CN112098145A - 一种消除热效应的钻进取煤样的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除热效应的钻进取煤样的装置，包括取芯钻头、取芯内管、取芯外管、弹性隔热垫圈、密封盖及丝堵，取芯钻头与取芯外管前端面连接，取芯内管嵌于取芯外管内，并通过弹性隔热垫圈与取芯外管后端面相抵，与取芯钻头后端面相抵并连通，取芯内管后端面对应的取芯外管后端面设定位孔，取芯内管后端面设导流孔，定位孔、导流孔与丝堵连接，密封盖包覆在取芯钻头外。其使用方法包括设备预制，钻进定位及取芯作业等三个步骤。本发明一方面可有效防止钻探设备与煤层结构摩擦时产生的热量对煤样造成影响和干扰；另一方面在采样过程中可有效对钻孔内的煤粉及混入到取芯内管内的煤粉进行清理作业，同时，可实现取样后煤芯的快速瓦斯解吸检测作业，并可实现故障零部件的快速更换。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤样取样装置，特别是涉及一种消除热效应的钻进取煤样的装置及取样方法。
背景技术
煤层瓦斯含量是煤矿最重要的基础参数之一，也是煤层气勘探开发不可或缺的基础参数，其测定方法分为直接法和间接法。由于间接法对采样工艺要求严格、测定周期长、累积误差较大，我国煤层瓦斯含量测定主要采用直接法。按照取样方式的不同，直接法可分为钻屑法和取芯管法两类。由于钻屑法取样粉碎煤样，对煤样的破坏性大，造成瓦斯损失量大，测定的煤层瓦斯含量误差较大。而取芯管法通过取芯器直接钻取煤芯，有利于保持所取煤样的完整性并减少取样过程中煤样的瓦斯损失量，故我国标准规定：测定煤层瓦斯含量时首选取芯管取样。但是，使用取芯管取样时，取芯钻头钻取煤样、取芯管管壁摩擦煤壁均会产生大量的热量，热量通过取芯钻头及取芯管管壁传导至煤芯，使得煤芯温度升高甚至发生变质，加速煤样的瓦斯解吸，造成煤样瓦斯损失量较大。
此外，传统的采样设备及方法在进行煤样采集中，一方面极易导致钻孔中散落的煤粉混入到采样设备中，从而对煤样造成污染或干扰，严重影响煤样定点取样；另一方面传统的采样设备在完成煤样采集后，无法快速直接进行井下煤层瓦斯含量测定，从而导致检测精度差、检测作业效率低下。
因此，为了免除取芯管取芯过程热效应对煤样的影响，提高后续瓦斯含量测定作业精度及效率，迫切需要开发一种消除热效应的钻进取煤样的装置及方法，以满足实际使用的需要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种消除热效应的钻进取煤样的装置及方法，以达到准确测定煤层瓦斯含量的需要。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种消除热效应的钻进取煤样的装置，包括取芯钻头、取芯内管、取芯外管、弹性隔热垫圈、密封盖及丝堵，取芯外管和取芯内管均为轴向截面呈“匚”字形管状结构，其中取芯外管前半部分内表面及外表面均设连接螺纹，取芯钻头与取芯外管同轴分布并与取芯外管前端面连接，且取芯钻头后半部分嵌于取芯外管内并通过连接螺纹与取芯外管内表面连接，取芯内管嵌于取芯外管内并与取芯外管同轴分布，取芯内管外侧面与取芯外管内侧面滑动连接，内径与取芯钻头内径一致，且取芯内管后端面通过至少一个弹性隔热垫圈与取芯外管后端面相抵，前端面通过至少一个弹性隔热垫圈与取芯钻头后端面相抵并连通，取芯内管后端面对应的取芯外管后端面设定位孔，取芯内管后端面设导流孔，导流孔与取芯内管同轴分布并连通，定位孔、导流孔内表面设连接螺纹并通过连接螺纹与丝堵连接，丝堵前端面嵌于导流孔内，后端面位于取芯外管后端面外至少5毫米，密封盖为轴向截面呈“匚”字形槽状结构，包覆在取芯钻头外并通过连接螺纹与取芯钻头外表面连接。
进一步的，所述的取芯内管后端面采用嵌于取芯外管内及通过定位孔伸出取芯外管后端面外侧两种结构中的任意一种。
进一步的，所述的取芯内管与取芯外管间，取芯内管后端面采用通过定位孔伸出取芯外管后端面两种结构时，取芯内管后端面设定位块，所述定位块与取芯内管后端面连接并同轴分布，所述定位块外径与定位孔内径一致，并为取芯内管内径的10%—50%，所述定位块为横断面呈正多边形柱状结构，嵌于定位孔内并与定位孔孔壁滑动连接，所述导流孔嵌于定位块内并与定位块同轴分布，所述导流孔一端与取芯内管连通，另一端内表面设连接螺纹并通过连接螺纹与丝堵连接。
进一步的，所述的定位孔孔壁上设至少两条连接滑槽，所述连接滑槽与定位孔轴线平行分布并环绕定位孔轴线均布，且所述定位孔通过连接滑槽与定位块外表面滑动连接。
进一步的，所述的弹性隔热垫圈为闭合环状结构，宽度为5—20毫米，所述弹性隔热垫圈前端面及后端面均设限位槽，弹性隔热垫圈横断面通过限位槽横构成“工”字形及“T”字形结构中的任意一种，并通过限位槽包覆在取芯钻头后端面及取芯内管前端面和后端面外。
进一步的，所述的限位槽内设压紧弹簧，所述压紧弹簧嵌于限位槽内，为与弹性隔热垫圈同轴分布的柱状结构，所述压紧弹簧后端面与限位槽槽底连接，前端面超出弹性隔热垫圈侧表面0—10毫米。
进一步的，所述的取芯内管为氮化硼以及碳化硅陶瓷中任意一种或两种共用为基础的气凝胶材料，且取芯内管长度不小于取芯外管长度80%。
进一步的，所述的密封盖包括承载基体、弹性密封环、弹性垫圈、封堵盖，所述承载基体为轴向截面呈“匚”字形结构，所述弹性密封环和弹性垫圈为与承载基体同轴分布的闭合环状结构，弹性密封环至少一个，嵌于承载基体侧壁内表面并沿承载基体轴线方向均布，所述弹性垫圈嵌于承载基体内并与承载基体槽底连接，所述承载基体上设至少两个检测孔，所述检测孔环绕承载基体轴线均布并与承载基体轴线平行分布，所述检测孔与承载基体轴线间间距为取芯内管半径的10%—80%，所述检测孔另与封堵盖连接，且封堵盖超出承载基体前端面至少5毫米。
一种消除热效应的钻进取煤样的装置的使用方法，包括以下步骤：
S1，设备预制，首先对构成本发明的取芯钻头、取芯内管、取芯外管、弹性隔热垫圈等组装，即可完成本发明预制备用；
S2，钻进定位，完成S1步骤后，首先通过传统钻孔设备进行预设钻孔钻进作业，并在钻孔深度达到取样预设位置时，退出钻杆并取下传统钻头，然后将钻杆前端面与本发明取芯外管后端面连通并推进本发明，同时将外部高压介质通过取芯内管的导流孔输送至本发明的取芯内管中，使高压介质沿取芯内管轴线从后至前流动并从取芯内管前端面排出，通过高压介质对取芯内管内部及本发明前端面对应的钻孔底部进行清理作业，直至本发明取芯钻头前端面到达取样位置处；
S3，取芯作业，完成S2步骤后，首先停止向取芯内管中通入高压介质，然后驱动本发明对煤层进行钻进取样作业，并在完成钻进取样后将本发明沿钻孔轴线方向退出，并在本发明前端面从钻孔中退出后，通过密封盖对本发明的取芯钻头前端面进行封堵作业，最后将本发明与外部钻杆设备和高压介质源设备分离，并通过丝堵对取芯内管后的导流孔封堵密封，与密封盖一同对取芯内管中煤样密封，从而完成煤样取样作业及密封保存。
进一步的，所述的S2步骤中，外部高压介质源提供的高压介质为高压水，且高压介质压力不小于取芯外管受到的进给作用力的1.5倍。
进一步的，所述的S3步骤中，完成煤样取芯作业后，将获取的煤样，直接通过本发明密封盖上的检测孔与外部的瓦斯解吸测定仪连通，即可进行瓦斯解吸测定工作并对测定结果进行统计记录。
本发明一方面采样作业效率高，并可在采样过程中有效防止钻探设备钻取煤样时产生的热量对煤样造成影响和干扰，并可实现对采样后的煤样直接用于后续解吸检测作业、实现取芯-解吸一体化，从而有效降低采样过程中煤样的瓦斯损失量，极大的提高后续煤层瓦斯含量测定的精度和可靠性；另一方面在采样过程中可有效对钻孔内的煤粉及混入到取芯内管内的煤粉进行清理，防止钻孔其他位置煤粉混入到所需采集煤样中而造成干扰，同时还可实现故障零部件快速更换，从而极大的提高了本发明使用的灵活性、采样精确性、通用性、稳定性及故障排除率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明取芯内管后端面位于取芯外管内部时结构示意图；
图2为本发明取芯内管后端面位于取芯外管外侧时结构示意图；
图3为弹性隔热垫圈一种结构示意图；
图4为弹性隔热垫圈另一种结构示意图；
图5为定位孔结构示意图；
图6为本发明方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1—5所示，一种消除热效应的钻进取煤样的装置，包括取芯钻头1、取芯内管2、取芯外管3、弹性隔热垫圈4、密封盖5及丝堵6，取芯外管3和取芯内管2均为轴向截面呈“匚”字形管状结构，其中取芯外管3前半部分内表面及外表面均设连接螺纹7，取芯钻头1与取芯外管3同轴分布并与取芯外管3前端面连接，且取芯钻头1后半部分嵌于取芯外管3内并通过连接螺纹7与取芯外管3内表连接，取芯内管2嵌于取芯外管3内并与取芯外管3同轴分布，取芯内管2外侧面与取芯外管3内侧面滑动连接，内径与取芯钻头1内径一致，且取芯内管2后端面通过至少一个弹性隔热垫圈4与取芯外管3后端面相抵，前端面通过至少一个弹性隔热垫圈4与取芯钻头1后端面相抵并连通，取芯内管2后端面对应的取芯外管3后端面设定位孔8，取芯内管2后端面设导流孔9，导流孔9与取芯内管2同轴分布并连通，定位孔8、导流孔9内表面设连接螺纹7并通过连接螺纹7与丝堵6连接，丝堵6前端面嵌于导流孔9内，后端面位于取芯外管2后端面外至少5毫米，密封盖6为轴向截面呈“匚”字形槽状结构，包覆在取芯钻头1外并通过连接螺纹7与取芯钻头1外表面连接。
本实施例中，所述的取芯内管2后端面采用嵌于取芯外管2内及通过定位孔8伸出取芯外管2后端面外侧两种结构中的任意一种。
进一步的，所述的取芯内管与取芯外管间，取芯内管后端面采用通过定位孔伸出取芯外管后端面时，所述的取芯内管2后端面设定位块10，所述定位块10与取芯内管2后端面连接并同轴分布，所述定位块10外径与定位孔8内径一致，并为取芯内管2内径的10%—50%，所述定位块10为横断面呈正多边形柱状结构，嵌于定位孔8内并与定位孔8孔壁滑动连接，所述导流孔9嵌于定位块10内并与定位块10同轴分布，所述导流孔9一端与取芯内管2连通，另一端内表面设连接螺纹7并通过连接螺纹7与丝堵6连接。
进一步优化的，所述的定位孔8孔壁上设至少两条连接滑槽11，所述连接滑槽11与定位孔8轴线平行分布并环绕定位孔8轴线均布，且所述定位孔8通过连接滑槽11与定位块10外表面滑动连接。
本实施例中，所述的弹性隔热垫圈4为闭合环状结构，宽度为5—20毫米，所述弹性隔热垫圈4前端面及后端面均设限位槽12，弹性隔热垫圈4横断面通过限位槽12横构成“工”字形及“T”字形结构中的任意一种，并通过限位槽12包覆在取芯钻头1后端面及取芯内管2前端面和后端面外。
进一步优化的，所述的限位槽12内设压紧弹簧13，所述压紧弹簧13嵌于限位槽12内，为与弹性隔热垫圈4同轴分布的柱状结构，所述压紧弹簧13后端面与限位槽12槽底连接，前端面超出弹性隔热垫圈4侧表面0—10毫米。
本实施例中，所述的取芯内管2为氮化硼以及碳化硅陶瓷中任意一种或两种共用为基础的气凝胶材料，且取芯内管2长度不小于取芯外管3长度80%。
需要特别说明的，所述的密封盖5包括承载基体51、弹性密封环52、弹性垫圈53、封堵盖54，所述承载基体51为轴向截面呈“匚”字形结构，所述弹性密封环52和弹性垫圈53为与承载基体51同轴分布的闭合环状结构，弹性密封环52至少一个，嵌于承载基体51侧壁内表面并沿承载基体51轴线方向均布，所述弹性垫圈53嵌于承载基体51内并与承载基体51槽底连接，所述承载基体51上设至少两个检测孔55，所述检测孔55环绕承载基体51轴线均布并与承载基体51轴线平行分布，所述检测孔55与承载基体51轴线间间距为取芯内管2半径的10%—80%，所述检测孔55另与封堵盖54连接，且封堵盖54超出承载基体51前端面至少5毫米。
如图6所示，一种消除热效应的钻进取煤样的装置的使用方法，包括以下步骤：
S1，设备预制，首先对构成本发明的取芯钻头、取芯内管、取芯外管、弹性隔热垫圈等组装，即可完成本发明预制备用；
S2，钻进定位，完成S1步骤后，首先通过传统钻孔设备进行预设钻孔钻进作业，并在钻孔深度达到取样预设位置时，退出钻杆并取下传统钻头，然后将钻杆前端面与本发明取芯外管后端面连通并推进本发明，同时将外部高压介质通过取芯内管的导流孔输送至本发明的取芯内管中，使高压介质沿取芯内管轴线从后至前流动并从取芯内管前端面排出，通过高压介质对取芯内管内部及本发明前端面对应的钻孔底部进行清理作业，直至本发明取芯钻头前端面到达取样位置处；
S3，取芯作业，完成S2步骤后，首先停止向取芯内管中通入高压介质，然后驱动本发明对煤层进行钻进取样作业，并在完成钻进取样后将本发明沿钻孔轴线方向退出，并在本发明前端面从钻孔中退出后，通过密封盖对本发明的取芯钻头前端面进行封堵作业，最后将本发明与外部钻杆设备和高压介质源设备分离，并通过丝堵对取芯内管后的导流孔封堵密封，与密封盖一同对取芯内管中煤样密封，从而完成煤样取样作业及密封保存。
本实施例中，所述的S2步骤中，外部高压介质源提供的高压介质为高压水，且高压介质压力不小于取芯外管受到的进给作用力的1.5倍。
同时，所述的S3步骤中，完成煤样取芯作业后，将获取的煤样，直接通过本发明密封盖上的检测孔与外部的瓦斯解吸测定仪连通，即可进行瓦斯解吸测定工作并对测定结果进行统计记录。
本发明在运行中，一方面通过取芯内管、弹性隔热垫圈自身的隔热特性，有效的杜绝了钻进作业时产生的切削热和摩擦热对煤样造成的影响，防止因煤样温度升高造成煤样瓦斯损失量增加；另一方面在完成取样后，通过密封盖及丝堵直接对完成采样后的取芯内管、取芯外管进行封堵，从而有效克服传统取样设备在完成取样后，需要对煤样与采样设备分离后煤样结构受损严重及瓦斯散溢损失严重的缺陷，提高采样后煤样结构、瓦斯含量参数与自然地层中的一致性，从而有效提高后续瓦斯含量测定作业的精度。
此外，本发明在沿钻孔深入到采样位置过程中，通过高压介质对钻孔中塌陷、掉落的杂质进行清理，防止其混入到本发明的取芯内管中而造成煤样污染，影响采样后续检测作业的精度。
本发明一方面采样作业效率高，并可在采样过程中有效防止钻探设备钻取煤样时产生的热量对煤样造成影响和干扰，并可实现对采样后的煤样直接用于后续解吸检测作业、实现取芯-解吸一体化，从而有效降低采样过程中煤样的瓦斯损失量，极大的提高后续煤层瓦斯含量测定的精度和可靠性；另一方面在采样过程中可有效对钻孔内的煤粉及混入到取芯内管内的煤粉进行清理，防止钻孔其他位置煤粉混入到所需采集煤样中而造成干扰，同时还可实现故障零部件快速更换，从而极大的提高了本发明使用的灵活性、采样精确性、通用性、稳定性及故障排除率。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述消除热效应的钻进取煤样的装置包括取芯钻头、取芯内管、取芯外管、弹性隔热垫圈、密封盖及丝堵，所述取芯外管和取芯内管均为轴向截面呈“匚”字形管状结构，其中所述取芯外管前半部分内表面及外表面均设连接螺纹，所述取芯钻头与取芯外管同轴分布并与取芯外管前端面连接，且取芯钻头后半部分嵌于取芯外管内并通过连接螺纹与取芯外管内表面连接，所述取芯内管嵌于取芯外管内并与取芯外管同轴分布，所述取芯内管外侧面与取芯外管内侧面滑动连接，内径与取芯钻头内径一致，且所述取芯内管后端面通过至少一个弹性隔热垫圈与取芯外管后端面相抵，前端面通过至少一个弹性隔热垫圈与取芯钻头后端面相抵并连通，所述取芯内管后端面对应的取芯外管后端面设定位孔，取芯内管后端面设导流孔，且导流孔与取芯内管同轴分布并连通，所述定位孔和导流孔内表面设连接螺纹并通过连接螺纹与丝堵连接，所述丝堵前端面嵌于导流孔内，后端面位于取芯外管后端面外至少5毫米，所述密封盖为轴向截面呈“匚”字形槽状结构，包覆在取芯钻头外并通过连接螺纹与取芯钻头外表面连接。
2.根据权利要求1所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的取芯内管后端面采用嵌于取芯外管内及通过定位孔伸出取芯外管后端面外侧两种结构中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的取芯内管与取芯外管间，取芯内管后端面采用通过定位孔伸出取芯外管后端面两种结构时，取芯内管后端面设定位块，所述定位块与取芯内管后端面连接并同轴分布，所述定位块外径与定位孔内径一致，并为取芯内管内径的10%—50%，所述定位块为横断面呈正多边形柱状结构，嵌于定位孔内并与定位孔孔壁滑动连接，所述导流孔嵌于定位块内并与定位块同轴分布，所述导流孔一端与取芯内管连通，另一端内表面设连接螺纹并通过连接螺纹与丝堵连接。
4.根据权利要求3所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的定位孔孔壁上设至少两条连接滑槽，所述连接滑槽与定位孔轴线平行分布并环绕定位孔轴线均布，且所述定位孔通过连接滑槽与定位块外表面滑动连接。
5.根据权利要求1所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的弹性隔热垫圈为闭合环状结构，宽度为5—20毫米，所述弹性隔热垫圈前端面及后端面均设限位槽，弹性隔热垫圈横断面通过限位槽横构成“工”字形及“T”字形结构中的任意一种，并通过限位槽包覆在取芯钻头后端面及取芯内管前端面和后端面外。
6.根据权利要求5所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的限位槽内设压紧弹簧，所述压紧弹簧嵌于限位槽内，为与弹性隔热垫圈同轴分布的柱状结构，所述压紧弹簧后端面与限位槽槽底连接，前端面超出弹性隔热垫圈侧表面0—10毫米。
7.根据权利要求1所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的取芯内管为氮化硼以及碳化硅陶瓷中任意一种或两种共用为基础的气凝胶材料，且取芯内管长度不小于取芯外管长度80%。
8.根据权利要求1所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置，其特征在于：所述的密封盖包括承载基体、弹性密封环、弹性垫圈、封堵盖，所述承载基体为轴向截面呈“匚”字形结构，所述弹性密封环和弹性垫圈为与承载基体同轴分布的闭合环状结构，弹性密封环至少一个，嵌于承载基体侧壁内表面并沿承载基体轴线方向均布，所述弹性垫圈嵌于承载基体内并与承载基体槽底连接，所述承载基体上设至少两个检测孔，所述检测孔环绕承载基体轴线均布并与承载基体轴线平行分布，所述检测孔与承载基体轴线间间距为取芯内管半径的10%—80%，所述检测孔另与封堵盖连接，且封堵盖超出承载基体前端面至少5毫米。
9.一种消除热效应的钻进取煤样的装置的使用方法，其特征在于：所述的消除热效应的钻进取煤样的装置的使用方法包括以下步骤：
S1，设备预制，首先对构成本发明的取芯钻头、取芯内管、取芯外管、弹性隔热垫圈等组装，即可完成本发明预制备用；
S2，钻进定位，完成S1步骤后，首先通过传统钻孔设备进行预设钻孔钻进作业，并在钻孔深度达到取样预设位置时，退出钻杆并取下传统钻头，然后将钻杆前端面与本发明取芯外管后端面连通并推进本发明，同时将外部高压介质通过取芯内管的导流孔输送至本发明的取芯内管中，使高压介质沿取芯内管轴线从后至前流动并从取芯内管前端面排出，通过高压介质对取芯内管内部及本发明前端面对应的钻孔底部进行清理作业，直至本发明取芯钻头前端面到达取样位置处；
S3，取芯作业，完成S2步骤后，首先停止向取芯内管中通入高压介质，然后驱动本发明对煤层进行钻进取样作业，并在完成钻进取样后将本发明沿钻孔轴线方向退出，并在本发明前端面从钻孔中退出后，通过密封盖对本发明的取芯钻头前端面进行封堵作业，最后将本发明与外部钻杆设备和高压介质源设备分离，并通过丝堵对取芯内管后的导流孔封堵密封，与密封盖一同对取芯内管中煤样密封，从而完成煤样取样作业及密封保存。
10.根据权利要求1所述的一种消除热效应的钻进取煤样的装置的使用方法，其特征在于：所述的S2步骤中，外部高压介质源提供的高压介质为高压水，且高压介质压力不小于取芯外管受到的进给作用力的1.5倍。
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