CN112414754A

CN112414754A - 一种负角度无损失钻孔取样装置及取样方法

Info

Publication number: CN112414754A
Application number: CN202011166691.4A
Authority: CN
Inventors: 张柏林; 张兴华; 康建华
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明属于井下煤层取样设备技术领域，具体是一种负角度无损失钻孔取样装置及取样方法。包括腔体，腔体顶部设置腔体上盖以及钻头座，钻头座上安装有钻头合金头，腔体上盖中部设置有圆孔，腔体位于腔体上盖下方位置安装有电动球阀，电动球阀安装在煤样罐的出口处，电动球阀上端穿过圆孔内，煤样罐固定在腔体内壁上，煤样罐底部设置煤样罐下气口，电动球阀的电动球阀齿轮与传动上伞齿轮啮合，传动上伞齿轮固定在传动杆上端，传动杆下端固定传动杆下齿轮，传动杆下齿轮与电机输出齿轮啮合，电机输出齿轮固定在电机的输出轴上，电机由电池供电。取样方法可改进原有瓦斯含量测定中的损失量的计算方法，在瓦斯含量计算中可省去损失量的计算。

Description

一种负角度无损失钻孔取样装置及取样方法

技术领域

本发明属于井下煤层取样设备技术领域，具体是一种负角度无损失钻孔取样装置及取样方法。

背景技术

瓦斯含量是在原始状态下，单位质量或单位体积煤体中所含有的甲烷及重烃气体量，分为解析量、残存量及损失量，解析量和残存量目前可通过仪器准确测算，而损失量的计算方法是根据解析量与时间的曲线规律，拟合出损失量的数值，由于取样时间的记录及初始解析量的突然涌出，使得损失量在实际应用中存在很大的误差。目前《一种无损瓦斯的煤样取样装置及方法》、《一种煤矿深孔定点密闭取样装置及取样方法》等方法均适用于水平钻孔或者正角度的钻孔，煤样可利用重力进入取样器中，对于负角度或者垂直向下的钻孔，其取样装置和取样方法无法适用。

目前井下煤层取样根据取样钻孔设计方案在井下巷道内用麻花钻具向预定取样地点施工取样钻孔。钻孔到达预定取样地点时，利用麻花钻具的螺旋排粉功能，在孔口接煤粉，装入煤样罐，紧闭煤样罐保证其气密性完好。此种方法操作简单，但是对于取出的煤样易造成如下问题：

煤的瓦斯解吸量与时间呈幂指数关系，煤屑在孔壁内暴露时间越长，瓦斯的逸散量越大。在打钻过程中，受到钻杆与孔壁的摩擦作用，采取的煤样混有孔壁残留煤粉，煤样不完全来自预定取样地点；孔深较大时，预定取样地点的煤样在孔内运行时间较长；下向孔取样效果不佳。由此造成测定的瓦斯含量偏低，造成“低含量突出”的现象。

1、在施工顺层短钻孔时，煤屑在麻花钻杆的螺旋叶片结构对煤屑产生的摩擦力带动下向外运动，煤屑在孔内运动时间较长，造成取样时间较长，不能满足GB/T23250-2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》要求，定点取样且取样时间不大于 5min。孔壁残留煤粉和麻花钻杆与孔壁摩擦作用产生煤粉，造成采取煤样不纯净，且钻孔过程中摩擦产生热量加速煤屑的瓦斯解吸。

2、在施工穿层钻孔和顺层长钻孔时，采用风压排屑，风压0.5MPa左右。风压排屑过程中也会出现“混样情况”，且孔内产生正压环境，高于标准大气压解吸条件，影响煤屑解吸，造成瓦斯量推算不准确，影响瓦斯含量测试结果。

3、对于负角度钻孔，煤样无法利用重力进入取样器中，目前无有效办法解决负角度钻孔煤样取样密封问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种负角度无损失钻孔取样装置及取样方法。

本发明采取以下技术方案：一种负角度无损失钻孔取样装置，包括腔体，腔体顶部设置腔体上盖以及钻头座，钻头座上安装有钻头合金头，腔体上盖中部设置有圆孔，腔体位于腔体上盖下方位置安装有电动球阀，电动球阀安装在煤样罐的出口处，电动球阀上端穿过圆孔内，煤样罐固定在腔体内壁上，煤样罐底部设置煤样罐下气口，电动球阀的电动球阀齿轮与传动上伞齿轮啮合，传动上伞齿轮固定在传动杆上端，传动杆下端固定传动杆下齿轮，传动杆下齿轮与电机输出齿轮啮合，电机输出齿轮固定在电机的输出轴上，电机由电池供电。

进一步的，煤样罐内壁固定有电动推杆，电动推杆上端安装有调心推力轴承，调心推力轴承上端安装有电机及减速器，电机及减速器上端安装有负角度旋转提升器，负角度旋转提升器上方正对煤样罐的出口。

进一步的，传动杆上端通过固定座轴承安装在传动杆上固定座上，传动杆的中部通过固定座轴承安装在传动杆中固定座上，传动杆的下端通过固定座轴承安装在传动杆下固定座上。

一种负角度无损失钻孔取样装置的取样方法，具体步骤如下，当钻头座上的钻头钻进至指定地点时，通过电池控制电机旋转，进而带动电机输出齿轮旋转，经过传动杆下齿轮、传动杆和传动杆上齿轮旋转，带动电动球阀齿轮旋转，实现电动球阀中间的中空球体的打开；实现电动球阀的完全打开，此时可继续启动钻机进行正常钻进，在钻进的过程中，煤粉可通过打开的中空球体进入到煤样罐中；对于负角度钻孔，当负角度钻孔钻头施工至指定地点时，电动推杆向外伸出，顶出负角度旋转提升器，一边向外顶出一边转动电机及减速器，带动负角度旋转提升器旋转向外伸出，待伸出至钻孔孔底后，负角度旋转提升器可钻入孔底煤中，煤样将随着负角度旋转提升器旋转提升至煤样罐中，可将下部煤样提升至煤样罐内，待钻进1-2米后，停止钻机的钻进，缩回电动推杆，缩回负角度旋转提升器，再次启动电机反转，可实现电动球阀齿轮的反转，实现电动球阀的完全关闭；退钻，拔出钻具后，打开取样钻头的腔体上盖，取出煤样罐，将取气针头通过煤样罐下气口插入煤样罐中，进行解析量的测定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、可实现任意角度钻孔的密封取样。

2、实现煤样罐内置与钻孔内部，可随钻头达到钻孔底部，直接取钻孔底部的煤样。

3、取样点精准可控，煤样不会掺杂钻孔壁及其他地点的煤粉。

4、没有损失时间及损失量，钻孔施工至指定地点后即刻开启装置装入煤样，煤样装满后即刻关闭煤样罐并且实现密闭。后面的麻花钻杆可实现孔底与外界的隔绝。

5、电机及远程齿轮传动装置可实现对球阀的控制，球阀旋转密封方式可有效避免煤粉过多溢出时所导致的密封不严的情况。

6、此种取样方法可改进原有瓦斯含量测定中的损失量的计算方法，在瓦斯含量计算中可省去损失量的计算。

附图说明

图1为本发明结构剖面图；

图2为图1中A-A剖面图；

图3为本发明俯视图；

图4为图3中B-B剖面图；

图5为本发明内部结构示意图；

图6为本发明外部结构示意图；

图中1-钻头座；2-腔体上盖；3-电动球阀中轴；4-电动球阀齿轮；5-传动上伞齿轮；6-传动杆上固定座；7-传动杆；8-传动杆中固定座；9-传动杆下固定座；10-传动杆下齿轮；11-电机；12-电池；13-电机输出齿轮；14-钻头合金头；15-煤样罐；16-煤样罐下气口；17-电动球阀中轴密封；18-中空球体；19-固定座轴承；20-负角度旋转提升器；21-电机及减速器；22-调心推力轴承；23-电动推杆，24-电动球阀齿轮限位杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种负角度无损失钻孔取样装置，包括腔体，腔体顶部设置腔体上盖2以及钻头座1，钻头座1上安装有钻头合金头14，腔体上盖2中部设置有圆孔，腔体位于腔体上盖2下方位置安装有电动球阀，电动球阀安装在煤样罐15的出口处，电动球阀上端穿过圆孔内，煤样罐15固定在腔体内壁上，煤样罐15底部设置煤样罐下气口16，电动球阀的电动球阀齿轮4与传动上伞齿轮5啮合，传动上伞齿轮5固定在传动杆7上端，传动杆7下端固定传动杆下齿轮10，传动杆下齿轮10与电机输出齿轮13啮合，电机输出齿轮固定在电机11的输出轴上，电机11由电池12供电。

电动球阀属于常规现有的结构，包括电动球阀中轴3、电动球阀齿轮4、中空球体18以及电动球阀齿轮限位杆24。电动球阀中轴3密封结构是由连接到中空球体18上的电动球阀中轴3和O型圈密封槽25组成，O型圈密封槽内安装有O型圈，实现阀体与外界的密封。

如图4所示，煤样罐15内壁固定有电动推杆23，电动推杆23上端安装有调心推力轴承22，调心推力轴承22上端安装有电机及减速器21，电机及减速器21上端安装有负角度旋转提升器20，负角度旋转提升器20上方正对煤样罐15的出口。

传动杆7上端通过固定座轴承19安装在传动杆上固定座6上，传动杆7的中部通过固定座轴承19安装在传动杆中固定座8上，传动杆7的下端通过固定座轴承19安装在传动杆下固定座9上。

一种负角度无损失钻孔取样装置的取样方法，具体步骤如下，当钻头座1上的钻头钻进至指定地点时，通过电池12控制电机11旋转，进而带动电机输出齿轮13旋转，经过传动杆下齿轮10、传动杆7和传动杆上齿轮5旋转，带动电动球阀齿轮4旋转，实现电动球阀中间的中空球体18的打开；通过电动球阀齿轮限位杆24的限位功能，实现电动球阀的完全打开，此时可继续启动钻机进行正常钻进，在钻进的过程中，煤粉可通过打开的中空球体18进入到煤样罐15中；对于负角度钻孔，当负角度钻孔钻头施工至指定地点时，电动推杆23向外伸出，顶出负角度旋转提升器20，一边向外顶出一边转动电机及减速器21，带动负角度旋转提升器20旋转向外伸出，待伸出至钻孔孔底后，负角度旋转提升器20可钻入孔底煤中，煤样将随着负角度旋转提升器旋转提升至煤样罐15中，可将下部煤样提升至煤样罐15内，待钻进1-2米后，停止钻机的钻进，缩回电动推杆23，缩回负角度旋转提升器20，再次启动电机11反转，可实现电动球阀齿轮的反转，通过电动球阀齿轮限位杆24的反向限位功能，实现电动球阀的完全关闭；退钻，拔出钻具后，打开取样钻头的腔体上盖2，取出煤样罐15，将取气针头通过煤样罐下气口16插入煤样罐15中，进行解析量的测定。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims

1.一种负角度无损失钻孔取样装置，其特征在于：包括腔体，腔体顶部设置腔体上盖（2）以及钻头座（1），钻头座（1）上安装有钻头合金头（14），腔体上盖（2）中部设置有圆孔，腔体位于腔体上盖（2）下方位置安装有电动球阀，电动球阀安装在煤样罐（15）的出口处，电动球阀上端穿过圆孔内，煤样罐（15）固定在腔体内壁上，煤样罐（15）底部设置煤样罐下气口（16），电动球阀的电动球阀齿轮（4）与传动上伞齿轮（5）啮合，传动上伞齿轮（5）固定在传动杆（7）上端，传动杆（7）下端固定传动杆下齿轮（10），传动杆下齿轮（10）与电机输出齿轮（13）啮合，电机输出齿轮固定在电机（11）的输出轴上，电机（11）由电池（12）供电。

2.根据权利要求1所述的负角度无损失钻孔取样装置，其特征在于：所述的煤样罐（15）内壁固定有电动推杆（23），电动推杆（23）上端安装有调心推力轴承（22），调心推力轴承（22）上端安装有电机及减速器（21），电机及减速器（21）上端安装有负角度旋转提升器（20），负角度旋转提升器（20）上方正对煤样罐（15）的出口。

3.根据权利要求2所述的负角度无损失钻孔取样装置，其特征在于：所述的传动杆（7）上端通过固定座轴承（19）安装在传动杆上固定座（6）上，传动杆（7）的中部通过固定座轴承（19）安装在传动杆中固定座（8）上，传动杆（7）的下端通过固定座轴承（19）安装在传动杆下固定座（9）上。

4.一种如权利要求3所述的负角度无损失钻孔取样装置的取样方法，其特征在于：具体步骤如下，当钻头座（1）上的钻头钻进至指定地点时，通过电池（12）控制电机（11）旋转，进而带动电机输出齿轮（13）旋转，经过传动杆下齿轮（10）、传动杆（7）和传动杆上齿轮（5）旋转，带动电动球阀齿轮（4）旋转，实现电动球阀中间的中空球体（18）的打开；实现电动球阀的完全打开，此时可继续启动钻机进行正常钻进，在钻进的过程中，煤粉可通过打开的中空球体（18）进入到煤样罐（15）中；对于负角度钻孔，当负角度钻孔钻头施工至指定地点时，电动推杆（23）向外伸出，顶出负角度旋转提升器（20），一边向外顶出一边转动电机及减速器（21），带动负角度旋转提升器（20）旋转向外伸出，待伸出至钻孔孔底后，负角度旋转提升器（20）可钻入孔底煤中，煤样将随着负角度旋转提升器旋转提升至煤样罐（15）中，可将下部煤样提升至煤样罐（15）内，待钻进1-2米后，停止钻机的钻进，缩回电动推杆（23），缩回负角度旋转提升器（20），再次启动电机（11）反转，可实现电动球阀齿轮的反转，实现电动球阀的完全关闭；退钻，拔出钻具后，打开取样钻头的腔体上盖（2），取出煤样罐（15），将取气针头通过煤样罐下气口（16）插入煤样罐（15）中，进行解析量的测定。