钻头的煤芯存储管部件向钻孔底部运动，且专用取芯钻头的刀片外露，进而直接接触煤壁，对煤样进行钻取；
S23：煤芯存储管部件向钻孔底部运动的过程中，限位挡块通过限位活页后，则煤芯存储管部件不会发生远离钻孔孔底方向的运动；导向带至限位盖帽位置后，防止煤芯存储管进一步向钻孔孔底方向运动。
6.根据权利要求3所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：冷风气源由制冷装置提供，或为井下安设，或为地面安设通过敷设管路至井下钻进的位置；
S32：冷风在专用钻杆环形通道内的流动，使得煤芯存储管冷却，保障进入煤芯存储管部件内的煤芯处于低温环境；煤样内含有一定程度的水分，冷风的作用使得煤样内的水分凝固成冰，进而锁住煤体内瓦斯防止逸散；
S33：冷风经由专用钻头上开设的工艺孔流出，使得与钻头接触的煤体降温，专用取芯钻头钻取下的煤芯与工艺孔流出的冷风接触，因煤芯内的水分凝固而锁住煤体内瓦斯的逸散。
7.根据权利要求3所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：所述步骤S4中具体包括以下步骤：
S41：待钻进的深度至煤芯存储管部件所能存储的最大长度的煤芯时，关闭钻机与冷风风源；
S42：大直径橡胶球尺寸与专用钻杆的内层管内径相当，将大直径橡胶球投入到专用钻杆的内层管中后，随即将专用水尾与高压水相连接，并逐步增加高压水的压力，驱动大直径橡胶球在专用钻杆的内层管中运动；
S43：待大直径橡胶球与球座接触后，其将阻碍高压水在专用钻杆的内层管中运动，因而水压将不断上升，待水压的数值上升至某一阈值后，将通过球座挤压弹簧使得与球阀把手连接的连杆发生运动，连杆推动球阀把手移动，最终使得球阀关闭，从而剪切断煤芯；同时，定位圆环亦将向钻孔孔底方向运动，通过限位活页后，其位置锁定；所述限位活页的旋转角度为0～90°。
8.根据权利要求3所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括以下步骤：
S51：量管通过胶管与煤芯存储管部件上的气阀连接；
S52：而后打开气阀，煤芯存储管部件内的气体将进入至量管内，待量管的示数不发生变化后，读取量管内气体的体积V1；
S53：应用气囊I将量管内采集的气体收集到其中，并用夹子将气囊I的气嘴夹紧。
9.根据权利要求3所述的煤矿井下煤层瓦斯含量的随钻原位测试方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括以下步骤：
S61：所述粉碎机为任何形式的粉碎方式；所述料钵具有密封性，且设置有与胶管连接的气嘴，并将胶管连接到量管上；
S62：将煤样放入到料钵内后，通过胶管将气嘴与量管连接，开始粉碎，待量管的示数稳定后，随即读取量管的气体体积为V2；
S63：应用气囊II将量管内采集的气体收集到其中，并用夹子将气囊II的气嘴夹紧；所述气囊III在与气囊I、气囊II连通之前，采用真空泵对气囊III进行脱气，而后采用夹子将气囊III的气嘴夹紧；将气囊I、气囊II与抽真空后的气囊III通过三通相通，待三个气囊内的气体充分混合后，选择任一气囊接入到气相色谱仪上，用以测定气囊内各主要气体的组分，包括c(O2)、c(N2)、c(CH4)、c(CO2)；
S64：而后根据气相色谱仪测定的主要气体组分，计算气体组分无空气基的浓度：
式中：A(N2)为扣除空气后N2的浓度，％；A(CH4)为扣除空气后CH4的浓度，％；A(CO2)为扣除空气后CO2的浓度，％；
S65：根据量管测得的气体体积，计算得到标准状态下的气体体积Vb为：
式中：T为实验室温度，℃；p1为大气压力，kPa；p2为实验室温度下饱和食盐水的饱和蒸汽压，kPa；C0为气压计温度，℃；V1为煤芯存储管部件内的气体体积；
将标准状态下的气体体积Vb换算为无空气瓦斯的体积：
Vs＝Vb(100-4.57×c(O2))×100％ (3)
式中：Vs为扣除空气后标准状态下瓦斯体积，cm3；
各组分气体体积为：
将煤样的吸附瓦斯常数与工业分析、孔隙率参数代入，得到煤层瓦斯含量为：
式中：W为煤层瓦斯含量，cm3/g；a为煤的极限吸附瓦斯量，cm3/g；b为煤的吸附瓦斯常数，MPa-1；Ad为煤的灰分，％；Mad为煤的水分，％；
为煤的孔隙率，cm3/cm3；γ为煤的容重，g/cm3。
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