CN209485791U - 一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，包括钻头、钻杆、取样装置以及钻机；钻杆与钻头之间、钻杆与钻杆之间采用螺纹、插销联结，以保证联结的精密性与可靠度；取样装置内部设置有转动联结器，转动联结器的一端与钻杆连接，另一端连接有转轴，转轴与转动联结器通过密封轴承密封在取样装置内部；转轴转动带动转动联结器，并将动力继续向前传给联轴器与前方的钻杆，并带动钻头钻进。取样装置内部设置马达，马达利用压缩气体驱动，通过传动轴带动泵，实现负压取样；取样装置上设置液氮注入孔，钻进过程中注入微量液氮至钻头，实现低温取样。本实用新型有效提高了取样纯度，降低了煤钻屑高温氧化及高温解吸瓦斯的速率，使测定更准确。

Description

一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置

技术领域

本实用新型涉及煤层瓦斯含量测定技术领域，更具体的说是涉及一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置。

背景技术

我国是一个煤炭资源大国，同时也是煤炭生产及消费大国，煤炭在一次能源生产和消费中比重分别占77%和66%。随着煤炭资源的开采，浅部资源逐渐枯竭，逐渐加大向深部开采的力度。深部开采煤层瓦斯含量大、瓦斯涌出量随之急剧增大，瓦斯超限、煤与瓦斯突出等现象严重。

煤层瓦斯含量是矿井瓦斯灾害防治、煤层瓦斯预抽效果评估、煤层气资源评价和开发等相关领域的重要参数。结合我国实际情况修订并实施的《煤层瓦斯含量井下直接方法》，依据最新国家标准，煤矿井下煤层瓦斯含量测定必须采用取芯法或其他验证有效的定点取样方法，并要求在5分钟之内完成取样。同年，《防治煤与瓦斯突出规定》颁布实施，指出煤层瓦斯是煤与瓦斯突出危险性预测、区域瓦斯防治效果检验的关键指标之一。

目前，煤层瓦斯含量直接测定方法主要采用解吸法，主要由三大步骤，第一步是在新暴露的煤壁、石门或者岩石巷道打钻采集煤样；第二步是煤样的解吸瓦斯量测定；第三步是实验室残存瓦斯含量测定。目前二、三步理论成熟，可忽略对瓦斯含量测定值的影响。由于第一步涉及定点取样方式及瓦斯损失量的计算，是瓦斯含量测定值误差的主要来源。现有的井下常用的取样方式是取芯法取样以及钻孔口接样法的定点取样。

现有技术一的技术方案：

取芯管法：在取样钻孔施工完毕后快速退出钻具并将取芯管送至孔底钻进取芯，取样时依靠取芯管与煤层的摩擦钻进完成取样，取样完成后退出钻杆并取出煤样装入特质的煤罐内。该方法可以真正做到定点取样，然而存在以下4点弊端:①取样耗时远大于对取样用时不超过5 min 的规定;②所取煤样一端长时间暴露，煤芯管与煤层摩擦生热会引起煤样温度升高产生变质、加速煤样瓦斯解吸的问题;③钻孔施工完毕至煤芯管送至孔底的时间段内，孔底目标煤样段瓦斯已开始逸散，而此时的瓦斯逸散量并未考虑到所取煤样的瓦斯损失量中;④松软煤层中钻孔稳定性差，煤芯管取样法在松软煤层中的应用性较差。

孔口取样法：

孔口接样法的过程为，施工钻孔至设计位置后，风流经钻杆内部压入孔底并携带钻头脱落的煤屑运至孔口，采用特质的煤样罐接收一定量的钻进时排出的煤屑，并迅速拧紧连接解吸仪进行现场解吸。该方法操作简单、取样迅速，下向钻孔取样易引起取样不畅；然而，孔口接样的最大的缺陷在于所取得的煤样纯度不高，“混样”现象严重。

煤矿井下常用的钻杆主要有光面钻杆、螺旋钻杆和三棱钻杆，其中光面钻杆主要应用在硬煤层;螺旋钻杆和三棱钻杆主要应用于松软煤层。采用井下高压水流作为排渣动力时，水流与较细的煤屑接触面积较大易产生煤泥缠绕在钻杆及孔壁，排渣通道减小直至发生钻进事故，因此目前主要采用风力排渣。

由在取样时，钻杆的转动使煤屑处在上升-下降-滞留的循环中，部分煤屑滞留孔内随着新鲜煤屑流出，因此孔口所接煤样同样包含有暴露时间未知的煤样，即所取煤样纯度低，无法真正做到定点取样。

螺旋钻杆取样依靠焊接在钻杆外壁上的螺旋片随着钻杆的转动形成螺旋运动轨迹并在钻杆内部接入井下压风，形成机械、流体排渣的共同体。也存在煤屑滞留孔内且钻杆刮下孔壁煤屑现象。该种取样方式同样存在取样纯度低、无法真正定点取样等缺陷。

现有技术的缺点：

目前，现有两种常用煤层瓦斯含量测定取样方式均存在一定的弊端。总结如下：

对于煤芯管取样，主要存在①取样耗时远大于对取样用时不超过5 min 的规定;②所取煤样一端长时间暴露，煤芯管与煤层摩擦生热会引起煤样温度升高产生变质、加速煤样瓦斯解吸的问题;③钻孔施工完毕至煤芯管送至孔底的时间段内，孔底目标煤样段瓦斯已开始逸散，而此时的瓦斯逸散量并未考虑到所取煤样的瓦斯损失量中;④松软煤层中钻孔稳定性差，煤芯管取样法在松软煤层中的应用性较差。

对于孔口接样法，主要依靠风力、或者螺旋钻杆排煤样至孔口，这两种方法最大的弊端是取样位置不确定，“混样”严重。在取样过程中，钻机快速的转动、抖动，造成取样钻杆不停的冲击孔壁和孔口，一部分煤样来自孔壁或孔口；另外一部分煤样，来源于钻孔内部未排尽的煤渣。由于取样前钻孔内部本来有煤渣，很难将其全部排尽然后取固定深度的煤样，所以，所取煤样有一部分是前期未排尽的煤渣。

因此，如何提供一种操作安全，实现定点、低温、负压取样，保证取样的纯度，降低了取样温度同时降低了煤体解吸瓦斯速率和煤体氧化速率，提高煤层瓦斯含量测试的准确性等特点的负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种一种具有精准定点取样、取样纯度高、有效提高煤层瓦斯含量测试准确性等特点的负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，该装置主要包括：钻头、钻杆、取样装置以及钻机；其中，钻杆与钻头之间、钻杆与钻杆之间采用螺纹、插销联结，以保证联结的精密性与可靠度；所述取样装置内部设置有转动联结器，所述转动联结器的一端与钻杆连接，另一端连接有转轴，所述转轴与转动联结器通过密封轴承密封在取样装置内部；所述钻机输出的旋转动力通过联轴器输入给取样器主体内部的转轴，所述转轴转动带动转动联结器，并将动力继续向前传给联轴器与前方的钻杆，并带动钻头钻进；其特征在于，还包括：在所述取样装置的上端设置有一液氮注入孔和压缩气体接入口；压缩空气通过压缩气体接入口进入，驱动取样装置内部的马达，马达通过传动轴将动力传给泵吸负压***，实现负压取样；取样装置上设置的液氮注入孔，在钻进过程中注入微量液氮至钻头，实现低温取样。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，所述钻头采用高强度、高硬度的合金钢材料。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，所述钻杆2为麻花螺杆，采用不锈钢材质，空芯，外部螺旋形状，每节钻杆长度为1.5m。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，所述钻杆前端设置四个取样窗口，其为长度为3cm、宽度为2cm的正方形取样口；在所述取样窗口上配设有取样开关，需要取样时打开取样窗口，保证所取样品能够顺着钻杆被泵吸负压***吸至煤样取样口。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，所述煤样取样口上连接有用于漏掉小于2mm煤粉的取样筛孔。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，所述压缩气体接入口上安装有二通转向阀门，旋拧所述二通转向阀门使压缩空气与马达接通。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，在所述取样装置和钻机下端均安装有支脚。

优选的，在上述一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置中，所述取样装置可接入钻机、钻杆中部；或者单独取下，只使用钻机、钻杆向前钻进。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型主要用于测定煤层瓦斯含量时的精准定点取样、低温取样，有效的提高了取样的纯度，降低了煤钻屑高温氧化速率以及高温下解吸瓦斯的速率，使煤层瓦斯含量测定更准确，为矿井瓦斯防治提供了更加可靠的科学依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1 附图为本实用新型的结构示意图。

图2 附图为本实用新型的取样装置主体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种具有精准定点取样、取样纯度高、有效提高煤层瓦斯含量测试准确性等特点的负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置。

请参阅附图1、附图2，为本实用新型公开的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，具体包括：

钻头1、钻杆2、取样装置3以及钻机4；其中，钻杆2与钻头1之间、钻杆2与钻杆2之间采用螺纹、插销联结，以保证联结的精密性与可靠度；所述取样装置3内部设置有转动联结器31，所述转动联结器31的一端与钻杆2连接，另一端连接有转轴32，所述转轴32与转动联结器31通过密封轴承33密封在取样装置3内部；钻机4输出的旋转动力通过联轴器311输入给取样器主体3内部的转轴32，所述转轴32转动带动转动联结器31，并将动力继续向前传给联轴器311与前方的钻杆2，并带动钻头1钻进；其特征在于，还包括：在所述取样装置3的上端设置有一液氮注入孔34和压缩气体接入口35；压缩空气通过压缩气体接入口35进入，传递给取样装置3内部的马达36，马达36通过传动轴37将动力传给泵吸负压***38，压缩空气通过压缩气体接入口35进入，驱动取样装置3内部的马达36，马达36通过传动轴37将动力传给泵吸负压***38，实现负压取样；取样装置3上设置的液氮注入孔34，在钻进过程中注入微量液氮至钻头，实现低温取样；在钻进时，液氮通过液氮注入口34微量注入，液氮顺着空芯钻杆2到达钻头部位，给钻头冷却降温。

本实用新型公开的一种负压低温煤层瓦斯含量测定装置，用以实现煤层瓦斯含量测定过程中的精准定点、低温取样，主要包括以下以下方面：

1、精准定点取样：在钻进的过程中，通过麻花钻杆排渣、风力排渣相结合，排尽孔内煤钻屑；

2、低温取样：在钻进过程中，通过注入微量液氮，顺着空芯钻杆，给钻头降温；

3、负压取样：钻机钻进至预定深度时，利用马达***带动泵吸***，产生的气流携带煤钻屑从空芯钻杆内部至取样装置主体，提高了取样的纯度；

本套装置是一体化设备，特别是取样装置主体，同时实现了注入液氮降温功能、钻进过程风流吹出煤钻屑功能、取样过程的钻杆中心负压取样功能，有效的提高了煤层瓦斯含量测试的准确性。

为了进一步优化上述技术方案，所述钻头1采用高强度、高硬度的合金钢材料。

为了进一步优化上述技术方案，所述钻杆2为麻花螺杆，采用不锈钢材质，空芯，外部螺旋形状，每节钻杆长度为1.5m。

为了进一步优化上述技术方案，所述钻杆2前端设置四个取样窗口21，其为长度为3cm、宽度为2cm的正方形取样口；在所述取样窗口21上配设有取样开关22，需要取样时打开取样窗口21，保证所取样品能够顺着钻杆2被泵吸负压***38吸至煤样取样口23。

为了进一步优化上述技术方案，所述煤样取样口23上连接有用于漏掉小于2mm煤粉的取样筛孔24。

为了进一步优化上述技术方案，所述压缩气体接入口35上安装有二通转向阀门39，旋拧所述二通转向阀门39使压缩空气与马达26接通。

为了进一步优化上述技术方案，在所述取样装置3和钻机4下端均安装有支脚5。

为了进一步优化上述技术方案，所述取样装置3可接入钻机1、钻杆2中部；或者单独取下，只使用钻机1、钻杆2向前钻进，即联轴器311为快速接口。

为了进一步优化上述技术方案，具体实施例为：

（1）选择打钻位置，主要是煤层比较完整，没有煤层夹矸处为钻进准确位置；

（2）按照以下顺序：钻头、钻杆、取样装置主体、钻机安装整套钻进取样装置；为钻机接通井下压缩空气气源（动力）；为取样装置主体接通压缩气源，且调节二通转向阀，使压缩空气从钻杆内部流向钻头部位；

（3）打开井下压缩空气气源，开始打钻；为取样装置主体打开压缩气源，煤粉顺着麻花钻杆外部，借助麻花钻杆螺旋力、压缩气体携带力，从孔口排出；同时从取样装置主体的液氮注入孔入微量液氮，液氮顺着风流从钻杆内部携带至钻头，起到给钻头降温的目的；

（4）当第一根钻杆完全进入煤体后，关闭钻机气源，关闭取样装置主体气源，停止注入微量液氮；从联轴器处，拔掉取样装置主体与钻机部分，新接入1.5m麻花钻杆一根。再次打开气源、液氮注入，继续钻进；

（5）重复上述步骤（4）的过程，直至钻进至预定深度（一般取样深度15m）；

（6）空转钻杆、继续使用压缩空气将孔内的煤钻屑全部排出孔内；

（7）旋拧二通转向阀，使压缩空气与马达***接通；钻机继续向前钻进；此时，马达***带动泵吸负压***，泵体开始转动产生负压，负压促使气流从钻头处流向取样装置主体；钻头打落的煤钻屑通过钻杆前端取样窗口，被大量气流顺着空芯钻杆内部携带至转动联结器处，被泵带至取样口，小于2mm的煤粉通过取样筛孔过滤掉；

用煤层瓦斯含量取样装备，在取样口处接取煤钻屑，直至取样完成。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，该装置主要包括：钻头、钻杆、取样装置以及钻机；其中，钻杆与钻头之间、钻杆与钻杆之间采用螺纹、插销联结，以保证联结的精密性与可靠度；所述取样装置内部设置有转动联结器，所述转动联结器的一端与钻杆连接，另一端连接有转轴，所述转轴与转动联结器通过密封轴承密封在取样装置内部；所述钻机输出的旋转动力通过联轴器输入给取样器主体内部的转轴，所述转轴转动带动转动联结器，并将动力继续向前传给联轴器与前方的钻杆，并带动钻头钻进；其特征在于，还包括：在所述取样装置的上端设置有一液氮注入孔和压缩气体接入口；压缩空气通过压缩气体接入口进入，驱动取样装置内部的马达，马达通过传动轴将动力传给泵吸负压***，实现负压取样；取样装置上设置的液氮注入孔，在钻进过程中注入微量液氮至钻头，实现低温取样。

2.根据权利要求1所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，所述钻头采用高强度、高硬度的合金钢材料。

3.根据权利要求2所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，所述钻杆2为麻花螺杆，采用不锈钢材质，空芯，外部螺旋形状，每节钻杆长度为1.5m。

4.根据权利要求3所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，所述钻杆前端设置四个取样窗口，其为长度为3cm、宽度为2cm的正方形取样口；在所述取样窗口上配设有取样开关，需要取样时打开取样窗口，保证所取样品能够顺着钻杆被泵吸负压***吸至煤样取样口。

5.根据权利要求4所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，所述煤样取样口上连接有用于漏掉小于2mm煤粉的取样筛孔。

6.根据权利要求5所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，所述压缩气体接入口上安装有二通转向阀门，旋拧所述二通转向阀门使压缩空气与马达接通。

7.根据权利要求6所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，在所述取样装置和钻机下端均安装有支脚。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，其特征在于，所述取样装置可接入钻机、钻杆中部；或者单独取下，只使用钻机、钻杆向前钻进。