CN114396240A - 一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法，属于煤芯钻取技术领域，包括外筒组件，外筒组件的内部转动安装有内筒组件，且内筒组件的一端固定安装有收集组件，内筒组件的一端转动安装有供水组件，且内筒组件的一端转动安装有供冷组件，外筒组件的一端固定安装有钻头组件，通过液氮喷口，在使用时，对煤层进行降温冷却，且冷却后，通过钻头组件进行切割，并通过小径钻头，使得煤样进入到采集室的内部，通过供水组件对上端球阀和割芯球阀进行推动，进而对煤样进行低温密封，降低瓦斯溢散效果，并进行现场解吸，方便为煤矿瓦斯含量测定、瓦斯灾害治理以及煤层气资源勘探与开发等方面获取准确基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿取样，具体为一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法，属于煤芯钻取技术领域。
背景技术
煤层气(瓦斯)含量是表征煤层的重要参数，是地面煤层气(瓦斯)资源勘探、产能预测和井网布置设计的重要依据，煤层气(瓦斯)含量是矿井瓦斯涌出量预测、煤层瓦斯赋存规律研究及煤层突出危险性预测、矿井通风设计及设备选型和瓦斯抽采工程设计等工作的重要依据，煤体中的瓦斯散逸速度与粒径和温度有关，当煤体粒径越小，温度越高时煤体中的瓦斯会快速损失，现阶段瓦斯含量测定通常采用在常温情况下钻孔返屑方式取样，在取样点钻头将煤体切削成碎粒状，煤样在风压或水压作用下返至孔口，整个过程暴露时间过长，且煤样在孔内切削、返出过程中，煤体原有的特征和完整性受机械作用而破坏，同时，钻头钻进取样过程中与煤体摩擦生热，致使钻孔中温度升高，加剧了瓦斯放散速度，致使在取样过程中煤体内瓦斯大量散逸，造成煤体瓦斯含量的测定结果与煤体实际瓦斯含量存在巨大偏差，目前公开的煤层井下瓦斯含量直接测定定点取样装置及取样方法主要为有三种：一是采用双层钻杆压风引射定点取样，适用于100m以内的短孔快速定点取样，缺点是钻孔较深时由于压风引射产生的负压较低，不足以取出煤样；二是采用单筒或双筒取芯钻具，该设备能够实现60m以内短孔煤样的定点采集，缺点是对于长钻孔则提钻时间过长，煤样解吸瓦斯损失较大，造成瓦斯含量测定结果不准确；三是采用密闭取芯装置，缺点是装置操作工艺复杂、受适用条件影响较大，无法适用千米钻机超深钻孔的煤样采集。以上三种定点取样方式均在常温情况下进行，无法避免孔内高温对瓦斯放散的影响，因此研究低温密封取样装置对准确测定煤层瓦斯含量具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法，实现了打钻后定点取样，在取样前采用液氮对煤体降温，取样后将样品低温密闭，减少煤样中瓦斯的解吸损失和保证煤体的整体性，解决了准确测定煤层瓦斯含量取样的难题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法，包括外筒组件，所述外筒组件的内部转动安装有内筒组件，且所述内筒组件的一端固定安装有收集组件，所述内筒组件的一端转动安装有供水组件，且所述内筒组件的一端转动安装有供冷组件，所述外筒组件的一端固定安装有钻头组件，所述供冷组件分别与所述收集组件和所述钻头组件相连通，且所述供水组件为所述收集组件提供动力。
优选的，为了便于对本发明进行安装，且在进行使用时，使得所述外筒组件转动，所述内筒组件保持静止，所述外筒组件包括外筒壳体，所述外筒壳体的内部两侧均固定安装有第一滚珠轴承，所述内筒组件通过所述第一滚珠轴承转动安装在所述外筒壳体的内部，且所述钻头组件与所述外筒壳体相固定连接，所述内筒组件包括内筒壳体，且所述外筒壳体的一端安装有钻具接头，所述内筒壳体的一端固定安装有第二滚珠轴承，且所述供水组件与所述供冷组件通过所述第二滚珠轴承转动安装在所述内筒壳体上。
优选的，为了方便对本发明的内部进行供液氮和进行供水驱动，所述供水组件包括注水管接头，所述注水管接头通过在所述第二滚珠轴承安装在所述内筒壳体上，且在所述内筒壳体的内部两侧均开设有液压动能储集室，所述注水管接头与所述液压动能储集室相连通，且在所述注水管接头与所述液压动能储集室相连通位置固定安装有单向活塞，所述内筒壳体的内部另一端的两侧均开设有安装腔，所述安装腔的内部活动安装有液压推杆，且所述安装腔与所述液压动能储集室相连通，所述安装腔与所述液压动能储集室相连通的位置固定安装有定压泄能片，且所述安装腔的一端靠近中间位置开设有泄水口，所述泄水口与所述外筒组件和所述内筒组件之间的缝隙相连通，所述供冷组件包括注液氮管接头，且所述注液氮管接头通过所述第二滚珠轴承安装在所述内筒壳体上，所述内筒壳体的内部位于所述收集组件的外侧开设有保温室，所述钻头组件的外侧均匀开设有液氮喷口，所述注液氮管接头分别与所述保温室和所述液氮喷口相连通。
优选的，为了便于对煤体进行采集和保存，所述收集组件包括煤样采集室，且所述煤样采集室开设在所述内筒壳体的内部位于所述保温室的内部，所述煤样采集室的两端分别固定安装有上端球阀和割芯球阀，所述液压推杆与分别与所述上端球阀和所述割芯球阀的驱动端相连接，在所述煤样采集室与所述上端球阀之间固定安装有解吸球阀，所述煤样采集室的一端固定安装有煤样卡子，所述煤样采集室与所述钻头组件相连通。
优选的，为了便于对煤层进行切割，所述钻头组件包括钻头体，且所述钻头组件通过所述钻头体与所述外筒组件相固定连接，且所述钻头体的内部固定安装有小径钻头，所述小径钻头的一端固定安装有小径切削齿，所述小径钻头与所述煤样采集室相连通，且钻头体的一端位于所述小径钻头的外侧固定安装有大径钻头，且所述大径钻头的直径与所述外筒组件的外直径相同，所述小径钻头的长度大于所述大径钻头的长度，所述液氮喷口开设在所述大径钻头上，所述大径钻头上一端均匀固定安装有切削翼，且所述大径钻头上位于所述切削翼的一侧固定安装有大径切削齿，所述切削翼的外侧均匀固定安装有保经齿，且在所述大径钻头上位于所述切削翼之间开设有有导流面。
优选的，在使用时，还包括巷道、岩层、煤层、冷冻源、第一泥浆泵、供水管、第二泥浆泵和履带钻机，在进行使用时，包括以下步骤：
步骤一，在所述巷道的内部先通过所述履带钻机对所述岩层进行钻孔，并钻入到所述煤层的内部，确定取样位置，并退出所述履带钻机的钻杆；
步骤二、将钻杆上的普通钻头退下，并通过所述钻具接头与本发明相固定连接，且将所述冷冻源与所述第一泥浆泵的进液端相连通，且所述第一泥浆泵的出液端与所述注液氮管接头相连通，所述供水管通过所述第二泥浆泵与所述注水管接头相连通；
步骤三、开启所述第一泥浆泵，使得液氮进入到所述保温室和通过所述液氮喷口处喷出，通过所述履带钻机，使得所述钻头组件的一端与所述煤层相接触，且对所述煤层切割位置进行冷却，并转动本发明，使得煤样进入到所述煤样采集室的内部，并通过所述保温室进行继续冷冻煤样；
步骤四、当达到预定长度后，开启所述第二泥浆泵，使得所述供水管内部的水通过所述注水管接头进入到所述液压动能储集室的内部，当达到相应压力后，所述定压泄能片开启，使得水压推动所述液压推杆在所述安装腔的内部移动，并推动所述上端球阀和所述割芯球阀，使得所述煤样采集室形成密封低温空间；
步骤五、当水流通过所述泄水口流入到所述外筒组件和所述内筒组件之间，并通过钻孔返浆到所述巷道的内部后，将本发明抽出，并通过所述解吸球阀进行现场解吸，完成取芯作业。
本发明的有益效果是：本发明通过液氮喷口，在使用时，对煤层进行降温冷却，且冷却后，通过钻头组件进行切割，并通过小径钻头，使得煤样进入到采集室的内部，通过供水组件对上端球阀和割芯球阀进行推动，进而对煤样进行低温密封，降低瓦斯溢散效果，并进行现场解吸，方便为煤矿瓦斯含量测定、瓦斯灾害治理以及煤层气资源勘探与开发等方面获取准确基础数据。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中钻头的正视图。
图3为本发明中钻头的俯视图。
图4为本发明在工作时的整体示意图。
图5为本发明在取样钻孔时的示意图。
图6为本发明在取样钻孔过程中的示意图。
图7为本发明在取样割芯时的整体示意图。
图中：1、外筒组件，11、外筒壳体，12、第一滚珠轴承，13、钻具接头，2、内筒组件，21、内筒壳体，22、第二滚珠轴承，3、收集组件，31、煤样采集室，32、上端球阀，33、割芯球阀，34、解吸球阀，35、煤样卡子，4、供水组件，41、注水管接头，42、液压动能储集室，43、单向活塞，44、安装腔，45、液压推杆，46、定压泄能片，47、泄水口，5、供冷组件，51、注液氮管接头，52、保温室，53、液氮喷口，6、钻头组件，61、钻头体，62、小径钻头，63、小径切削齿，64、大径钻头，65、切削翼，66、大径切削齿，67、保经齿，68、导流面，7、巷道，8、岩层，9、煤层，100、冷冻源，101、第一泥浆泵，102、供水管，103、第二泥浆泵，104、履带钻机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例一、
请参阅图1-7所示，一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法，包括外筒组件1，外筒组件1的内部转动安装有内筒组件2，且内筒组件2的一端固定安装有收集组件3，内筒组件2的一端转动安装有供水组件4，且内筒组件2的一端转动安装有供冷组件5，外筒组件1的一端固定安装有钻头组件6，供冷组件5分别与收集组件3和钻头组件6相连通，且供水组件4为收集组件3提供动力，外筒组件1包括外筒壳体11，外筒壳体11的内部两侧均固定安装有第一滚珠轴承12，内筒组件2通过第一滚珠轴承12转动安装在外筒壳体11的内部，且钻头组件6与外筒壳体11相固定连接，内筒组件2包括内筒壳体21，且外筒壳体11的一端安装有钻具接头13，内筒壳体21的一端固定安装有第二滚珠轴承23，且供水组件4与供冷组件5通过第二滚珠轴承23转动安装在内筒壳体21上，在使用时，还包括巷道7、岩层8、煤层9、冷冻源100、第一泥浆泵101、供水管102、第二泥浆泵103和履带钻机104。
作为本发明的一种技术优化方案，如图1所示，供水组件4包括注水管接头41，注水管接头41通过在第二滚珠轴承23安装在内筒壳体21上，且在内筒壳体21的内部两侧均开设有液压动能储集室42，注水管接头41与液压动能储集室42相连通，且在注水管接头41与液压动能储集室42相连通位置固定安装有单向活塞43，内筒壳体21的内部另一端的两侧均开设有安装腔44，安装腔44的内部活动安装有液压推杆45，且安装腔44与液压动能储集室42相连通，安装腔44与液压动能储集室42相连通的位置固定安装有定压泄能片46，且安装腔44的一端靠近中间位置开设有泄水口47，泄水口47与外筒组件1和内筒组件2之间的缝隙相连通，供冷组件5包括注液氮管接头51，且注液氮管接头51通过第二滚珠轴承23安装在内筒壳体21上，内筒壳体21的内部位于收集组件3的外侧开设有保温室52，钻头组件6的外侧均匀开设有液氮喷口53，注液氮管接头51分别与保温室52和液氮喷口53相连通，通过供水组件4和供冷组件5，便于对煤样进行低温密封保存，降低瓦斯溢散速度。
作为本发明的一种技术优化方案，如图1所示，收集组件3包括煤样采集室31，且煤样采集室31开设在内筒壳体21的内部位于保温室52的内部，煤样采集室31的两端分别固定安装有上端球阀32和割芯球阀33，液压推杆45与分别与上端球阀32和割芯球阀33的驱动端相连接，在煤样采集室31与上端球阀32之间固定安装有解吸球阀34，煤样采集室31的一端固定安装有煤样卡子35，煤样采集室31与钻头组件6相连通，通过煤样采集室31、上端球阀32和割芯球阀33，便于对煤样进行密封保存，且通过解吸球阀34，方便进行现场解吸。
作为本发明的一种技术优化方案，如图2和图3所示，钻头组件6包括钻头体61，且钻头组件6通过钻头体61与外筒组件1相固定连接，且钻头体61的内部固定安装有小径钻头62，小径钻头62的一端固定安装有小径切削齿63，小径钻头62与煤样采集室31相连通，且钻头体61的一端位于小径钻头62的外侧固定安装有大径钻头64，且大径钻头64的直径与外筒组件1的外直径相同，小径钻头62的长度大于大径钻头64的长度，液氮喷口53开设在大径钻头64上，大径钻头64上一端均匀固定安装有切削翼65，且大径钻头64上位于切削翼65的一侧固定安装有大径切削齿66，切削翼65的外侧均匀固定安装有保经齿67，且在大径钻头64上位于切削翼65之间开设有有导流面68，通过小径钻头62和大径钻头64，大径钻头64对煤层9进行破碎，且小径钻头62对煤层9中间位置进行切割，使得煤样进入到煤样采集室31的内部，方便对煤样进行采集。
本发明在使用时，先在巷道7的内部先通过履带钻机104对岩层8进行钻孔，并钻入到煤层9的内部，确定取样位置，并退出履带钻机104的钻杆，将钻杆上的普通钻头退下，并通过钻具接头13与本发明相固定连接，且将冷冻源100与第一泥浆泵101的进液端相连通，且第一泥浆泵101的出液端与注液氮管接头51相连通，供水管102通过第二泥浆泵103与注水管接头41相连通，开启第一泥浆泵101，使得液氮进入到保温室52和通过液氮喷口53处喷出，通过履带钻机104，使得钻头组件6的一端与煤层9相接触，且对煤层9切割位置进行冷却，并驱动外筒组件1，使得钻头组件6转动，进而使得钻头组件6中的大径钻头64、切削翼65、大径切削齿66、保经齿67和导流面68对煤层9进行破碎，小径钻头62中的小径切削齿63对煤层9进行切削，使得煤样进入到煤样采集室31的内部，并通过保温室52进行继续冷冻煤样，当达到预定长度后，开启第二泥浆泵103，使得供水管102内部的水通过注水管接头41进入到液压动能储集室42的内部，当达到相应压力后，定压泄能片46开启，使得水压推动液压推杆45在安装腔44的内部移动，并推动上端球阀32和割芯球阀33，使得煤样采集室31形成密封低温空间，当水流通过泄水口47流入到外筒组件1和内筒组件2之间，并通过钻孔返浆到巷道7的内部后，将本发明抽出，并通过解吸球阀34进行现场解吸，完成取芯作业。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：包括外筒组件(1)，所述外筒组件(1)的内部转动安装有内筒组件(2)，且所述内筒组件(2)的一端固定安装有收集组件(3)，所述内筒组件(2)的一端转动安装有供水组件(4)，且所述内筒组件(2)的一端转动安装有供冷组件(5)，所述外筒组件(1)的一端固定安装有钻头组件(6)，所述供冷组件(5)分别与所述收集组件(3)和所述钻头组件(6)相连通，且所述供水组件(4)为所述收集组件(3)提供动力。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述外筒组件(1)包括外筒壳体(11)，所述外筒壳体(11)的内部两侧均固定安装有第一滚珠轴承(12)，所述内筒组件(2)通过所述第一滚珠轴承(12)转动安装在所述外筒壳体(11)的内部，且所述钻头组件(6)与所述外筒壳体(11)相固定连接，且所述外筒壳体(11)的一端安装有钻具接头(13)。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述内筒组件(2)包括内筒壳体(21)，所述内筒壳体(21)的一端固定安装有第二滚珠轴承(22)，且所述供水组件(4)与所述供冷组件(5)通过所述第二滚珠轴承(22)转动安装在所述内筒壳体(21)上。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述供水组件(4)包括注水管接头(41)，所述注水管接头(41)通过在所述第二滚珠轴承(22)安装在所述内筒壳体(21)上，且在所述内筒壳体(21)的内部两侧均开设有液压动能储集室(42)，所述注水管接头(41)与所述液压动能储集室(42)相连通，且在所述注水管接头(41)与所述液压动能储集室(42)相连通位置固定安装有单向活塞(43)，所述内筒壳体(21)的内部另一端的两侧均开设有安装腔(44)，所述安装腔(44)的内部活动安装有液压推杆(45)，且所述安装腔(44)与所述液压动能储集室(42)相连通，所述安装腔(44)与所述液压动能储集室(42)相连通的位置固定安装有定压泄能片(46)，且所述安装腔(44)的一端靠近中间位置开设有泄水口(47)，所述泄水口(47)与所述外筒组件(1)和所述内筒组件(2)之间的缝隙相连通。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述供冷组件(5)包括注液氮管接头(51)，且所述注液氮管接头(51)通过所述第二滚珠轴承(22)安装在所述内筒壳体(21)上，所述内筒壳体(21)的内部位于所述收集组件(3)的外侧开设有保温室(52)，所述钻头组件(6)的外侧均匀开设有液氮喷口(53)，所述注液氮管接头(51)分别与所述保温室(52)和所述液氮喷口(53)相连通。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述收集组件(3)包括煤样采集室(31)，且所述煤样采集室(31)开设在所述内筒壳体(21)的内部位于所述保温室(52)的内部，所述煤样采集室(31)的两端分别固定安装有上端球阀(32)和割芯球阀(33)，所述液压推杆(45)与分别与所述上端球阀(32)和所述割芯球阀(33)的驱动端相连接，在所述煤样采集室(31)与所述上端球阀(32)之间固定安装有解吸球阀(34)，所述煤样采集室(31)的一端固定安装有煤样卡子(35)，所述煤样采集室(31)与所述钻头组件(6)相连通。
7.根据权利要求6所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述钻头组件(6)包括钻头体(61)，且所述钻头组件(6)通过所述钻头体(61)与所述外筒组件(1)相固定连接，且所述钻头体(61)的内部固定安装有小径钻头(62)，所述小径钻头(62)的一端固定安装有小径切削齿(63)，所述小径钻头(62)与所述煤样采集室(31)相连通，且钻头体(61)的一端位于所述小径钻头(62)的外侧固定安装有大径钻头(64)，且所述大径钻头(64)的直径与所述外筒组件(1)的外直径相同，所述小径钻头(62)的长度大于所述大径钻头(64)的长度，所述液氮喷口(53)开设在所述大径钻头(64)上。
8.根据权利要求7所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置，其特征在于：所述大径钻头(64)上一端均匀固定安装有切削翼(65)，且所述大径钻头(64)上位于所述切削翼(65)的一侧固定安装有大径切削齿(66)，所述切削翼(65)的外侧均匀固定安装有保经齿(67)，且在所述大径钻头(64)上位于所述切削翼(65)之间开设有有导流面(68)。
9.根据权利要求1所述的一种煤矿井下低温密闭煤芯钻取装置及方法，其特征在于：在使用时，还包括巷道(7)、岩层(8)、煤层(9)、冷冻源(100)、第一泥浆泵(101)、供水管(102)、第二泥浆泵(103)和履带钻机(104)，在进行使用时，包括以下步骤：
步骤一，在所述巷道(7)的内部先通过所述履带钻机(104)对所述岩层(8)进行钻孔，并钻入到所述煤层(9)的内部，确定取样位置，并退出所述履带钻机(104)的钻杆；
步骤二、将钻杆上的普通钻头退下，并通过所述钻具接头(13)与本发明相固定连接，且将所述冷冻源(100)与所述第一泥浆泵(101)的进液端相连通，且所述第一泥浆泵(101)的出液端与所述注液氮管接头(51)相连通，所述供水管(102)通过所述第二泥浆泵(103)与所述注水管接头(41)相连通；
步骤三、开启所述第一泥浆泵(101)，使得液氮进入到所述保温室(52)和通过所述液氮喷口(53)处喷出，通过所述履带钻机(104)，使得所述钻头组件(6)的一端与所述煤层(9)相接触，且对所述煤层(9)切割位置进行冷却，并转动本发明中的外筒组件(1)，使得煤样进入到所述煤样采集室(31)的内部，并通过所述保温室(52)进行继续冷冻煤样；
步骤四、当达到预定长度后，开启所述第二泥浆泵(103)，使得所述供水管(102)内部的水通过所述注水管接头(41)进入到所述液压动能储集室(42)的内部，当达到相应压力后，所述定压泄能片(46)开启，使得水压推动所述液压推杆(45)在所述安装腔(44)的内部移动，并推动所述上端球阀(32)和所述割芯球阀(33)，使得所述煤样采集室(31)形成密封低温空间；
步骤五、当水流通过所述泄水口(47)流入到所述外筒组件(1)和所述内筒组件(2)之间，并通过钻孔返浆到所述巷道(7)的内部后，将本发明抽出，并通过所述解吸球阀(34)进行现场解吸，完成取芯作业。
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