CN115478800B - 一种煤层定点速冻取芯装置及取芯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤层定点速冻取芯装置及取芯方法，包括取芯筒，取芯筒的内部下端固定有同轴心的取芯钻头，取芯钻头的内部设置有与其同轴心的钻头内芯，取芯钻头和钻头内芯的下端面分别设置有锯齿结构，钻头内芯与取芯钻头间隙配合，钻头内芯的上端面固定在支撑杆的下端面上，支撑杆的上端固定在弹卡的下端，弹卡的上端固定在自动提取机构上，钻头内芯上方的支撑杆外部套有同轴心的煤样筒，钻头内芯能够进入到煤样筒内部，煤样筒的外部包裹有干冰舱，煤样筒和弹卡之间的支撑杆外侧套有液氮罐，干冰舱和煤样筒之间设置有导气孔，取芯钻头上设置有与导气孔连通的通气孔一，导气孔与通气孔一连通，干冰舱的出气口与导气孔连通。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种煤层定点速冻取芯装置及取芯方法。
背景技术
瓦斯灾害是威胁煤矿安全的主要灾害之一。煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险性预测的重要指标。准确的测定煤层瓦斯含量是保证煤矿安全生产的重要前提。在测定煤层瓦斯含量过程中，降低煤芯采集过程中的瓦斯损失量是准确测定煤层瓦斯含量的关键所在。研究表明，煤的瓦斯解吸量随煤的温度的升高而增大，温度越高瓦斯解吸速度越快。因此在煤样采集过程中快速的将所采集煤样温度降低并保持在低温环境下可以有效的抑制煤芯解吸瓦斯，从而达到减小损失量的目的，提高煤层瓦斯含量测定的准确性。
现有的煤层取样装置较多，但大多数为常温取样，现有涉及低温取样的装置和方法有些是通过改造常规取芯管，内置干冰作为冷冻剂，使用常规钻头施工取芯钻孔至取样深度后，退出钻头及钻杆，然后安装低温取芯装置送入钻孔至孔底进行取样，从装置来说，干冰通过升华吸收热量使采集煤样温度降低，其降温速度较慢，从方法上来说，先使用常规钻头施工取芯钻孔，退出钻头及钻杆后再使用低温装置进行取芯，取芯时间较长，钻孔孔底煤暴露时间长，损失量增大。有些是通过在导杆末端连接降温箱，从而达到煤层降温的目的，这种装置结构不够紧凑，操作不方便，降温效果不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题的煤层定点速冻取芯装置及取芯方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤层定点速冻取芯装置，包括取芯筒，取芯筒的内部下端固定有同轴心的取芯钻头，取芯钻头的内部设置有与其同轴心的钻头内芯，取芯钻头和钻头内芯的下端面分别设置有锯齿结构，钻头内芯与取芯钻头间隙配合，钻头内芯的上端面固定在支撑杆的下端面上，支撑杆的上端固定在弹卡的下端，弹卡的上端固定在自动提取机构上，钻头内芯上方的支撑杆外部套有同轴心的煤样筒，钻头内芯能够进入到煤样筒内部，煤样筒的外部包裹有干冰舱，煤样筒和弹卡之间的支撑杆外侧套有液氮罐，干冰舱和煤样筒之间设置有导气孔，取芯钻头上设置有与导气孔连通的通风孔一，导气孔与通风孔一连通，干冰舱的出气口与导气孔连通，取芯筒内壁设置有与弹卡相配合的卡槽二。
进一步的，干冰舱通过固定在取芯筒内壁上的卡座进行固定。
进一步的，卡座设置在取芯筒的内壁上，卡座上设置有在弹簧的弹力下突出于取芯筒内壁的卡销，干冰舱的外圆周壁上设置有与卡销相配合的卡槽一，当对干冰舱的推力足够大时，卡销会脱离开卡槽一。
进一步的，钻头内芯的内部设置有通风孔二，通风孔二(4)与通风孔一(2)连通。
进一步的，自动提取机构包括微控制器A、电源一、陀螺仪、带通滤波器、高精度麦克风、带通滤波电路、步进电机驱动电路、步进电机一和位于自动提取机构外侧的轮子，轮子抵在取芯筒的内壁上，电源一分别与微控制器A和陀螺仪电连接，微控制器A分别与步进电机一和带通滤波器电连接，步进电机一与轮子传动连接，带通滤波器与高精度麦克风电连接，高精度麦克风将收集的声音信号传递给带通滤波器，带通滤波器将声音信号处理后传递给微控制器A，微控制器A控制步进电机一的运动，步进电机一带动轮子的转动或者停止转动。
进一步的，包括信号发生器，信号发生器包括微控制器B、电源二、输入设备、步进电机驱动电路、步进电机二和敲击锤，电源二与微控制器B电连接，微控制器B分别与输入设备和步进电机驱动电路电连接，步进电机驱动电路和步进电机二电连接，步进电机二与敲击锤连接带动敲击锤进行敲击。输入设备将接受到的信号传递给微控制器B，微控制器B通过步进电机驱动电路控制步进电机二，步进电机二带动敲击锤进行工作。
一种煤层定点速冻取芯方法，包括以下步骤：
S1：装置安装及制冷剂充填，安装取芯钻头及钻头内芯，安装干冰舱及煤样筒，干冰舱由卡座固定及限位，向干冰舱内装入干冰压实，安装液氮罐，进而安装支撑杆以及弹卡，弹卡固定于卡槽二内，启动自动提取机构，并将其通过连接杆与弹卡连接，高精度麦克风固定在自动提取机构内壁处；
S2：将速冻取芯装置通过专用钻杆同轴向连接到钻机的动力输出端上，启动钻机进行钻孔施工，施工至指定取样深度后停止；
S3：在步骤S2中进行钻孔施工过程同时，陀螺仪实时采集自动提取机构的运动姿态并发送至微控制器A进行姿态判断，当判断自动提取机构保持静止超过2min后，开启高精度麦克风进行声音采集；
S4：启动信号发生器，通过输入设备向微控制器B发出指令，微控制器B根据指令控制敲击锤按照与指令对应的预置方式敲击钻杆，发出声音信号；
S5：当自动提取机构通过高精度麦克风采集到特定的声音信号后，自动提取机构朝向钻孔外移动一段距离从而打开弹卡，此时液氮罐解除限位，出气阀门打开，氮气经导气孔及通风孔一流出，吹向钻头前方煤体，使煤样筒、取芯钻头及钻头内芯前方所要采集的煤体迅速降温；
S6：向煤层继续打钻，采集的煤样推动钻头内芯进入煤样筒，向煤层继续打钻，推进深度略大于取样筒长度后停钻，由于煤样筒中煤样取满后煤样对煤样筒的作用力，卡座打开；
S7：使用信号发出器再次发出信号，控制自动提取机构朝向钻孔外移动直至从钻杆移出；从钻杆尾部去除取芯筒，使用支撑杆及钻头内芯将采集到的煤芯推出转移至煤样罐封，完成取样。
进一步的，步骤S6中打钻的推进深度略大于取芯筒长度。
本发明的有益效果在于：
本发明与现有技术相比具有使所采集煤样降温速度快，降温幅度大，所采集煤样颗粒较大，能够达到定点取样的效果；并且取芯速度快，能够有效的减少所采集煤样瓦斯损失量，从而达到准确测定煤层瓦斯含量的目的。
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为本发明创造的剖视图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3为图1中的B-B处的剖视图；
图4为本发明创造的自动提取机构的结构示意图；
图5为本发明创造的信号发生器的结构示意图。
附图标记：
1、取芯钻头；2、通风孔一；3、钻头内芯；4、通风孔二；5、取芯筒；6、卡座；7、干冰舱；8、干冰；9、导气孔；10、煤样筒；11、支撑杆；12、卡槽一；13、出气阀门；14、液氮罐；15、液氮；16、充气口；17、弹卡；18、卡槽二；19、连接杆；20、自动提取机构；21、高精度麦克风；22、带通滤波器；23、微控制器A；24、电源一；25、陀螺仪；26、步进电机一；27、信号发生器；28、微控制器B；29、输入设备；30、步进电机驱动电路；31、电源二；32、步进电机二；33、敲击锤。
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。
请参阅图1～图5，为一种煤层定点速冻取芯装置及取芯方法，包括圆筒形状的取芯筒5，取芯筒5的内部下端固定有同轴心的取芯钻头1，取芯钻头1的外圆周设置有台阶，取芯钻头1的上部外周直径与取芯筒5的内径相同，取芯钻头1的上部伸入到取芯筒5内部后其台阶处卡在取芯筒5的下端面处，取芯钻头1的下部外圆周直径与取芯筒5的外圆周直径相同。
取芯钻头1的内部设置有与其同轴心的钻头内芯3，取芯钻头1和钻头内芯3的下端面齐平，取芯钻头1和钻头内芯3的下端面分别设置有便于开采的锯齿结构。钻头内芯3与取芯钻头1间隙配合。取芯钻头1的内部设置有通风孔一2，钻头内芯3的内部设置有通风孔二4，通风孔一2和通风孔二4连通。
钻头内芯3的上端面固定在支撑杆11的下端面上，支撑杆11的上端在取芯筒5内朝上延伸后其上端固定在弹卡17的下端上。钻头内芯3上部的取芯筒5内部设置有与支撑杆11同轴心的煤样筒10，煤样筒10的内径略大于钻头内芯3的外径，煤样筒10的顶部设置有端盖，端盖上设置有便于支撑杆11穿过的通孔。煤样筒10的外圆周包裹有同轴心的干冰舱7，干冰舱7用于储存干冰8。
干冰舱7通过固定在取芯筒5内壁上的卡座6进行固定。卡座6设置在取芯筒5的内壁上，卡座6上设置有在弹簧的弹力下突出于取芯筒5内壁的卡销，干冰舱7的外圆周壁上设置有与卡销相配合的卡槽一12，在力足够大的情况下，卡销会脱离开卡槽一12。
煤样筒10与弹卡17之间设置有与支撑杆11同轴心的液氮罐14，液氮罐14内充满液氮15，液氮罐14为环形筒状，支撑杆11穿过液氮罐14的内环，支撑杆11与液氮罐14之间间隙配合。液氮罐14的外壁与取芯筒5的内壁间隙配合。液氮罐14的上端面设置有充气口16，液氮罐14的下端面设置有出气阀门13，出气阀门13位于煤样筒10的端盖上方，出气阀门13是压力式阀门，在弹卡17和煤样筒10的顶压作用下出气阀门13是关闭的，在两者之间的顶压力解除后出气阀门13能够打开。
干冰舱7内侧壁靠近煤样筒10处设置有若干贯穿干冰舱7内侧壁的导气孔9，此导气孔9和出气阀门13的出气口连通，导气孔9还与通风孔一2连通。
取芯筒5的内侧壁上与弹卡17对应的位置处设置有与弹卡17相配合的卡槽二18，弹卡17的上端面固定在连接杆19的下端上，连接杆19的上端固定在自动提取机构20上。
自动提取机构20包括微控制器A23、电源一24、陀螺仪25、带通滤波器22、高精度麦克风21、带通滤波电路、步进电机驱动电路30、步进电机一26和位于自动提取机构20外侧的轮子，轮子抵在取芯筒5的内壁上。电源一24分别与微控制器A23和陀螺仪25电连接，微控制器A23分别与步进电机一26和带通滤波器22电连接，步进电机一26与轮子传动连接，带通滤波器22与高精度麦克风21电连接。高精度麦克风21将收集的声音信号传递给带通滤波器22，带通滤波器22将声音信号处理后传递给微控制器A23，微控制器A23控制步进电机一26的运动，步进电机一26带动轮子的转动或者停止转动。
取芯装置还包括信号发生器27，信号发生器27包括微控制器B28、电源二31、输入设备29、步进电机驱动电路30、步进电机二32和敲击锤33。电源二31与微控制器B28电连接，微控制器B28分别与输入设备29和步进电机驱动电路30电连接，步进电机驱动电路30和步进电机二32电连接，步进电机二32与敲击锤33连接带动敲击锤33进行敲击。输入设备29将接受到的信号传递给微控制器B28，微控制器B28通过步进电机驱动电路30控制步进电机二32，步进电机二32带动敲击锤33进行工作。
一种煤层定点速冻取芯方法，包括以下步骤：
S1：装置安装及制冷剂充填，安装取芯钻头1及钻头内芯3，安装干冰舱7及煤样筒10，干冰舱7由卡座6固定及限位，向干冰舱7内装入干冰8压实；安装液氮罐14，进而安装支撑杆11以及弹卡17，支撑杆11与钻头内芯3通过螺纹连接，弹卡17固定于卡槽二18内，弹卡17安装完毕后，对液氮罐14有限位作用，此时液氮罐14上设置的出气阀门13由于弹卡17的限位与煤样筒10挤压处于关闭状态，启动自动提取机构20，并将其通过连接杆19与弹卡17连接，高精度麦克风21固定在自动提取机构20内壁处；
S2：将速冻取芯装置通过专用钻杆同轴向连接到钻机的动力输出端上，启动钻机进行钻孔施工，使用速冻取芯装置钻进施工过程中，可使用风力排渣，风通过钻孔内部流经自动提取机构20，风依次通过液氮罐14、煤样筒10之间的空隙，流入取芯筒5，分别再经取芯钻头1及钻头内芯3设置的通风孔一2和通风孔二4流出，排出钻孔施工过程中产生的钻屑，施工至指定取样深度后停止；
S3：在步骤S2中进行钻孔施工过程同时，陀螺仪25实时采集自动提取机构20的运动姿态并发送至微控制器A23进行姿态判断，当判断自动提取机构20保持静止超过2min后，开启高精度麦克风21进行声音采集；
S4：施工至指定取样深度后，将信号发生器27固定在钻孔外的钻杆上，启动信号发生器27，通过输入设备29向微控制器B28发出指令，微控制器B28根据指令控制敲击锤33按照与指令对应的预置方式敲击钻杆，发出声音信号；
S5：当自动提取机构20通过高精度麦克风21采集到特定的声音信号后，通过步进电机驱动电路30和步进电机将自动提取机构朝向钻孔外移动一段距离从而打开弹卡17，此时液氮罐14解除限位，出气阀门13打开，氮气经导气孔9及通风孔一2流出，吹向钻头前方煤体，液氮15汽化吸收大量的热量，使煤样筒10、取芯钻头1及钻头内芯3前方所要采集的煤体迅速降温；
S6：向煤层继续打钻，采集的煤样推动钻头内芯3进入煤样筒10，向煤层继续打钻，推进深度略大于取芯筒长度后停钻，此过程中，由于煤样筒10中煤样取满后煤样对煤样筒10的作用力，卡座6打开；
S7：卸下施工钻孔所使用的的风尾，使用信号发出器再次发出信号，控制自动提取机构20朝向钻孔外移动直至从钻杆移出；从钻杆尾部去除取芯筒5，使用支撑杆11及钻头内芯3将采集到的煤芯推出转移至煤样罐封，完成取样。
在整个取芯过程中，干冰舱7中的干冰8逐渐升华吸热，在施工钻孔及煤样采集过程中，干冰8升华吸热使煤样筒10处于低温环境，煤样进入煤样筒10后保障煤样持续处于低温环境中，另一方面干冰8升华产生的低温环境对液氮罐14起到保护作用，避免由于取芯筒5与煤壁摩擦使液氮罐14温度升高，导致液氮罐14内压力升高；使取芯钻头1及钻头内芯3处于低温环境，降低了取芯钻头1及钻头内芯3采集煤样时的初始温度。在自动提取机构20朝向钻孔外移动直至从移出钻杆过程中，干冰舱7中干冰8升华吸热，可以使煤样筒10及煤样筒10中煤样保持在低温环境下。从而达到抑制煤样解吸瓦斯的目的。
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 (8)
1.一种煤层定点速冻取芯装置，其特征在于：包括取芯筒(5)，取芯筒(5)的内部下端固定有同轴心的取芯钻头(1)，取芯钻头(1)的内部设置有与其同轴心的钻头内芯(3)，取芯钻头(1)和钻头内芯(3)的下端面分别设置有锯齿结构，钻头内芯(3)与取芯钻头(1)间隙配合，钻头内芯(3)的上端面固定在支撑杆(11)的下端面上，支撑杆(11)的上端固定在弹卡(17)的下端，弹卡(17)的上端固定在自动提取机构(20)上，钻头内芯(3)上方的支撑杆(11)外部套有同轴心的煤样筒(10)，钻头内芯(3)能够进入到煤样筒(10)内部，煤样筒(10)的外部包裹有干冰舱(7)，煤样筒(10)和弹卡(17)之间的支撑杆(11)外侧套有液氮罐(14)，干冰舱(7)和煤样筒(10)之间设置有导气孔(9)，取芯钻头(1)上设置有与导气孔(9)连通的通风孔一(2)，导气孔(9)与通风孔一(2)连通，干冰舱(7)的出气口与导气孔(9)连通，取芯筒(5)内壁设置有与弹卡(17)相配合的卡槽二（18）。
2.根据权利要求1所述的一种煤层定点速冻取芯装置，其特征在于：干冰舱(7)通过固定在取芯筒(5)内壁上的卡座(6)进行固定。
3.根据权利要求2所述的一种煤层定点速冻取芯装置，其特征在于：卡座(6)设置在取芯筒(5)的内壁上，卡座(6)上设置有在弹簧的弹力下突出于取芯筒(5)内壁的卡销，干冰舱(7)的外圆周壁上设置有与卡销相配合的卡槽一(12)，当对干冰舱(7)的推力足够大时，卡销会脱离开卡槽一(12)。
4.根据权利要求1所述的一种煤层定点速冻取芯装置，其特征在于：钻头内芯(3)的内部设置有通风孔二(4)，通风孔二(4)与通风孔一(2)连通。
5.根据权利要求1所述的一种煤层定点速冻取芯装置，其特征在于：自动提取机构(20)包括微控制器A(23)、电源一(24)、陀螺仪(25)、带通滤波器(22)、高精度麦克风(21)、带通滤波电路、步进电机驱动电路(30)、步进电机一(26)和位于自动提取机构(20)外侧的轮子，轮子抵在取芯筒(5)的内壁上，电源一(24)分别与微控制器A(23)和陀螺仪(25)电连接，微控制器A(23)分别与步进电机一(26)和带通滤波器(22)电连接，步进电机一(26)与轮子传动连接，带通滤波器(22)与高精度麦克风(21)电连接，高精度麦克风(21)将收集的声音信号传递给带通滤波器(22)，带通滤波器(22)将声音信号处理后传递给微控制器A(23)，微控制器A(23)控制步进电机一(26)的运动，步进电机一(26)带动轮子的转动或者停止转动。
6.根据权利要求1所述的一种煤层定点速冻取芯装置，其特征在于：包括信号发生器(27)，信号发生器(27)包括微控制器B(28)、电源二(31)、输入设备(29)、步进电机驱动电路(30)、步进电机二(32)和敲击锤(33)，电源二(31)与微控制器B(28)电连接，微控制器B(28)分别与输入设备(29)和步进电机驱动电路(30)电连接，步进电机驱动电路(30)和步进电机二(32)电连接，步进电机二(32)与敲击锤(33)连接 带动敲击锤(33)进行敲击；输入设备(29)将接受到的信号传递给微控制器B(28)，微控制器B(28)通过步进电机驱动电路(30)控制步进电机二(32)，步进电机二(32)带动敲击锤(33)进行工作。
7.一种煤层定点速冻取芯方法，该方法使用如权利要求1-6任一所述的煤层定点速冻取芯装置；其特征在于，包括以下步骤：
S1：装置安装及制冷剂充填，安装取芯钻头(1)及钻头内芯(3)，安装干冰舱(7)及煤样筒(10)，干冰舱(7)由卡座(6)固定及限位，向干冰舱(7)内装入干冰(8)压实，安装液氮罐(14)，进而安装支撑杆(11)以及弹卡(17)，弹卡(17)固定于卡槽二(18)内，启动自动提取机构(20)，并将其通过连接杆(19)与弹卡(17)连接，高精度麦克风(21)固定在自动提取机构(20)内壁处；
S2：将速冻取芯装置通过专用钻杆同轴向连接到钻机的动力输出端上，启动钻机进行钻孔施工；
S3：在步骤S2中进行钻孔施工过程同时，陀螺仪(25)实时采集自动提取机构(20)的运动姿态并发送至微控制器A(23)进行姿态判断，当判断自动提取机构(20)保持静止超过2min后，开启高精度麦克风(21)进行声音采集；
S4：启动信号发生器(27)，通过输入设备(29)向微控制器B(28)发出指令，微控制器B(28)根据指令控制敲击锤(33)按照与指令对应的预置方式敲击钻杆，发出声音信号；
S5：当自动提取机构(20)通过高精度麦克风(21)采集到声音信号后，自动提取机构(20)朝向钻孔外移动一段距离从而打开弹卡(17)，此时液氮罐(14)解除限位，出气阀门(13)打开，氮气经导气孔(9)及通风孔一(2)流出，吹向钻头前方煤体，使煤样筒(10)、取芯钻头(1)及钻头内芯(3)前方所要采集的煤体迅速降温；
S6：向煤层继续打钻，采集的煤样推动钻头内芯(3)进入煤样筒(10)，向煤层继续打钻，由于煤样筒(10)中煤样取满后煤样对煤样筒(10)的作用力，卡座(6)打开；
S7：使用信号发出器再次发出信号，控制自动提取机构(20)朝向钻孔外移动直至从钻杆移出；从钻杆尾部去除取芯筒(5)，将采集到的煤芯推出转移至煤样罐封，完成取样。
8.根据权利要求7所述的一种煤层定点速冻取芯方法，其特征在于：步骤S6中打钻的推进深度略大于取芯筒(5)长度。
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