CN115597912A - 新型井下煤层密闭取芯装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿坑道取芯技术领域，具体涉及一种新型井下煤层密闭取芯装置，包括肋骨钻杆组装件、尾部轴承组、电机筒组件和取样筒组件，肋骨钻杆组装件由肋骨钻杆、尾部钻杆接头和头部钻杆接头组成；尾部轴承组安装在尾部钻杆接头的内部，用于在肋骨钻杆钻进时保护内部结构不会发生相对转动，从而保证取样筒的稳定性；电机筒组件安装在肋骨钻杆的内部，用于为取样筒组件中的中心轴动作提供动力。本发明通过取样筒内置传感器和贴于钻杆外部的传输线路，实现对井下煤层气进行长距离远程监测，降低煤样泄露瓦斯气体的可能性；多层密封以及轴承组对取样主体的保持作用，保证取样筒内气体气压维持在恒定状态，使取样结果更加准确。

Description

新型井下煤层密闭取芯装置

技术领域

本发明属于煤矿坑道取芯技术领域，具体涉及一种新型井下煤层密闭取芯装置。

背景技术

我国绿色煤炭资源量有限，实施煤炭精准智能开采是未来绿色采矿的必由之路，其中地质保障技术体系是重要的基础。煤矿瓦斯灾害防治是矿井安全生产的重点和难点，其核心是煤层瓦斯含量与压力的精准测定。目前含瓦斯煤层或煤矿取样普遍采用开放式或球阀密闭式取芯技术，取芯效率低，且瓦斯容易损失、测量时效性差，难以保证瓦斯含量与压力数据的准确性与有效性，不能有效评估煤层风险特征指标以指导工程实践。

我国既是煤炭生产大国，也是煤炭消费大国，煤炭是我国重要的基础能源和原料。煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力是突出煤层突出危险性区域预测和区域效果检验的主要指标，煤层瓦斯含量通常采用地面煤层气含量测定、地勘瓦斯含量测定、矿井井下煤层钻孔取芯等方法进行测定，由于煤层瓦斯含量测试条件和测试方法等区别，上述煤层瓦斯含量测试结果往往差异较大精度不高，普遍存在估算损失，对煤矿开采的指导意义有限。

对于煤层坑道取芯，公开号为CN204646157U的专利说明书中公开了一种煤层气绳索取芯装置，该装置使用绳索提升/下放取芯器，同时需要为取芯装置通入压缩空气，驱动取芯装置动作。公开号为CN107905752A的专利说明书公开了一种取芯器，该装置也是使用绳索提升/下放取芯器，同时取芯装置需要依靠水压驱动取芯装置动作。为了进一步实现对煤层的保压取芯，公开号为CN201811862U的专利说明书中公开了一种煤样取样器，其依靠粘液、真空装置进行样品的保压取芯，上述装置中均存在流体介质，会对煤层岩芯造成一定的污染，并影响含水率等参数的测定。公开号为CN104453759B的专利说明书公开了一种地面钻井煤层气、岩层气含量测试密闭取心装置，该装置依靠样品自身推动作用打开启动割心密封球阀，结构较为复杂，对于不同的煤层需要更换不同的配件来实现切割，操作不易，工作效率较低。

因此，有必要提供一种新型井下煤层密闭取芯装置。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种新型井下煤层密闭取芯装置。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

本发明提供一种新型井下煤层密闭取芯装置，包括：

肋骨钻杆组装件，所述肋骨钻杆组装件由肋骨钻杆、尾部钻杆接头和头部钻杆接头组成；所述肋骨钻杆的两端处分别设有便于安装钻杆接头的钻头安装座；

尾部轴承组，所述尾部轴承组安装在尾部钻杆接头的内部，所述尾部轴承组用于在肋骨钻杆钻进时保护内部结构不会发生相对转动，从而保证取样筒的稳定性；

电机筒组件，所述电机筒组件安装在肋骨钻杆的内部，用于为取样筒组件中的中心轴动作提供动力；

取样筒组件，所述取样筒组件安装在肋骨钻杆的内部，所述取样筒组件包括中心轴、尾部盖板、尾部密封圈、尾部旋转门、取样筒、头部旋转门、头部密封圈、头部盖板和后螺母挡圈，所述取样筒的内部设有便于安装中心轴的中空轴套，所述取样筒的头端开设有头部取样口，尾端开设有尾部取样口，所述中心轴上安装有尾部盖板、尾部旋转门、头部旋转门、头部盖板和后螺母挡圈。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述尾部轴承组包括通风轴承座、前螺母挡圈、轴承支架和圆锥滚子轴承组，所述通风轴承座的内部通过钩爪架安装有轴承支架，所述轴承支架支撑有圆锥滚子轴承组，所述圆锥滚子轴承组的尾端外侧安装有防止其轴向位移的前螺母挡圈。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述电机筒组件包括电机筒、电池、直流电机和电机筒盖板，所述电机筒的内腔中安装有电池、直流电机，所述电机筒的内腔开口处安装有电机筒盖板，所述直流电机的输出轴贯穿电机筒盖板并经套筒联轴器与中心轴的端部固定。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述电机筒的尾端与勾爪架通过螺纹连接，所述电机筒的尾端中心处设有伸入圆锥滚子轴承组的中空穿线轴，中空穿线轴上安装有防止其轴向位移的支撑挡圈，所述中空穿线轴的内腔作为通线、通气的通道。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述尾部盖板的外侧螺纹连接有通风支撑管，所述肋骨钻杆内壁之间安装有与通风支撑管配合的支撑轴承，所述套筒联轴器的一端与电机筒盖板固定，另一端与取样筒的中空轴套之间安装有防尘深沟球轴承，所述套筒联轴器通过贯穿自身的销钉实现与中心轴的固定，所述尾部盖板、电机筒盖板、通风支撑管、套筒联轴器、防尘深沟球轴承共同构成通风连接组件。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述尾部盖板设置在尾部旋转门的外侧且两者之间安装有尾部密封圈，所述头部盖板设置在头部旋转门的外侧且两者之间安装有头部密封圈。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述尾部旋转门、头部旋转门需要在三个工作状态下进行相应角度的转动，设定初始装配位置的两个门都在0°位置，观测角度为从取样筒尾部到头部的方向，以逆时针转动为转动正方向；

在初始位置时，尾部旋转门单个槽口圆心分别在90°和135°，取样筒的头部取样口角度为45°到225°；

当开始取样时，控制中心轴13转动45°，使尾部旋转门18为闭合状态，头部旋转门为全开状态；

当取样结束时，控制中心轴13再转动180°，与初始角度相差225°，使头尾两部分的旋转门都是密封状态。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述头部钻杆接头安装有煤样切削机构。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述尾部旋转门、头部旋转门由铜基石墨自润滑材料制成。

进一步地，上述新型井下煤层密闭取芯装置中，所述电机筒的内部安装有集成远程控制模块的控制芯片；所述取样筒的内壁上安装有贴片式的温度传感器、湿度传感器、压力传感器；所述电池、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、直流电机均与控制芯片连接，所述控制芯片通过集成的远程控制模块与远程后端进行无线通信。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够实现对煤样的长距离定点取样，并能通过不替换钻头钻杆的情况下使钻进取样同时进行，大幅缩短了取样时间。取样筒和钻杆为双层结构，当取样完成，可使钻杆留在钻孔内，单独将取样筒提出，下一次取样时，再用新的取样筒下放到钻杆内部，从而实现对不同深度的煤样进行多次采集检测，降低了煤样在钻孔内解析瓦斯气体的时间，使取样效果更好。

2、本发明通过取样筒内置传感器和贴于钻杆外部的传输线路，实现对井下煤层气进行长距离远程监测，降低煤样泄露瓦斯气体的可能性。多层密封装置以及轴承组对取样主体的保持作用，保证取样筒内气体气压维持在恒定状态，保证装置气密性，使取样结果更加准确。另外，一个零件满足多个设计需求，装配方便，拆装简单，方便后续调试维修。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体的结构示意图；

图2为图1结构左段的放大示意图；

图3为图1结构中段的放大示意图；

图4为图1结构右段的放大示意图；

图5为本发明中取样筒的尾部通气示意图；

图6为本发明中取样筒的头部通气示意图；

图7为本发明中取样筒尾部密封门与中心轴的拆分示意图；

图8为本发明中钻杆尾部轴承支架的通风示意图；

图9为本发明中电机筒的通风开孔示意图；

附图中，各部件的标号如下：

1-尾部钻杆接头，2-通风轴承座，3-前螺母挡圈，4-轴承支架，5-圆锥滚子轴承组，6-中空穿线轴，7-支撑挡圈，8-电机筒，9-电池，10-直流电机，11-电机筒盖板，12-套筒联轴器，13-中心轴，14-支撑轴承，15-防尘深沟球轴承，16-尾部盖板，17-尾部密封圈，18-尾部旋转门，19-取样筒，20-头部旋转门，21-头部密封圈，22-头部盖板，23-后螺母挡圈，24-钻头安装座，25-头部取样口，26-尾部取样口，27-头部钻杆接头，28-肋骨钻杆。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图9所示，本实施例提供一种新型井下煤层密闭取芯装置，包括肋骨钻杆组装件、尾部轴承组、电机筒组件和取样筒组件。肋骨钻杆组装件由肋骨钻杆28、尾部钻杆接头1和头部钻杆接头27组成；肋骨钻杆28的两端处分别设有便于安装钻杆接头的钻头安装座24；尾部轴承组安装在尾部钻杆接头1的内部，尾部轴承组1用于在肋骨钻杆28钻进时保护内部结构不会发生相对转动，从而保证取样筒19的稳定性；电机筒组件安装在肋骨钻杆28的内部，用于为取样筒组件中的中心轴13动作提供动力。

本实施例中，取样筒组件安装在肋骨钻杆28的内部，取样筒组件包括中心轴13、尾部盖板16、尾部密封圈17、尾部旋转门18、取样筒19、头部旋转门20、头部密封圈21、头部盖板22和后螺母挡圈23，取样筒19的内部设有便于安装中心轴13的中空轴套，取样筒19的头端开设有头部取样口25，尾端开设有尾部取样口26，中心轴13上安装有尾部盖板16、尾部旋转门18、头部旋转门20、头部盖板22和后螺母挡圈23。

本实施例中，尾部轴承组包括通风轴承座2、前螺母挡圈3、轴承支架4和圆锥滚子轴承组5，通风轴承座2的内部通过钩爪架安装有轴承支架4，轴承支架4支撑有圆锥滚子轴承组5，圆锥滚子轴承组5的尾端外侧安装有防止其轴向位移的前螺母挡圈3。

本实施例中，电机筒组件包括电机筒8、电池9、直流电机10和电机筒盖板11，电机筒8的内腔中安装有电池9、直流电机10，电机筒8的内腔开口处安装有电机筒盖板11，直流电机10的输出轴贯穿电机筒盖板11并经套筒联轴器12与中心轴13的端部固定。

本实施例中，电机筒8的尾端与勾爪架通过螺纹连接，电机筒8的尾端中心处设有伸入圆锥滚子轴承组5的中空穿线轴6，中空穿线轴6上安装有防止其轴向位移的支撑挡圈7，中空穿线轴6的内腔作为通线、通气的通道。

本实施例中，尾部盖板16的外侧螺纹连接有通风支撑管，肋骨钻杆28内壁之间安装有与通风支撑管配合的支撑轴承14，套筒联轴器12的一端与电机筒盖板11固定，另一端与取样筒19的中空轴套之间安装有防尘深沟球轴承15，套筒联轴器12通过贯穿自身的销钉实现与中心轴13的固定，尾部盖板16、电机筒盖板11、通风支撑管、套筒联轴器12、防尘深沟球轴承15共同构成通风连接组件。

本实施例中，尾部盖板16设置在尾部旋转门18的外侧且两者之间安装有尾部密封圈17，头部盖板22设置在头部旋转门20的外侧且两者之间安装有头部密封圈21。

本实施例中，尾部旋转门18、头部旋转门20需要在三个工作状态下进行相应角度的转动，设定初始装配位置的两个门都在0°位置，观测角度为从取样筒19尾部到头部的方向，以逆时针转动为转动正方向；

在初始位置时，尾部旋转门18单个槽口圆心分别在90°和135°，取样筒19的头部取样口25角度为45°到225°；

当开始取样时，控制中心轴13转动45°，使尾部旋转门18为闭合状态，头部旋转门20为全开状态；

当取样结束时，控制中心轴13再转动180°，与初始角度相差225°，使头尾两部分的旋转门都是密封状态。

本实施例中，头部钻杆接头27安装有煤样切削机构。

本实施例中，尾部旋转门18、头部旋转门20由铜基石墨自润滑材料制成。

本实施例中，电机筒8的内部安装有集成远程控制模块的控制芯片；取样筒19的内壁上安装有贴片式的温度传感器、湿度传感器、压力传感器；电池9、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、直流电机10均与控制芯片连接，控制芯片通过集成的远程控制模块与远程后端进行无线通信。

本发明的具体操作流程为：

装配电机筒组件时，先将电池9以及相关电路装入电机筒8内部，充电线通过钩爪架中空管道内部穿出电机筒8，直流电机10固定在通风支撑架上，再将通风支撑架。直流电机10、电池9完整装入电机筒8内部，在电机筒尾部螺纹装上钩爪架。装配取样筒组件时，在取样筒19尾部放入防尘深沟球轴承15并塞入O型密封圈，再将尾部旋转门18与中心轴13的焊接件整体插入取样筒19的中空轴套内，再装配一个与取样筒19尾部配套的深沟球轴承装置于尾部盖板16内，同时在盖板与旋转门接触的那一面的凹槽内也装入一个O型密封圈，再通过螺栓将取样筒尾部盖板16螺纹连接在取样筒19上，将尾部旋转门18紧密地塞入取样筒19和尾部盖板16之间。在取样筒19头部塞入铜套和O型密封圈，在露出的中心轴上塞入平键，将头部旋转门20套在键外，再将头部盖板22用螺栓连接在取样筒19上，将头部旋转门20紧密地塞在取样筒19和头部盖板22之间；接着在头部盖板22之外露出的中心轴螺纹部分上盖一带帽螺母和垫片，在取样筒9外部装一铜套。在通风支撑架外套一深沟球轴承作为支撑件，同时起防转作用，然后将取样筒19部分的尾部与通风支撑架的头部螺纹连接在一起。接着，钻杆间连接部分与钻杆螺纹连接，并在连接部分内装入轴承组件，再将接头顶在轴承组后，然后将电机筒8和取样筒19的整体从钻杆的头部装入钻杆内部，再将钻头旋在钻杆头部。

利用通过内置电池9为直流电机10提供动力，使取样筒头尾两侧的旋转门开合来实现取样筒19通风状态和密封状态的改变。两侧旋转门需要在三个工作状态下进行相应角度的转动，设定初始装配位置的两个门都在0°位置，观测角度为从取样筒尾部到头部的方向，以逆时针转动为转动正方向；在初始位置时，取样筒尾部旋转门单个槽口圆心分别在90°和135°，头部取样筒半圆开口角度为45°到225°；当开始取样时，控制电机转动45°，使尾部旋转门为闭合状态，头部旋转门为全开状态；当取样结束时，控制电机再转180°，与初始角度相差225°，使头尾两部分的旋转门都是密封状态。旋转门的密封是通过由自润滑石墨铜材料加工出的迷宫密封旋转门配合埋在旋转门卡槽内部的橡胶o型密封圈来保证。通过轴承组配合铜套使整个结构在钻杆转动的时候保持不转，并保证内部结构的稳定性。通过取样筒内置传感器和贴于钻杆外部的传输线路，实现对井下煤层气进行长距离远程监测。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于，包括：

肋骨钻杆组装件，所述肋骨钻杆组装件由肋骨钻杆、尾部钻杆接头和头部钻杆接头组成；所述肋骨钻杆的两端处分别设有便于安装钻杆接头的钻头安装座；

尾部轴承组，所述尾部轴承组安装在尾部钻杆接头的内部，所述尾部轴承组用于在肋骨钻杆钻进时保护内部结构不会发生相对转动，从而保证取样筒的稳定性；

电机筒组件，所述电机筒组件安装在肋骨钻杆的内部，用于为取样筒组件中的中心轴动作提供动力；

取样筒组件，所述取样筒组件安装在肋骨钻杆的内部，所述取样筒组件包括中心轴、尾部盖板、尾部密封圈、尾部旋转门、取样筒、头部旋转门、头部密封圈、头部盖板和后螺母挡圈，所述取样筒的内部设有便于安装中心轴的中空轴套，所述取样筒的头端开设有头部取样口，尾端开设有尾部取样口，所述中心轴上安装有尾部盖板、尾部旋转门、头部旋转门、头部盖板和后螺母挡圈。

2.根据权利要求1所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述尾部轴承组包括通风轴承座、前螺母挡圈、轴承支架和圆锥滚子轴承组，所述通风轴承座的内部通过钩爪架安装有轴承支架，所述轴承支架支撑有圆锥滚子轴承组，所述圆锥滚子轴承组的尾端外侧安装有防止其轴向位移的前螺母挡圈。

3.根据权利要求2所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述电机筒组件包括电机筒、电池、直流电机和电机筒盖板，所述电机筒的内腔中安装有电池、直流电机，所述电机筒的内腔开口处安装有电机筒盖板，所述直流电机的输出轴贯穿电机筒盖板并经套筒联轴器与中心轴的端部固定。

4.根据权利要求3所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述电机筒的尾端与勾爪架通过螺纹连接，所述电机筒的尾端中心处设有伸入圆锥滚子轴承组的中空穿线轴，中空穿线轴上安装有防止其轴向位移的支撑挡圈，所述中空穿线轴的内腔作为通线、通气的通道。

5.根据权利要求4所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述尾部盖板的外侧螺纹连接有通风支撑管，所述肋骨钻杆内壁之间安装有与通风支撑管配合的支撑轴承，所述套筒联轴器的一端与电机筒盖板固定，另一端与取样筒的中空轴套之间安装有防尘深沟球轴承，所述套筒联轴器通过贯穿自身的销钉实现与中心轴的固定，所述尾部盖板、电机筒盖板、通风支撑管、套筒联轴器、防尘深沟球轴承共同构成通风连接组件。

6.根据权利要求5所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述尾部盖板设置在尾部旋转门的外侧且两者之间安装有尾部密封圈，所述头部盖板设置在头部旋转门的外侧且两者之间安装有头部密封圈。

7.根据权利要求6所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述尾部旋转门、头部旋转门需要在三个工作状态下进行相应角度的转动，设定初始装配位置的两个门都在0°位置，观测角度为从取样筒尾部到头部的方向，以逆时针转动为转动正方向；

在初始位置时，尾部旋转门单个槽口圆心分别在90°和135°，取样筒的头部取样口角度为45°到225°；

当开始取样时，控制中心轴转动45°，使尾部旋转门为闭合状态，头部旋转门为全开状态；

当取样结束时，控制中心轴再转动180°，与初始角度相差225°，使头尾两部分的旋转门都是密封状态。

8.根据权利要求7所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述头部钻杆接头安装有煤样切削机构。

9.根据权利要求8所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述尾部旋转门、头部旋转门由铜基石墨自润滑材料制成。

10.根据权利要求9所述的新型井下煤层密闭取芯装置，其特征在于：所述电机筒的内部安装有集成远程控制模块的控制芯片；所述取样筒的内壁上安装有贴片式的温度传感器、湿度传感器、压力传感器；所述电池、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、直流电机均与控制芯片连接，所述控制芯片通过集成的远程控制模块与远程后端进行无线通信。

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