CN109470509A - 一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，包括钻杆接头、收集筒和取样筒，钻杆接头的右端套接有端盖，端盖的右端套接有收集筒，收集筒与导向密封套套接，导向密封套内滑动套接有取样筒，导向密封套的内壁和取样筒的外壁开键槽，且键槽之间通过导向键滑动连接钻杆接头、收集筒和取样筒，取样筒的右端螺纹连接有钻头，钻头包括内部设有空腔的钻头体及设置在钻头体内的中空环形喷射器，钻头体一端由内至外分别设有内层、中层及外层切削刀头。本发明最大程度的保证瓦斯含量的真实性，操作过程简单，可在松软突出煤层中快速、准确的进行取样，节省了取样时间、提高了取样深度及煤矿取样工作效率和安全性，降低了瓦斯灾害事故的发生率。

Description

一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置

技术领域

本发明涉及煤矿井下瓦斯含量测定技术领域，具体为一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置。

背景技术

煤层瓦斯含量是瓦斯治理和防治及煤层气评价和开发等相关领域的重要参数之一，同时瓦斯含量测定一直是瓦斯预测和瓦斯治理领域的国际性难题。至今没有突破的主要原因有两点：第一、煤样不能保证定点采集，第二、瓦斯损失量无法做到准确计算。瓦斯含量要准确测定就必须同时满足以上两点要求。

目前，国内外很多专家把瓦斯含量测定的重点放在了损失量计算上，建立了不同的模型来模拟瓦斯吸附和解析过程，从而得出了一系列的计算公式来计算瓦斯含量在测定中的损失量；由于瓦斯的吸附、解析是一个化学、物理和复杂环境条件等共同作用的过程，然而这些模型都是在实验室中建立的，条件单一、模型简单等因素导致不可能完全符合煤层瓦斯实际解析情况。因此，至今没有一个人或一种设备可以准确地测定瓦斯含量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，包括钻杆接头、收集筒和取样筒，所述钻杆接头的右端套接有端盖，所述端盖的右端套接有收集筒，且所述端盖轴心处开有通孔，所述通孔内安装有稳压接头，所述收集筒远离端盖的一端与导向密封套套接，且所述导向密封套内滑动套接有取样筒，所述导向密封套的内壁和取样筒的外壁分别开有一个键槽，且两个键槽之间通过导向键滑动连接，所述取样筒的左端周向开有让位槽，且让位槽位于导向键的一侧，所述让位槽外套接弹簧，且所述弹簧安装在导向密封套与取样筒之间，所述导向密封套的左端开有采集孔，所述采集孔内活动设有密封堵头，所述取样筒的右端螺纹连接有钻头，所述钻头包括内部设有空腔的钻头体及设置在钻头体内的中空环形喷射器，所述钻头体一端由内至外分别设有内层、中层及外层切削刀头，所述内层切削刀头处设有取样口，所述中层及外层切削刀头间设有用于排渣的间隙槽，所述环形喷射器固定设置在钻头体的空腔内并与钻头体内壁间形成环形内腔，所述取样口与中空环形喷射器相连通，所述钻头体上对应设有喷射孔，所述喷射孔与环形内腔相连通，所述密封堵头通过连接机构与取样筒固定连接，所述取样筒的右端端面开有进样孔，所述端盖、收集筒、导向密封套和取样筒均为中空结构，且端盖、收集筒、采集孔、导向密封套、取样筒和进样孔之间依次连通，所述收集筒的内部设有滤芯，且所述滤芯的一端伸入到端盖轴心处开有的通孔中，并与稳压接头连接。

进一步的，所述环形喷射器包括相互连接的第一管体与第二管体，所述第一管体一端设有进料口，另一端设有回风喷射孔；所述第二管体一端设有回风腔，另一端设有出料口，所述第一管体的进料口与所述取样口相通，所述回风腔与回风喷射孔相通。

进一步的，所述内层、中层及外层切削刀头依次由低向高设置，形成内凹型的切削侧壁。

进一步的，所述外层切削刀头为4-6个，中层切削刀头为3-4个，内层切削刀头为2-3个，各层切削刀头均匀布置。

进一步的，所述喷射孔的中心轴线与钻头体钻进方向间的夹角为5°～60°，且与外层切削刀头的切削面间夹角为30°～80°。

进一步的，所述取样筒上的键槽尺寸与导向键相匹配，所述键槽与让位槽连通，且所述弹簧的一端与导向键连接，另一端与导向密封套的内壁端部连接。

进一步的，所述采集孔和密封堵头均为楔形，且之间相互匹配，所述密封堵头采用聚四氟乙烯材料。

进一步的，所述连接机构为螺纹杆。

进一步的，所述取样筒的右端端面轴心处设有安装孔，所述螺纹杆一端通过螺栓与密封堵头连接，另一端通过螺栓与安装孔连接。

进一步的，所述取样筒和导向密封套之间设有骨架油封。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过钻杆接头与钻机连接，实现设备旋转取样，并且通过弹簧、密封堵头、导向键、键槽的配合可以保证取样后的密封性，最大程度的保证瓦斯含量的真实性；设置有滤芯，可以方便瓦斯样品的收取检测，设计巧妙，制作工艺简单，可以方便的携带和安装，并且对样品的采集具有良好的密封保存效果；钻头设置有喷射孔，利用压缩空气使煤屑压入取样口，达到快速、准确的进行取样，可显著节省取样时间、提高取样深度、提高煤矿取样工作效率和安全性，降低瓦斯灾害事故；钻头通过设置环形喷射器，取样过程中产生抽吸效果，可以提高取样速度；钻头通过设置三层高度依次降低的切削刀头，使外层切削刀头能够对钻孔底部孔壁有支撑作用，防止孔壁突然塌陷大量煤屑堵塞钻头前端取样口，外层切削刀头内圈凹槽为切削下的煤屑提供固定的容纳空间，在中层和内层切削刀头的共同作用下，将煤屑继续破坏为粒径均一、符合取样粒径要求、易于气力输送的合格样品钻屑，能够保证取样过程中稳定、持续、粒径均一的钻屑供应量；钻头通过设置喷射孔和环形喷射器后，该钻头对松软突出煤层的取样深度可以达到100米以上，取样速度能够提高到500g/min，取样时间减少到2分钟左右。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的未工作状态下的部分剖视图；

图2为本发明的导向密封套的剖视图；

图3为本发明图1的A-A面剖视图；

图4为本发明的钻头的结构示意图；

图5为本发明的环形喷射器的结构示意图；

图6为本发明的取样筒的剖视图；

图7为本发明取样工作时的部分剖视图。

图中：1、钻杆接头，2、收集筒，3、取样筒，4、端盖，5、稳压接头，6、导向密封套，7、键槽，8、导向键，9、让位槽，10、弹簧，11、采集孔，12、密封堵头，13、三翼刮刀钻头，14、进样孔，15、滤芯，16、螺纹杆，17、安装孔，18、骨架油封，131、钻头体，132、中空环形喷射器，133、内层切削刀头， 134、中层切削刀头，135、外层切削刀头，136、取样口，137、间隙槽，138、内腔，139、喷射孔，1321、第一管体，1322、第二管体，1323、进料口，1324、回风喷射孔，1325、回风腔，1326、出料口。

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。

请参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，，包括钻杆接头1、收集筒2和取样筒3，所述钻杆接头1的右端套接有端盖4，钻杆接头1方便与钻机连接实现转动，所述端盖4的右端套接有收集筒2，端盖4和收集筒2直接套接方便拆卸清理，并且收集筒2用于收集煤层的采集样品，且所述端盖4轴心处开有通孔，所述通孔内安装有稳压接头5，用于释放样品中的瓦斯气体以便进行采集和分析，所述收集筒2远离端盖4的一端与导向密封套6套接，且所述导向密封套6内滑动套接有取样筒3，所述导向密封套6的内壁和取样筒3的外壁分别开有一个键槽7，所述密封套6上的键槽7的长度大于导向键8，可以实现相对滑动，且两个键槽7之间通过导向键8滑动连接，通过导向键8的作用使取样筒3可旋转从而进行采样，所述取样筒3的左端周向开有让位槽9，且让位槽9位于导向键8的一侧，所述让位槽9外套接弹簧 10，且所述弹簧10安装在导向密封套6与取样筒3之间，弹簧10的设置实现了取样结束后的自封效果，防止瓦斯气体泄漏造成采样不准，所述导向密封套6 的左端开有采集孔11，所述采集孔11内活动设有密封堵头12，密封堵头12实现收集筒2内空间开放和密封，所述取样筒3的右端螺纹连接有钻头13，用于对煤矿煤层的采样和进样，钻头13包括内部设有空腔的钻头体131及设置在钻头体131内的中空环形喷射器132，所述钻头体131一端由内至外分别设有内层 133、中层134及外层切削刀头135，所述内层切削刀头133处设有取样口136，所述中层134及外层切削刀头135间设有用于排渣的间隙槽137，所述环形喷射器132固定设置在钻头体131的空腔内并与钻头体131内壁间形成环形内腔138，所述取样口136与中空环形喷射器132相连通，所述钻头体131上对应设有喷射孔139，所述喷射孔139与环形内腔138相连通，所述密封堵头12通过连接机构与取样筒3固定连接，实现自封作用，所述取样筒3的右端端面开有进样孔 14，使煤层样品可以进入到本装置中，所述端盖4、收集筒2、导向密封套6和取样筒3均为中空结构，且端盖4、收集筒2、采集孔11、导向密封套6、取样筒3和进样孔14之间依次连通，实现煤层样品的采样和存放，所述收集筒2的内部设有滤芯15，防止在取气体时煤渣飞溅堵塞稳压接头5，且所述滤芯15的一端伸入到端盖4轴心处开有的通孔中，并与稳压接头5连接。

本实施例中，喷射孔139为3个或4个，均布设置在钻头体131上，有利于从喷射孔139喷出的压缩空气均匀作用于取样口136。钻头体131通过外层切削刀头135对钻孔底部孔壁进行支撑，可防止取样过程中孔壁突然塌陷造成大量煤屑堆积在钻头体131前端部位从而堵塞取样口136，为取样过程提供稳定、持续、粒径均一的钻屑量；进而通过喷射孔139喷射出的压缩空气使煤屑压入取样通道。该结构可达到快速、准确、安全取样的目的，能够节省取样时间、提高了取样深度及煤矿取样工作效率和安全性，显著降低了瓦斯灾害事故。

具体的，正常钻进时，钻机带动钻头前进，内层133、中层134及外层切削刀头135共同破碎煤岩，其中外层切削刀头135将孔底钻屑集中在钻头体131 端部中心处，由中层切削刀头134和内层切削刀头133继续破碎，被破碎的钻屑通过中层134及外层切削刀头135间的间隙槽137排出钻头体131，同时，喷射孔139和取样口136喷射压缩空气进行钻进排渣和切削刀头的冷却，利于进一步钻孔的顺利进行。

具体的，取样时，喷射孔139喷射出压缩空气，此时，取样口136不喷射压缩空气而改为抽气状态，从喷射孔139喷出的压缩空气通过间隙槽137进入取样口136实现气流的反循环；此时，在内层133、中层134及外层切削刀头135的破碎力作用下产生的煤屑在喷射孔139所喷出的压缩空气的压送作用及取样口 136的抽吸作用下被送入取样口136内，实现煤层的取样过程。

在本实施例中，环形喷射器132固定设置在钻头体131的空腔内，同时，环形喷射器132外壁与钻头体131内壁间形成了环形内腔138，通过喷射孔139和环形喷射器132的组合可以实现双壁钻杆内气流及固气比的控制，实现煤层的快速取样。结构简单、取样过程快速方便，能够有效防止孔底煤体突然塌陷造成取样口136堵塞。

在本实施例中，环形喷射器132包括相互连接的第一管体1321与第二管体 1322，所述第一管体1321一端设有进料口1323，另一端设有回风喷射孔1324；所述第二管体1322一端设有回风腔1325，另一端设有出料口1326，所述第一管体1321的进料口1323与所述取样口136相通，所述回风腔1325与回风喷射孔 1324相通。

具体的，本实施例中的进料口1323与回风腔1325均为喇叭形的管口，有利于环形喷射器132在取样时可以产生较好抽吸效果，提高取样速度；在取料时，一部分压缩空气经环形内腔138后由喷射孔139喷出，另一部分经回风喷射孔 1324进入喇叭形的回风腔1325，在喷射孔139的反循环作用及回风腔1325作用下，环形喷射器132的进料口1323处产生抽吸效果，从而使煤粉通过出料口1326 进入双壁钻杆内管，并输送至孔口，实现快速取样，本实施例可以通过环形喷射器132的回风喷射孔1324调节合理的固气比，实施过程简单，便于控制。

具体的，所述内层133、中层134及外层切削刀头135依次由低向高设置，形成内凹型的切削侧壁。钻进过程中外层切削刀头135将孔底钻屑集中在钻头体 131端部的凹槽处，有利于中层切削刀头134和内层切削刀头133对钻屑的继续破碎。

具体的，所述外层切削刀头135为4-6个，中层切削刀头134为3-4个，内层切削刀头133为2-3个，各层切削刀头均匀布置，具体数量可根据钻头体131 的尺寸规格设置。

具体的，所述喷射孔139的中心轴线与钻头体131钻进方向间的夹角为 5°～60°，且与外层切削刀头135的切削面间夹角为30°～80°。在该角度范围内设置的喷射孔139喷射的压缩空气可达到最优的反循环效果。

在本实施例中，所述取样筒3上的键槽7尺寸与导向键8相匹配，所述键槽 7与让位槽9连通，且所述弹簧10的一端与导向键8连接，另一端与导向密封套6的内壁端部连接，以达到在取样结束后在弹簧10的恢复力作用下，推动导向键8往右移动从而通过连接机构带动密封堵头12对采集孔11进行密封。

在本实施例中，所述采集孔11和密封堵头12均为楔形，且之间相互匹配，所述密封堵头12采用聚四氟乙烯材料，耐磨的同时保证密封，并且具有自润滑作用。

在本实施例中，所述连接机构为螺纹杆16，方便安装和制造。

在本实施例中，所述取样筒3的右端端面轴心处设有安装孔17，所述螺纹杆16一端通过螺栓与密封堵头12连接，另一端通过螺栓与安装孔17连接，实现密封堵头12与取样筒3的联动。

在本实施例中，所述取样筒3和导向密封套6之间设有骨架油封18，保证密封，防止气体逸散。

工作原理：先使用钻机对煤矿进行钻探，当到达需要检测的煤层时，将本装置通过钻杆接头1与钻机进行连接，开启钻机进行作用，本发明进行旋转取样，煤层样品通过三翼刮刀钻头不断被钻取，并通过进样孔14不断进入取样筒 3内部，同时对本装置向煤层方向施加压力，在受力的作用下，由于密封套6上的键槽7较长，所以密封套6向煤层方向移动，所以此时采集孔11与密封堵头 12分离，煤层样品通过采集孔11进入到收集筒2内，进行保留，当取样结束后，停止对本发明施加压力，此时在弹簧10的作用下，会推动导向键8从而使取样筒3移动，然后通过连接机构的作用带动密封堵头12往右移动把采集孔11 密封住，从而实现自封效果，将钻杆接头1取下，打开稳压接头5即可对收集在收集筒2的瓦斯气体进行检测和分析，将端盖4取下即可对收集筒2内的固定样品进行称重等分析。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：包括钻杆接头、收集筒和取样筒，所述钻杆接头的右端套接有端盖，所述端盖的右端套接有收集筒，且所述端盖轴心处开有通孔，所述通孔内安装有稳压接头，所述收集筒远离端盖的一端与导向密封套套接，且所述导向密封套内滑动套接有取样筒，所述导向密封套的内壁和取样筒的外壁分别开有一个键槽，且两个键槽之间通过导向键滑动连接，所述取样筒的左端周向开有让位槽，且让位槽位于导向键的一侧，所述让位槽外套接弹簧，且所述弹簧安装在导向密封套与取样筒之间，所述导向密封套的左端开有采集孔，所述采集孔内活动设有密封堵头，所述取样筒的右端螺纹连接有钻头，所述钻头包括内部设有空腔的钻头体及设置在钻头体内的中空环形喷射器，所述钻头体一端由内至外分别设有内层、中层及外层切削刀头，所述内层切削刀头处设有取样口，所述中层及外层切削刀头间设有用于排渣的间隙槽，所述环形喷射器固定设置在钻头体的空腔内并与钻头体内壁间形成环形内腔，所述取样口与中空环形喷射器相连通，所述钻头体上对应设有喷射孔，所述喷射孔与环形内腔相连通，所述密封堵头通过连接机构与取样筒固定连接，所述取样筒的右端端面开有进样孔，所述端盖、收集筒、导向密封套和取样筒均为中空结构，且端盖、收集筒、采集孔、导向密封套、取样筒和进样孔之间依次连通，所述收集筒的内部设有滤芯，且所述滤芯的一端伸入到端盖轴心处开有的通孔中，并与稳压接头连接。

2.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述环形喷射器包括相互连接的第一管体与第二管体，所述第一管体一端设有进料口，另一端设有回风喷射孔；所述第二管体一端设有回风腔，另一端设有出料口，所述第一管体的进料口与所述取样口相通，所述回风腔与回风喷射孔相通。

3.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述内层、中层及外层切削刀头依次由低向高设置，形成内凹型的切削侧壁。

4.根据权利要求3所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述外层切削刀头为4-6个，中层切削刀头为3-4个，内层切削刀头为2-3个，各层切削刀头均匀布置。

5.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述喷射孔的中心轴线与钻头体钻进方向间的夹角为5°～60°，且与外层切削刀头的切削面间夹角为30°～80°。

6.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述取样筒上的键槽尺寸与导向键相匹配，所述键槽与让位槽连通，且所述弹簧的一端与导向键连接，另一端与导向密封套的内壁端部连接。

7.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述采集孔和密封堵头均为楔形，且之间相互匹配，所述密封堵头采用聚四氟乙烯材料。

8.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述连接机构为螺纹杆。

9.根据权利要求8所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述取样筒的右端端面轴心处设有安装孔，所述螺纹杆一端通过螺栓与密封堵头连接，另一端通过螺栓与安装孔连接。

10.根据权利要求1所述的一种准确测定煤层瓦斯含量的取样装置，其特征在于：所述取样筒和导向密封套之间设有骨架油封。