专利名称：煤层风和水雾联动钻取煤芯机具及其钻取煤芯的方法
技术领域：
本发明涉及煤层风和水雾联动钻取煤芯机具及其钻取煤芯的方法，特别适合于松软煤层的取芯。
背景技术：
瓦斯是一种宝贵的能源资源，但煤与瓦斯突出一直是煤矿安全生产的重大隐患。加强煤层瓦斯抽采力度是防范煤矿瓦斯事故，充分利用能源资源最有效的措施。煤层瓦斯抽采、防范瓦斯事故的前提是充分掌握煤层瓦斯赋存规律，准确测定煤层瓦斯含量。简单、快捷、比较准确地测定煤层瓦斯含量的方法为井下煤层钻孔取芯直接测定法，该测定法的最关键环节是取芯，取芯质量好与坏直接关系到煤层瓦斯含量测定的成功与否和准确程度。煤层取芯成功的三要素为煤芯的完整性、保质性和快速性。但是取芯环节恰恰也是煤层钻孔取芯直接测定煤层瓦斯含量所有环节中最困难的环节，特别是松软煤层顺层钻孔取芯难度更大。目前的顺层钻孔取芯通常采用水作介质或风作介质。
传统的水介质取芯工艺对取芯钻头有很好的冷却作用，不至于在取芯过程中因取芯钻头与煤体摩擦生成的热量使煤芯变质，对煤芯具有很好的保质作用。但是，由于水的密度大，对煤壁的冲刷作用强，并且水对煤体的沾湿作用，使其渗入煤的裂隙或孔隙，降低了胶结作用，其表面张力也加快煤的解体，垮孔程度随之增大。垮孔导致取芯管被埋在取芯钻孔里，使取芯失败或取芯退出时间过长导致测定数据误差大。不能满足“取芯成功三要素”的快速性，同时由于垮孔，取芯深度相应的降低；煤的解体使煤的块度变小，瓦斯解吸规律发生变化也会导致测定结果误差加大，不能够满足取芯成功三要素的完整性。其次，水还封闭了瓦斯的泄出通道，阻碍了瓦斯泄放，并在沾湿过程中从煤体表面置换出瓦斯气体而形成解吸，使瓦斯压力增高，孔壁受到的破碎、抛出作用增大，喷孔也更剧烈，容易导致瓦斯涌出异常，引起瓦斯灾害和煤矿井下大面积断电。
风介质取芯工艺改变了水介质取芯工艺容易垮孔的缺点，煤芯管被埋的机率降低，取芯速度大大提高，取芯深度也大大加深。但是，风介质取芯工艺最大的弱点就是取芯过程中风流对钻头冷却不够充分，取芯过程中摩擦生成的热量容易引起煤芯被烧坏、变质，导致测定结果不准确，甚至引起煤层自燃，导致瓦斯灾害发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，它的取芯钻头冷却良好，取出的煤芯能完整、并保持原始性质。
本发明所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，包括气动钻机、与气动钻机配合连接的钻柄和钻杆、一端连接在钻柄端部的钻尾接头，其特征在于钻尾接头的另一端与水雾化装置的出口端连接，水雾化装置的两进口端分别与压风管和供水管连接；钻杆的前端与取芯管连接。本发明由已有的气动钻机，加上开发的水雾化装置和取芯管构成。
所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，其所述水雾化装置包括雾化室、连接在雾化室一端的压风管接头、连接在雾化室中部的供水管接头和连接在雾化室另一端的风和水雾出口接头；在供水管接头的前端设有喷嘴、中部设有水流控制阀门。
所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，其所述的取芯管包括岩芯管接头、后端与岩芯管接头中部凸台配合连接的外管、固定在外管前端的外切削钻头、后端与岩芯管接头前部配合连接的内管、固定在内管前的内切削钻头，在靠近外管的前端设有四个外侧孔，在靠近内管的前端设有与外侧孔相对应的四个内侧孔，在岩芯管接头设有沿中轴线的风和水雾通道，在风和水雾通道的前端配合连接有堵头，在风和水雾通道的中部设有与外管和内管之间的夹层相通的过孔，在风和水雾通道的后部设有螺纹，钻杆与其配合连接。
本发明的另一个目的是提供一种煤层风和水雾联动钻取煤芯的方法，它能保持水和风介质取芯方法的优点，克服水介质排渣取芯方法和风介质取芯方法的缺点，特别适用于测定松软煤层瓦斯含量的取芯。
本发明所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯的方法，钻取煤芯采用上述的机具，其步骤如下 (1)布孔，在掘进工作面迎头或回采工作面顺槽布置孔径φ108～150mm的空孔作为取芯孔，孔的深度大于20m； (2)管路连接，将煤层风和水雾联动钻取煤芯机具的水雾化装置的压风管接头通过压风管与井下或地面空气压缩机的风包连接，空气压缩机提供压风的压力约0.3～0.6MPa，形成风流量约3～4m3/min的主循环介质流，进入雾化室； 水雾化装置的供水管接头通过供水管与地面水池相通，提供水压要求高于风压0.1MPa以上； 水雾化装置5的风和水雾出口接头与气动钻机1的钻柄2端部的钻尾接头连接；钻杆的前端与取芯管连接； (3)钻取煤芯，首先打开压风开关，再打开水压开关，调节水流控制阀门使水流量控制在4×10-4～9×10-4m3/min，水流通过供水管接头的前端的喷嘴喷入雾化室对水流进行第一次雾化；经第一次雾化形成的湿空气，通过风和水雾出口接头在高速运动的风流作用下以紊流方式运动，期间对水雾进行二次雾化，形成湿空气；然后，开动钻机缓慢钻进；钻机转速为20～30r/min，钻进速度0.1～0.3m/min，直到取芯完成为止； (4)退钻，退钻前首先关闭压风，再关闭水压开关，然后，快速推出钻杆，带出取芯管； (5)评定煤芯原始性质，是否满足完整性、保质性和快速性要求。
煤层风和水雾联钻取煤芯的原理以压风为主排渣循环介质，在其中加入适量水雾，使主排渣循环介质成为潮湿空气，其密度和水相比远小于水的密度，因而取芯过程中不会对钻孔壁煤体过于的沾湿，从而导致垮孔，也不会阻塞瓦斯的泄出通道，与风介质取芯方法一样使瓦斯正常的泄出；相同条件下风和水雾联动最大取芯深度接近风介质取芯深度，风和水雾联动保持了压风取芯排渣方法和水压取芯排渣方法的优点，克服了两者的缺点。
由于水的比热高于干空气的比热，再加上水还有很高的汽化潜热，故在湿空气和干空气升高相同温度的情况下，湿空气所需要的能量远高于干空气。
干空气作为介质时，温度每升高1℃所需要的能量W干为 W干＝V干×ρ干×i干(I) ＝3.5×1.293×1.0045＝4.55KJ/K 式中V干-钻孔干空气流量，在风压为0.3～0.6MPa情况下，风流量为3～4m3/min，取3.5m3/min； ρ干-干空气密度，为1.293kg/m3； i干-干空气的平均定压质量比热，为1.0045KJ/(kg·K)。
湿空气作为介质时，温度的升高与吸收热量为非线性关系，湿空气的初始温度为20℃左右，排出的湿空气温度约40℃温度左右。温度升高所需要的能量W为 W＝V干×ρ干×(i干×ΔT+(d40-d20)×id+(d40-d20)×i蒸)+V水×ρ水×i水×ΔT(II) ＝3.5×1.293×(1.0045×20+(5.199％-1.563％)×2501+ (5.199％-1.563％)×1.85)+6.5×10-4×1000×4.187×20＝1047.06KJ 式中id-水的气化潜热，为2501KJ/kg； i蒸-常温下水蒸汽的平均定压质量比热，为1.85KJ/(kg·K)； V水-钻孔水流量，为4×10-4～9×10-4m3/min，取平均6.5×10-4m3/min； ΔT-湿空气温度的升温范围，根据实际观测约20℃升温到40℃左右，故ΔT≈20℃； ρ水-水的密度，为1000kg/m3； i水-水的平均定压质量比热，为4.187KJ/(kg·K)； d20-20℃湿空气的含湿量，kg/kg； d40-40℃湿空气的含湿量，kg/kg； 式中 ρv-单位体积空气中实际含有的水蒸汽质量，kg/m3；
式中 φ-空气的相对湿度； Ps-分别对应温度下的饱和水蒸气压，Pa； T-分别对应的空气温度，K； ρd-干空气的密度，kg/m3；
式中P-大气压力，Pa。
将式(IV)、(V)带入式(III)简化得
湿空气温度平均升高1℃所需要的能量W湿为
本发明要求的水压大于风压0.1MPa以上，水流量为4×10-4～9×10-4m3/min，风流量为3～4m3/min，风压约0.3～0.6MPa条件下的风和水雾联动松软煤层钻取煤芯方法，湿空气和干空气相比升高相同的温度，所需要吸收的能量分别是52.35KJ和4.55KJ，约11.5倍。降温效果明显。因此，风和水雾联动钻取煤芯方法可达到良好的冷确钻头的作用。
本发明所述的机具的取芯钻头冷却良好，取出的煤芯能完整、并保持原始性质，特别适用于测定松软煤层瓦斯含量的取芯。使用本发明所述的机具钻取煤芯方法，保持了水和风介质取芯方法的优点，既能克服水介质排渣取芯方法容易垮孔、喷孔、取芯深度小、取样时间长、取芯管被埋概率大的缺点，又能克服风介质取芯方法取芯钻头冷却不足、易烧坏煤芯的缺点。
图1是煤层风和水雾联动钻取煤芯机具与空压机和地面水池连接的示意图。
图2是水雾化室的结构示意图。
图3为取芯管的结构示意图。
具体实施例方式 本发明所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，是由已有的气动钻机，加上开发的水雾化装置和取芯管构成。
将压风管接头5-2连接在雾化室5-1的一端，前端设有喷嘴5-5、中部设有水流控制阀门5-6的供水管接头5-3连接在雾化室的中部，风和水雾出口接头5-4连接在雾化室的另一端，即构成煤层风和水雾联动钻取煤芯机具的水雾化装置5；水雾化装置的压风管接头5-2通过管道与井下或地面空气压缩机9的风包10连接，空气压缩机提供压风的压力约0.3～0.6MPa，形成风流量约3～4m3/min的主循环介质流，进入雾化室5-1；水雾化装置的供水管接头5-3与地面水池11相通，利用井下打钻地点与地面水池之间高差形成的势能，提供水压，水压要求高于风压0.1MPa以上，调节水流控制阀门5-6使水流量控制在4×10-4～9×10-4m3/min，水流通过供水管接头的前端的喷嘴5-5喷入雾化室5-1；利用水压和风压之间的压差为动力，对水流进行第一次雾化。经第一次雾化形成的湿空气，通过风和水雾出口接头5-4在高速运动的风流作用下以紊流方式运动，期间对水雾进行二次雾化，形成湿空气。
将前端部设有四个内侧孔8-7的内管8-4的后端，配合连接在岩芯管接头8-1的前部，内切削钻头8-5固定在内管的前端；将前端设有四个外侧孔8-6的外管8-2的后端，配合连接在岩芯管接头中部的凸台上，外切削钻头8-3固定在外管前端；堵头8-9配合连接在岩芯管接头沿中轴线的风和水雾通道8-8的前端，风和水雾通道的中部的过孔8-10与外管和内管之间的夹层相通，即构成煤层风和水雾联动钻取煤芯机具的取芯管8；取芯管8为双层结构，采用双管同时切削方式，内切削钻头8-5主要切削出煤芯，同时粉碎内外管之间的煤体；外切削钻头8-3主要切削孔壁，以降低取芯管与孔壁之间的摩擦，进而降低取芯过程中的热量。内切削钻头超出外切削钻头的长度应适当；超出长度过长，外钻头不能完全在风流包裹中，钻进过程中不能对外内钻头进行很好的降温；超出长度过短则由于高速运动的风流为紊流运动状态，容易把切削下来的煤屑带走，取不到煤芯。
将连接在气动钻机1的钻柄2端部的钻尾接头4，与水雾化装置5的风和水雾出口接头5-4连接，钻杆3的前端与取芯管8的岩芯管接头8-1的风和水雾通道后部的螺纹8-11配合连接，即构成煤层风和水雾联动钻取煤芯机具。
采用上述煤层风和水雾联动钻取煤芯机具钻取煤芯方法，其步骤如下 (1)布孔，在掘进工作面迎头或回采工作面顺槽布置孔径φ108～150mm的空孔作为取芯孔，孔的深度大于20m； (2)管路连接，将煤层风和水雾联动钻取煤芯机具的水雾化装置的压风管接头5-2通过压风管6与井下或地面空气压缩机9的风包10连接，空气压缩机提供压风的压力约0.3～0.6MPa，形成风流量约3～4m3/min的主循环介质流，进入雾化室5-1； 水雾化装置的供水管接头5-3通过供水管7与地面水池11相通，提供水压要求高于风压0.1MPa以上； 水雾化装置5的风和水雾出口接头5-4与气动钻机1的钻柄2端部的钻尾接头4连接；钻杆3的前端与取芯管8连接； (3)钻取煤芯，首先打开压风开关，再打开水压开关，调节水流控制阀门5-6使水流量控制在4×10-4～9×10-4m3/min，水流通过供水管接头的前端的喷嘴5-5喷入雾化室5-1对水流进行第一次雾化；经第一次雾化形成的湿空气，通过风和水雾出口接头5-4在高速运动的风流作用下以紊流方式运动，期间对水雾进行二次雾化，形成湿空气；然后，开动钻机缓慢钻进；钻机转速为20～30r/min，钻进速度0.1～0.3m/min，直到取芯完成为止； (4)退钻，退钻前首先关闭压风，再关闭水压开关，然后，快速推出钻杆，带出取芯管； (5)评定煤芯原始性质，是否满足完整性、保质性和快速性要求。
在钻取煤芯的过程中，排渣介质-高速流动的湿空气通过岩芯管接头8-1后部进入过孔8-10，排渣介质在外管与内管之间的夹层中流动不会携带走切削下来的煤屑。同时冷的湿风流在夹层中起到很好的降温作用。
湿风流在内、外钻之间为环面流动方式，不是单股流动方式，同时在取芯管侧面开有四个内、外侧孔，扩大了降温效果。
若煤层较硬，则可以直接打开堵头8-9，使排渣介质直接进入内管进行降温。
权利要求
1.煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，包括气动钻机(1)、与气动钻机配合连接的钻柄(2)和钻杆(3)、一端连接在钻柄端部的钻尾接头(4)，其特征在于钻尾接头(4)的另一端与水雾化装置(5)的出口端连接，水雾化装置的两进口端分别与压风管(6)和供水管(7)连接；钻杆(3)的前端与取芯管(8)连接。
2.根据权利要求1所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，其特征在于所述水雾化装置(5)包括雾化室(5-1)、连接在雾化室一端的压风管接头(5-2)、连接在雾化室中部的供水管接头(5-3)和连接在雾化室另一端的风和水雾出口接头(5-4)；在供水管接头的前端设有喷嘴(5-5)、中部设有水流控制阀门(5-6)。
3.根据权利要求1或2所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，其特征在于所述的取芯管(8)包括岩芯管接头(8-1)、后端与岩芯管接头中部凸台配合连接的外管(8-2)、固定在外管前端的外切削钻头(8-3)、后端与岩芯管接头前部配合连接的内管(8-4)、固定在内管前的内切削钻头(8-5)，在靠近外管的前端设有四个外侧孔(8-6)，在靠近内管的前端设有与外侧孔相对应的四个内侧孔(8-7)，在岩芯管接头设有沿中轴线的风和水雾通道(8-8)，在风和水雾通道的前端配合连接有堵头(8-9)，在风和水雾通道的中部设有与外管和内管之间的夹层相通的过孔(8-10)，在风和水雾通道的后部设有螺纹(8-11)，钻杆(3)与其配合连接。
4.煤层风和水雾联动钻取煤芯的方法，钻取煤芯采用权利要求1所述的机具，其步骤如下
(1)布孔，在掘进工作面迎头或回采工作面顺槽布置孔径φ108～150mm的空孔作为取芯孔，孔的深度大于20m；
(2)管路连接，将煤层风和水雾联动钻取煤芯机具的水雾化装置的压风管接头(5-2)通过压风管6与井下或地面空气压缩机9的风包10连接，空气压缩机提供压风的压力约0.3～0.6MPa，形成风流量约3～4m3/min的主循环介质流，进入雾化室(5-1)；
水雾化装置的供水管接头(5-3)通过供水管7与地面水池(11)相通，提供水压要求高于风压0.1MPa以上；
水雾化装置5的风和水雾出口接头(5-4)与气动钻机1的钻柄2端部的钻尾接头4连接；钻杆(3)的前端与取芯管(8)连接；
(3)钻取煤芯，首先打开压风开关，再打开水压开关，调节水流控制阀门(5-6)使水流量控制在4×10-4～9×10-4m3/min，水流通过供水管接头的前端的喷嘴(5-5)喷入雾化室(5-1)对水流进行第一次雾化；经第一次雾化形成的湿空气，通过风和水雾出口接头(5-4)在高速运动的风流作用下以紊流方式运动，期间对水雾进行二次雾化，形成湿空气；然后，开动钻机缓慢钻进；钻机转速为20～30r/min，钻进速度0.1～0.3m/min，直到取芯完成为止；
(4)退钻，退钻前首先关闭压风，再关闭水压开关，然后，快速推出钻杆，带出取芯管；
(5)评定煤芯原始性质，是否满足完整性、保质性和快速性要求。
全文摘要
本发明涉及煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，包括气动钻机、钻柄和钻杆、钻尾接头，其特征在于钻尾接头的另一端与水雾化装置的出口端连接，水雾化装置的两进口端分别与压风管和供水管连接；钻杆的前端与取芯管连接。采用所述的机具，其步骤如下布孔，管路连接，钻取煤芯，退钻和评定煤芯原始性质，是否满足完整性、保质性和快速性要求。本发明所述的机具的取芯钻头冷却良好，取出的煤芯能完整、并保持原始性质，特别适用于测定松软煤层瓦斯含量的取芯。钻取煤芯方法，保持了水和风介质取芯方法的优点，既能克服水介质排渣取芯方法的缺点，又能克服风介质取芯方法缺点。
文档编号E21B25/00GK101220735SQ20071007811
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月10日 优先权日2007年1月10日
发明者胡千庭, 邹银辉, 赵旭生, 李秋林, 张庆华, 吕贵春, 吴教锟, 冯康武 申请人:煤炭科学研究总院重庆分院