CN115541289B - 一种松软煤层原位低损无尘取样装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种松软煤层原位低损无尘取样装置及方法，包括设置在取样装置最前端可自主伸缩的双向取样钻头与防止钻取过程中煤粉逸散的集尘罩，在中间位置从上至下依次设置有煤样割‑抛装置、煤样夹持器、吸尘器及集尘箱；由旋转方向相反的内、外取样钻头在煤体内进行钻进，将低损伤程度的煤样沿取样钻头输送至取样装置内部；当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止煤样发生碎散现象，再利用煤样割‑抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件。本发明结构清晰、操作简单、安全可靠，解决了现有碎软煤层易破碎、取样难度大等问题。

Description

一种松软煤层原位低损无尘取样装置及方法
技术领域
本发明属于煤矿井下煤样钻取领域，具体涉及一种松软煤层原位低损无尘取样装置及方法。
背景技术
随着我国煤层开采深度的逐年增加，高地应力、强地质构造使得深部煤层松软、碎软的特性日益凸显，导致抽采过程中容易造成塌孔、堵孔等现象的发生，同时也增加了煤与瓦斯突出、冲击地压等矿井灾害发生的风险，严重威胁着煤矿安全高效生产和井下工作人员生命健康。
为此，在实验室开展相关的力学参数、渗流特性以及结构特征等实验是有效、且必不可少的环节。而煤样的获取则是开展实验的基础，目前，开展实验主要选取坚固性系数较大的硬煤，对其进行钻取和打磨，进而获得实验标准的原煤试件；而对于坚固性系数较低的松软煤层来说，由于钻取难度大、易破碎，主要通过破碎、筛分、压制的方式获得规则的型煤试件。然而由于型煤破坏了原始的孔隙结构，对实验结果会产生一定的误差与影响。
如何在不破坏煤体的原始孔隙-裂隙结构的条件下，尽可能地保留煤层原始赋存状态成为当前亟待解决的问题。通过获取松软煤层的完整煤样，为后期相关实验的开展提供更加真实的物质条件，进而为探究井下灾害发生机理与事故预防提供坚实的基础。因此，需要亟待提出一种针对现有取样方法不足的技术方案。
发明内容
针对上述现有碎软煤层易破碎、取样难度大等问题，本发明提出了一种松软煤层原位低损无尘取样装置及方法。
为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：
本方案提供的一种松软煤层原位低损无尘取样装置，包括设置在取样装置最前端可自主伸缩的双向取样钻头与防止钻取过程中煤粉逸散的集尘罩，在中间位置从上至下依次设置有煤样割-抛装置、煤样夹持器、吸尘器及集尘箱；由旋转方向相反的内、外取样钻头向煤层预定取样位置钻进，将低损伤程度的煤样沿取样钻头输送至取样装置内部；当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止煤样发生碎散现象，再利用煤样割-抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件；将夹持器及煤样一同拆卸、取出，为下一步开展力学参数、渗流实验提供更为真实的物质条件。
优选的，所述的双向取样钻头是由旋转方向相反的内、外两个取样钻头构成，避免单钻头对煤体产生单一方向较大的作用力而导致煤体产生较大范围的变形破坏；采用双向钻头钻进煤体内部，大幅地降低因钻取工作而造成松软煤体发生的损伤，达到低损取样的目的。
优选的，所述的煤样在钻取过程中，利用集尘罩阻隔了煤粉的逸散，并通过吸尘器进行除尘；在取样装置内部的切割、打磨、抛光过程均通过吸尘孔口将产生的煤粉进行清除与收集，实现了取样全流程周期的无尘化。
优选的，所述的煤样割-抛装置包括了割-抛控制器、切割机以及割-抛控制线路；在取样装置内部设置了两组切割刀片，分别为#1切割刀片和#2切割刀片；在切割刀片的侧面安装有用于切割后煤样的打磨和抛光功能，进而减少了煤样因转移而导致二次损伤发生的风险；所述的割-抛控制器通过割-抛控制线路实现切割机上升、下降以及煤样切割、打磨、抛光一体化的功能。
优选的，所述的煤样夹持器由围压控制器、煤样夹持器控制线路以及煤样夹持器平台组成；通过调节围压控制器的收缩状态实现煤样夹持器平台的伸缩，当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器的伸展状态，使得煤样夹持器平台向煤样方向收缩，给予松软煤样约束力，以防止煤样发生碎散现象，进而实现松软煤层原位取样的目的。
优选的，所述的吸尘器位于煤样夹持器的下方，通过采用负压抽出的方式将煤样在切割、打磨、抛光过程中产生的煤粉进行收集，同理，在煤样钻取过程中产生的煤粉和煤屑经吸尘管口一同进入吸尘器；进入吸尘器中的煤尘经过润湿处理后排放在其下方的集尘箱内。
优选的，所述的集尘箱右下角装备有可观测集尘情况的出尘口，当集尘箱内部的煤尘过多时，通过出尘口将内部润湿的煤尘、煤屑进行清理。
优选的，所述的取样器钻头可自主伸缩，根据取样的具体位置进行调整；随着取样深度的增加，其伸展长度随之延长，以获取目标段位置的煤样。
优选的，所述的煤样夹持器、取样钻头可根据实验目的、仪器尺寸的需要进行调整，以满足不同规格煤样的获取，进而增加取样装置的适用范围。
所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置的使用方法，包括如下步骤：
S1根据实验目的、仪器尺寸选择对应的取样钻头，并调整煤样夹持器平台的位置，使其孔径略大于取样孔径，便于煤样的顺利通过；
S2将集尘罩紧贴煤体壁面，并进行简单固定与密封处理，防止取样过程中煤粉、煤屑的逸散与飞溅，进而达到无尘取样的效果；
S3利用可自主伸缩的双向取样钻头向煤体内部进行钻取，大幅地减少了钻取过程中对煤体的损伤破坏，并将低损伤程度的煤样沿取样钻头输送至取样装置内部；
S4当不规则的煤样断面进入取样器内部的切割机附近，调整煤样割-抛装置对其进行切割与剔除；
S5当目标段煤样进入煤样夹持器内，调节围压控制器的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止松软煤样发生碎散现象；
S6在煤样夹持器平台的固定、加持作用下，利用煤样割-抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件；
S7吸尘器经吸尘孔将集尘罩和取样装置在钻取、切割、打磨、抛光过程中产生的煤粉、煤屑进行清除与收集；
S8将夹持器及煤样一同进行拆卸、取出，并开展下一步力学参数、渗流实验等后续相关实验。
由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：
(1)本发明采用可自主伸缩的双向取样钻头向煤体内部进行钻取，减少了钻取过程中对煤体的损伤破坏，大幅度地降低了因钻取工作而造成松软煤体发生的损伤程度，进而达到低损取样的目的。
(2)本发明利用煤样割-抛装置实现切割机上升、下降以及煤样切割、打磨、抛光一体化的功能，减少了煤样转移而导致二次损伤风险的发生，保证了松软煤样试件的完整性和低损性。
(3)本发明通过调节煤样夹持器围压控制器的伸展状态，使得煤样夹持器平台向煤样方向收缩，给予松软煤样约束力，以防止煤样发生碎散现象，进而实现松软煤层原位取样的目的，解决了当前松软煤样钻取难度大的问题。
(4)本发明使用吸尘器进行除尘，避免了钻取过程和在取样装置内部的切割、打磨、抛光过程中产生煤粉逸散和煤屑飞溅现象的发生，进而实现了取样全流程周期的无尘化。
附图说明
图1为本发明松软煤层取样前的结构示意图；
图2为本发明松软煤层进行钻进过程中的结构示意图；
图3为本发明松软煤层进行不规格断面切割的结构示意图；
图4为本发明松软煤层进行煤样固定、加持时的受力示意图；
图5为本发明煤样割-抛装置的局部放大的结构示意图；
图6为本发明双向取样钻头的局部放大的结构示意图；
图7为本发明双向取样钻头的局部放大的侧视图；
图中：1、硬煤/岩体；2、松软煤体；3、集尘罩；4、围压控制器；5、割-抛控制器；6、切割机；7、集尘箱；8、吸尘器；9、除尘口；10、取样钻头；11、内取样钻头；12、外取样钻头；13、吸尘管口；14、煤样夹持器平台；15、#1切割刀片；16、割-抛控制线路；17、#2切割刀片；18、煤样夹持器控制线路；19、#1吸尘孔；20、#2吸尘孔。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示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、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。
如图1-7所示，本方案提供的一种松软煤层原位低损无尘取样装置，包括设置在取样装置最前端可自主伸缩的双向取样钻头与防止钻取过程中煤粉逸散的集尘罩3，在中间位置从上至下依次设置有煤样割-抛装置、煤样夹持器、吸尘器8及集尘箱7；由旋转方向相反的内、外取样钻头10向煤层预定取样位置钻进，将低损伤程度的煤样沿取样钻头10输送至取样装置内部；当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器4的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止煤样发生碎散现象，再利用煤样割-抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件；将夹持器及煤样一同拆卸、取出，为下一步开展力学参数、渗流实验提供更为真实的物质条件。
如图6-7所示，优选的，所述的双向取样钻头10是由旋转方向相反的内、外两个取样钻头构成，避免单钻头对煤体产生单一方向较大的作用力而导致煤体产生较大范围的变形破坏；采用双向钻头钻进煤体内部，大幅地降低因钻取工作而造成松软煤体发生的损伤，达到低损取样的目的。
如图1-5所示，优选的，所述的煤样在钻取过程中，利用集尘罩3阻隔了煤粉的逸散，并利用吸尘器8进行除尘；在取样装置内部的切割、打磨、抛光过程均通过吸尘孔口将产生的煤粉进行清除与收集，实现了取样全流程周期的无尘化。
优选的，所述的煤样割-抛装置包括了割-抛控制器5、切割机6以及割-抛控制线路16；在取样装置内部设置了两组切割刀片，分别为#1切割刀片15和#2切割刀片17；在切割刀片的侧面安装有用于切割后煤样的打磨和抛光功能，减少了煤样因转移而导致二次损伤发生的风险；所述的割-抛控制器5通过割-抛控制线路16实现切割机6上升、下降以及煤样切割、打磨、抛光一体化的功能。
优选的，所述的煤样夹持器由围压控制器4、煤样夹持器控制线路18以及煤样夹持器平台14组成；通过调节围压控制器4的收缩状态实现煤样夹持器平台14的伸缩，当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器4的伸展状态，使得煤样夹持器平台14向煤样方向收缩，给予松软煤样约束力，以防止煤样发生碎散现象，进而实现松软煤层原位取样的目的。
优选的，所述的吸尘器8位于煤样夹持器的下方，通过采用负压抽出的方式将煤样在切割、打磨、抛光过程中产生的煤粉进行收集，同理，在煤样钻取过程中产生的煤粉和煤屑经吸尘管口13一同进入吸尘器8；进入吸尘器8中的煤尘经过润湿处理后排放在其下方的集尘箱7内。
优选的，所述的集尘箱7右下角装备有可观测集尘情况的出尘口9；当集尘箱7内部的煤尘过多时，通过出尘口9将内部润湿的煤尘、煤屑进行清理。
优选的，所述的取样器钻头可自主伸缩，根据取样的具体位置进行调整；随着取样深度的增加，其伸展长度随之延长，以获取目标段位置的煤样。
优选的，所述的煤样夹持器、取样钻头10可根据实验目的、仪器尺寸的需要进行调整，以满足不同规格煤样的获取，进而增加取样装置的适用范围。
所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置的使用方法，包括如下步骤：
S1根据实验目的、仪器尺寸选择对应的取样钻头10，并调整煤样夹持器平台14的位置，使其孔径略大于取样孔径，便于煤样的顺利通过；
S2将集尘罩3紧贴煤体壁面，并进行简单固定与密封处理，防止取样过程中煤粉、煤屑的逸散与飞溅，进而达到无尘取样的效果；
S3利用可自主伸缩的双向取样钻头10向煤体内部进行钻取，大幅地减少了钻取过程中对煤体的损伤破坏，并将低损伤程度的煤样沿取样钻头10输送至取样装置内部；
S4当不规则的煤样断面进入取样器内部的切割机6附近，调整煤样割-抛装置对其进行切割与剔除；
S5当目标段煤样进入煤样夹持器内，调节围压控制器4的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止松软煤样发生碎散现象；
S6在煤样夹持器平台14的固定、加持作用下，利用煤样割-抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件；
S7吸尘器8经吸尘孔将集尘罩3和取样装置在钻取、切割、打磨、抛光过程中产生的煤粉、煤屑进行清除与收集；
S8将夹持器及煤样一同进行拆卸、取出，并开展下一步力学参数、渗流实验等后续相关实验。
至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (5)

1.一种松软煤层原位低损无尘取样装置，其特征在于：包括设置在取样装置最前端可自主伸缩的双向取样钻头与防止钻取过程中煤粉逸散的集尘罩，在中间位置从上至下依次设置有煤样割-抛装置、煤样夹持器、吸尘器及集尘箱；由旋转方向相反的内、外取样钻头向煤层预定取样位置钻进，将低损伤程度的煤样沿取样钻头输送至取样装置内部；当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止煤样发生碎散现象，再利用煤样割-抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件；将夹持器及煤样一同拆卸、取出，为下一步开展力学参数、渗流实验提供更为真实的物质条件；
所述的煤样夹持器由围压控制器、煤样夹持器控制线路以及煤样夹持器平台组成；通过调节围压控制器的收缩状态实现煤样夹持器平台的伸缩，当目标段煤样进入煤样夹持器内时，调节围压控制器的伸展状态，使得煤样夹持器平台向煤样方向收缩，给予松软煤样约束力，以防止煤样发生碎散现象，进而实现松软煤层原位取样的目的；
所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置的使用方法，包括如下步骤：
S1根据实验目的、仪器尺寸选择对应的取样钻头，并调整煤样夹持器平台的位置，使其孔径略大于取样孔径，便于煤样的顺利通过；
S2将集尘罩紧贴煤体壁面，并进行简单固定与密封处理，防止取样过程中煤粉、煤屑的逸散与飞溅，进而达到无尘取样的效果；
S3利用可自主伸缩的双向取样钻头向煤体内部进行钻取，大幅地减少了钻取过程中对煤体的损伤破坏，并将低损伤程度的煤样沿取样钻头输送至取样装置内部；
S4当不规则的煤样断面进入取样器内部的切割机附近，调整煤样割-抛装置对其进行切割与剔除；
S5当目标段煤样进入煤样夹持器内，调节围压控制器的收缩状态，给予松软煤样约束，以防止松软煤样发生碎散现象；
S6在煤样夹持器平台的固定、加持作用下，利用煤样割-抛装置对煤样两端进行切割、打磨、抛光处理，进而获得一个规则的松软煤样试件；
S7吸尘器经吸尘孔将集尘罩和取样装置在钻取、切割、打磨以及抛光过程中产生的煤粉、煤屑进行清除与收集；
S8将夹持器及煤样一同进行拆卸、取出，并开展下一步力学参数、渗流实验。
2.根据权利要求1所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置，其特征在于，所述的双向取样钻头是由旋转方向相反的内、外两个取样钻头构成，避免单钻头对煤体产生单一方向较大的作用力而导致煤体产生较大范围的变形破坏；采用双向钻头钻进煤体内部，大幅地降低因钻取工作而造成松软煤体发生的损伤，达到低损取样的目的。
3.根据权利要求1所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置，其特征在于，所述的煤样在钻取过程中，利用集尘罩阻隔了煤粉的逸散，并通过吸尘器进行除尘；在取样装置内部的切割、打磨、抛光过程均通过吸尘孔口将产生的煤粉进行清除与收集，实现了取样全流程周期的无尘化。
4.根据权利要求1所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置，其特征在于，所述的煤样割-抛装置包括了割-抛控制器、切割机以及割-抛控制线路；在取样装置内部设置了两组切割刀片，分别为#1切割刀片和#2切割刀片；在切割刀片的侧面安装有用于切割后煤样的打磨和抛光功能，进而减少了煤样因转移而导致二次损伤发生的风险；所述的割-抛控制器通过割-抛控制线路实现切割机上升、下降以及煤样切割、打磨、抛光一体化的功能。
5.根据权利要求1所述的一种松软煤层原位低损无尘取样装置，其特征在于：所述的吸尘器位于煤样夹持器的下方，通过采用负压抽出的方式将煤样在切割、打磨、抛光过程中产生的煤粉进行收集，同理，在煤样钻取过程中产生的煤粉和煤屑经吸尘管口一同进入吸尘器；进入吸尘器中的煤尘经过润湿处理后排放在其下方的集尘箱内。
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