CN110646236A - 随钻煤层密封取样装置 - Google Patents

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隆清明
吕贵春
唐勇
张宪尚
岳建平
张睿
李柏均
常宇
邱飞
任文贤
饶家龙
胡杰
周锦萱
杨娟
江旭
周燕
兰祥云
刘娟
张森林
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Abstract

本发明公开了一种随钻煤层密封取样装置，包括用于钻进煤层达到取样位置的进钻机构、设置于进钻机构内部用于采集煤样的取样机构和对煤样进行瓦斯解吸参数测量的测量机构；所述进钻机构包括中空且可拆卸连接的进钻钻头和外管；所述取样机构包括内部为空心用于采集煤样的取样钻头和用于盛装煤样并在进钻机构内可被控制地滑动的煤样筒，所述取样钻头和所述煤样筒之间设置有用于建立/关闭所述取样钻头和所述煤样筒之间煤样通道的球闸组件。本发明能够实现煤层随钻密封取样，以解决现有的煤层取样技术中打钻和取样分属两个过程，打钻到位后需起钻再下取样钻头的问题。

Description

随钻煤层密封取样装置
技术领域
本发明涉及煤炭开采及煤矿安全技术领域，具体涉及一种随钻煤层密封取样装置。
背景技术
煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象，是煤矿井下生产的一种强大的自然灾害，严重威胁着煤矿的安全生产，具有极大的破坏性。
科学准确的煤与瓦斯突出预测，是指导煤与瓦斯突出防治措施合理有效地实施的前提和关键所在，因此，煤与瓦斯突出预测具有重大的现实意义。煤层瓦斯含量近年来被广泛使用在预测煤与瓦斯突出危险性上。
煤层瓦斯含量测量误差的根源在于取样过程中的瓦斯损失量，因此，取样是煤层瓦斯含量准确测量的关键。近年来，围绕着煤层快速取样，国内外的学者开展了一系列的研究，研发了许多取样方法和装备，主要有：①反循环取样；②煤样管取样。然而，反循环取样过程中，煤样在空气中暴露时间长，瓦斯损失量大，造成测量误差偏大；现有的煤样管取芯技术取样时要起钻后，再下取样钻头和煤样管，操作复杂，取样时间长。
因此，为解决以上问题，需要一种随钻煤层密封取样装置，能够实现煤层随钻密封取样，以解决现有的煤层取样技术中打钻和取样分属两个过程，打钻到位后需起钻再下取样钻头的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供随钻煤层密封取样装置，能够实现煤层随钻密封取样，以解决现有的煤层取样技术中打钻和取样分属两个过程，打钻到位后需起钻再下取样钻头的问题。
本发明的随钻煤层密封取样装置，包括用于钻进煤层达到取样位置的进钻机构、设置于进钻机构内部用于采集煤样的取样机构和对煤样进行瓦斯解吸参数测量的测量机构；
所述进钻机构包括中空且可拆卸连接的进钻钻头和外管；
所述取样机构包括内部为空心用于采集煤样的取样钻头和用于盛装煤样并在进钻机构内可被控制地滑动的煤样筒，所述取样钻头和所述煤样筒之间设置有用于建立/关闭所述取样钻头和所述煤样筒之间煤样通道的球闸组件。
进一步，所述球闸组件包括具有通孔的球闸及将球闸抵靠于所述煤样筒前端开口的压紧盖，所述球闸上设置有用于驱动球闸在所述进钻机构内部纵向滚动的齿轮，所述齿轮啮合于设置于所述进钻机构内壁上的齿条。
进一步，所述齿轮的中心线与所述球闸的通孔中心线垂直。
进一步，所述煤样筒前端开口设置有用于挡靠球闸的挡圈，所述压紧盖与所述球闸之间设置有密封环。
进一步，所述进钻钻头前端设置有用于对取样钻头工作时进行限位的定位组件。
进一步，所述定位组件包括穿设于所述进钻钻头孔壁内的定位销、设置于进钻钻头上的定位螺栓及安装于定位销与定位螺栓之间为定位销提供弹性力的定位弹簧。
进一步，所述取样钻头在相对应所述定位销的位置开设供定位销滑动的沟槽和卡设定位销的限位槽。
进一步，还包括用于驱动煤样筒回位的回位组件，所述回位组件包括固定设置于所述外管内壁上的止推环、回位弹簧及端盖，所述端盖固定连接于所述煤样筒末端；所述回位弹簧套设于煤样筒表面并处于压缩状态，两端分别与所述止推环及端盖抵接。
进一步，所述端盖通过轴套接受来自活塞的水压驱动，外部水压通过转接头作用于活塞受力面。
进一步，测量机构包括设置于端盖上的压力传感器、设置于轴套内的无线通讯模块及主板和装载数据处理APP的防爆手机；所述压力传感器与主板信号连接，所述主板与所述无线通讯模块信号连接，所述无线通讯模块与所述防爆手机信号连接；所述压力传感器、无线通讯模块及主板均由设置于轴套内的电池提供电能。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种随钻煤层密封取样装置，通过设置取样机构，实现同一套钻杆可进行正常钻进和取样钻进，正常钻进到取样位置时，通过水压力推动活塞，使取样钻头从进钻钻头内部伸出，再开动钻机，实现取样钻进；取样钻头在伸出的过程中，密封装置的球闸旋转90°，取样钻头和煤样筒的通道连通，煤样经球闸进入煤样筒；取样钻进完成后，撤掉水压，此时，煤样筒在回位弹簧的作用下后退，带动球闸旋转90°，球闸和煤样筒的通道关闭，煤样被球闸密封在煤样筒中；煤样筒中的煤样开始解吸瓦斯，连接在后端的压力传感器采集数据，主板存储数据，起钻后，通过防爆手机读取这些数据，防爆手机上的APP对数据进行处理，形成测量结果，本发明的随钻煤层密封取样装置，一趟管柱实现正常钻进和取样钻进，实现了随钻随测，在缩短测量时间的同时，减少了煤样因暴露时间长引起的测量误差，极大的提高了煤层瓦斯含量等参数测量的准确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A-A剖面图；
图3为图1中的B-B剖面图；
图4为图1中的C-C剖面图；
图5为本发明取样时的结构示意图；
图6为本发明的齿条结构示意图。
附图标记说明：
1、进钻钻头；2、取样钻头；3、定位弹簧；4、定位螺栓；5、定位销；6、压紧盖；7、密封环；8、球闸；9、挡圈；10、煤样筒；11、外管；12、止推环；13、回位弹簧；14、端盖；15、轴套；16、电池；17、无线通讯模块；18、压力传感器；19、主板；20、防爆手机；21、活塞；22、转接头；23、齿轮；24、销钉；25、齿条。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为图1中的A-A剖面图，图3为图1中的B-B剖面图，图4为图1中的C-C剖面图，图5为本发明取样时的结构示意图，图6为本发明的齿条结构示意图，如图所示，本实施例中的随钻煤层密封取样装置包括用于钻进煤层达到取样位置的进钻机构、设置于进钻机构内部用于采集煤样的取样机构和对煤样进行瓦斯解吸参数测量的测量机构；
所述进钻机构包括中空且可拆卸连接的进钻钻头1和外管11；
所述取样机构包括内部为空心用于采集煤样的取样钻头2和用于盛装煤样并在进钻机构内可被控制地滑动的煤样筒10，所述取样钻头2和所述煤样筒10之间设置有用于建立/关闭所述取样钻头2和所述煤样筒10之间煤样通道的球闸组件。
本实施例中，所述球闸组件包括具有通孔的球闸8及将球闸8抵靠于所述煤样筒10前端开口的压紧盖6，所述球闸8上设置有用于驱动球闸8在所述进钻机构内部纵向滚动的齿轮23，所述齿轮23啮合于设置于所述进钻机构内壁上的齿条25。
本实施例中，所述齿轮23的中心线与所述球闸8的通孔中心线垂直。
本实施例中，所述煤样筒10前端开口设置有用于挡靠球闸8的挡圈9，所述压紧盖6与所述球闸8之间设置有密封环7。
本实施例中，所述进钻钻头1前端设置有用于对取样钻头2工作时进行限位的定位组件。
本实施例中，所述定位组件包括穿设于所述进钻钻头1孔壁内的定位销5、设置于进钻钻头1上的定位螺栓4及安装于定位销5与定位螺栓4之间为定位销5提供弹性力的定位弹簧3。
本实施例中，所述取样钻头2在相对应所述定位销5的位置开设供定位销5滑动的沟槽和卡设定位销5的限位槽。
本实施例中，还包括用于驱动煤样筒10回位的回位组件，所述回位组件包括固定设置于所述外管11内壁上的止推环12、回位弹簧13及端盖14，所述端盖14固定连接于所述煤样筒10末端；所述回位弹簧13套设于煤样筒10表面并处于压缩状态，两端分别与所述止推环12及端盖14抵接。
本实施例中，所述端盖14通过轴套15接受来自活塞21的水压驱动，外部水压通过转接头22作用于活塞21受力面。
本实施例中，测量机构包括设置于端盖14上的压力传感器18、设置于轴套15内的无线通讯模块17及主板19和装载数据处理APP的防爆手机20；所述压力传感器18与主板19信号连接，所述主板19与所述无线通讯模块17信号连接，所述无线通讯模块17与所述防爆手机20信号连接；所述压力传感器18、无线通讯模块17及主板19均由设置于轴套15内的电池16提供电能。
本实施例的进钻钻头1里面有取样钻头2，正常钻进时，只有进钻钻头1工作，钻进到取样位置时，取样钻头2在水压推动下从所述进钻钻头1内部伸出，进行取样；取样钻头2在取样钻进时，所需的扭矩由进钻钻头1通过设置在进钻钻头1和取样钻头2上的花键提供；进钻钻头1和取样钻头2之间设置由定位组件和销钉24，定位组件由定位弹簧3、定位螺栓4和定位销5组成，正常钻进时，定位销5被定位弹簧3压紧在取样钻头2上的沟槽中，销钉24可以防止取样钻头2脱落；取样钻头2从进钻钻头1中伸出后，销钉24被打断，定位销5滑入取样钻头2上沟槽端部的限位槽中，定位销5固定取样钻头2的位置，克服取样钻头2取样钻进时的反作用力；外管11内部装有止推环12和回位弹簧13，回位弹簧13压紧在止推环12上，取样钻头2伸出过程中，回位弹簧13被压缩，完成取样后，撤掉水压，回位弹簧13回弹过程中带动煤样筒10回位。
本实施例的外管11后端连接有转接头22，转接头22可根据现有的钻杆规格定做；转接头22里面安装有活塞21，活塞21上开有用于调节水压的螺纹孔，螺纹孔堵的越多，经转接头22进入的高压水漏失越小，推动活塞21的水压力越大。
球闸组件包括压紧盖6、密封环7和球闸8，球闸8被压紧在挡圈9上，挡圈9安装在煤样筒10前端，煤样筒10后端安装有端盖14；球闸8上安装有齿轮23，齿轮23与安装在进钻钻头1内部的齿条25啮合，球闸8在正常钻进过程中，处于关闭状态；钻进到取样位置时，利用水压推动活塞21，带动球闸组件向前滑移，此时齿条25滑移一定距离后不动，球闸组件继续滑移，通过与齿轮25啮合的齿轮23带动球闸8旋转90°，球闸8的内通道与煤样筒10联通，取样钻进时，煤样经过所述球闸8的通道进入煤样筒10中；完成取样后，撤掉水压作用力，煤样筒10在回位弹簧13弹力作用下，带动球闸8后退，齿条25被压紧在进钻钻头1上，球闸8在齿轮23带动下旋转90°，煤样被球闸8密封在煤样筒10中；取样钻头2和球闸组件的压紧盖6之间为活连接，当完成取样后，球闸组件在回位弹簧13的弹力作用下回位，而取样钻头2与所述压紧盖6脱开，降低了球闸组件回位时的阻力。
测量机构包括安装在轴套15内部的压力传感器18、主板19、电池16、无线通讯模块17以及独立设置的防爆手机20组成。
本实施例的压力传感器18安装在端盖14上，测量机构由电池16供电，煤样进入煤样筒10后，煤样开始解吸瓦斯，这个时候由压力传感器18(压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，根据需求选用相应型号的压力传感器即可，在此不再赘述)采集压力信号，并将数据存储到主板19(主板是微机最基本的也是最重要的部件之一，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片，是非常现有的技术，在实际使用时根据需求选用即可，在此不再赘述)上，起钻后，通过无线通讯模块17(无线通讯模块应用于生活的方方面面，具有通信功能:支持GPRS和短消息双通道传输数据；支持多中心数据通信，采用功能:采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、PLC等，远程管理功能:支持远程参数设置、程序升级。在使用时带来诸多便利，缩短了测量机构的测量时间，提高了测量效率，在此不再赘述)与防爆手机20连接，通过防爆手机20上的数据处理APP，进行数据处理，不用拆下测量机构，提高了测量效率。
本实施例的轴套15安装在转接头22中，保护测量机头，轴套15与端盖14的连接处设有密封圈，防止气体和水进入测量机构，造成失爆。
如图6所示，本实施例的齿条25是由圆筒整体加工，对称分布在圆筒的两侧，圆筒开槽处两个半圆的半径R1为齿轮23齿顶圆半径，两个半圆圆心距离M为四分之一倍的所述齿轮23分度圆周长。
具体的，在正常钻进时，低压水或风通过转接头22进入外管11的内部，用于排渣，此时，取样钻头2处在进钻钻头1的内部，销钉24固定取样钻头2的位置；当正常钻进到取样位置时，增加进水压力，高压水通过活塞21推动煤样筒10，煤样筒10带动连接在球闸8上的齿轮23旋转90°，球闸8的内通道与煤样筒10的通道接通，煤样筒10在高压水推动下继续前行，通过压紧盖6推动取样钻头2，取样钻头2打断销钉24后从进钻钻头1伸出，此时，定位销5落到取样钻头2上沟槽的限位槽中；维持水压，并进行钻进，煤样通过球闸8进入到煤样筒10中，完成取样后，撤掉水压，回位弹簧13通过端盖14推动煤样筒10回位，此时，取样钻头2与压紧盖6脱开，煤样筒10带动球闸8运动，球闸8在齿轮23的带动下，旋转90°，煤样被球闸8密封在煤样筒10中，测量机构的压力传感器18开始测量数据，并将数据存储在主板19上，起钻后，通过无线通讯模块17与防爆手机20连接，防爆手机20上的APP开始读取并处理数据，输出测量结果。
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，而不脱离本发明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 (10)

1.一种随钻煤层密封取样装置，其特征在于：包括用于钻进煤层达到取样位置的进钻机构、设置于进钻机构内部用于采集煤样的取样机构和对煤样进行瓦斯解吸参数测量的测量机构；
所述进钻机构包括中空且可拆卸连接的进钻钻头和外管；
所述取样机构包括内部为空心用于采集煤样的取样钻头和用于盛装煤样并在进钻机构内可被控制地滑动的煤样筒，所述取样钻头和所述煤样筒之间设置有用于建立/关闭所述取样钻头和所述煤样筒之间煤样通道的球闸组件。
2.根据权利要求1所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述球闸组件包括具有通孔的球闸及将球闸抵靠于所述煤样筒前端开口的压紧盖，所述球闸上设置有用于驱动球闸在所述进钻机构内部纵向滚动的齿轮，所述齿轮啮合于设置于所述进钻机构内壁上的齿条。
3.根据权利要求2所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述齿轮的中心线与所述球闸的通孔中心线垂直。
4.根据权利要求2所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述煤样筒前端开口设置有用于挡靠球闸的挡圈，所述压紧盖与所述球闸之间设置有密封环。
5.根据权利要求1所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述进钻钻头前端设置有用于对取样钻头工作时进行限位的定位组件。
6.根据权利要求5所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述定位组件包括穿设于所述进钻钻头孔壁内的定位销、设置于进钻钻头上的定位螺栓及安装于定位销与定位螺栓之间为定位销提供弹性力的定位弹簧。
7.根据权利要求6所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述取样钻头在相对应所述定位销的位置开设供定位销滑动的沟槽和卡设定位销的限位槽。
8.根据权利要求1所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：还包括用于驱动煤样筒回位的回位组件，所述回位组件包括固定设置于所述外管内壁上的止推环、回位弹簧及端盖，所述端盖固定连接于所述煤样筒末端；所述回位弹簧套设于煤样筒表面并处于压缩状态，两端分别与所述止推环及端盖抵接。
9.根据权利要求8所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：所述端盖通过轴套接受来自活塞的水压驱动，外部水压通过转接头作用于活塞受力面。
10.根据权利要求1-9任一所述的随钻煤层密封取样装置，其特征在于：测量机构包括设置于端盖上的压力传感器、设置于轴套内的无线通讯模块及主板和装载数据处理APP的防爆手机；所述压力传感器与主板信号连接，所述主板与所述无线通讯模块信号连接，所述无线通讯模块与所述防爆手机信号连接；所述压力传感器、无线通讯模块及主板均由设置于轴套内的电池提供电能。
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