一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样装置及方法

1.本发明涉及一种取样装置，具体是一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样装置及方法，属于煤矿参数测定技术领域。


背景技术：

2.煤层瓦斯含量直接测定是煤矿瓦斯灾害防治工作中的主要组成部分，对于了解煤层内部瓦斯赋存情况具有重要意义。煤样取样装置是瓦斯含量测量环节中用于解吸瓦斯量测定的常用设备。传统的测定工作，大多是先使用螺旋取样钻杆取得煤样，并在孔口接取煤样，放入密封罐后带至实验室粉碎后进行解吸测定。这种方法一方面成本消耗大、耗时长，另一方面不能准确定点采集所需位置煤样。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样装置及方法，可以实现煤层原位快速定点取样，并保持密闭，并可将样品在密封状态下进行破碎，测量样品瓦斯含量，提高定点取样准确性，大幅减少取样过程中瓦斯散失，实现井下定点取样和瓦斯含量测定的一体化。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样装置，包括取样管以及固定在取样管一端的截割头；还包括锥形螺纹密封、导杆和弹簧，在截割头上设有截割齿和导流槽，进煤孔开设在截割头的中心位置；锥形螺纹密封固定在取样管内部，中空结构的导杆与样品罐连通后设置在取样管内部，且样品罐与取样管之间通过滑动密封圈密封，导杆穿接在锥形螺纹密封内部，且导杆上内孔道处的外径与锥形螺纹密封的内径过盈配合，弹簧的一端抵接在锥形螺纹密封上，弹簧的另一端抵接在样品罐上，当弹簧的处于压缩状态时，导杆远离样品罐的一端始终与进煤孔贴合，进煤孔关闭；当放松钻杆推挤力时，导杆向远离截割头的方向滑动，进煤孔打开；样品罐底部装设有刀片，刀片轴的内孔里安装有气门芯，底座通过螺纹与样品罐旋接。
5.为了加快导杆内部的进煤量，本发明在导杆上开设有相对的两个内孔道。
6.截割头为锥形截割头，材料为金刚石复合片。
7.弹簧的材料为不锈钢，螺距10mm，线径12mm，弹簧外径60mm，弹簧长度140mm，最大可支承压力大于等于200kg。
8.样品罐单次可装煤样至少为1000g，耐压高于5mpa。
9.气门芯采用美式气门。
10.一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样方法，包括以下步骤：
11.①
采用普通打钻工艺，使用煤矿普通钻头、钻杆，钻进至待取样点前方5m左右，形成底孔，然后退出钻杆、钻头；
12.②
将普通钻头取下，安装取样装置，将取样装置的底座与钻杆连接，再把装好的取样装置重新放入底孔；
13.③
截割头在步骤
①
底孔的基础上继续掘进3
‑
4m，钻杆钻进过程中导杆所受的推力大于弹簧的反弹力，弹簧处于压缩状态，故导杆始终与进煤孔贴合，从而封堵住进煤孔，此阶段钻下的煤样经截割头外部导流槽排出；
14.④
截割头到达取样部位后，适当放松钻杆推挤力，继续钻进1
‑
2m，此时导杆所受的推力小于弹簧的反弹力，弹簧缓慢回弹，在弹簧回弹力的作用下，导杆向远离截割头的方向滑动，进煤孔打开，此阶段煤样从截割头的进煤孔流入并挤入导杆上的内孔道，最终通过导杆内腔流入取样装置内的样品罐；
15.⑤
待样品罐充满挤压的煤样后，完全撤去钻杆推挤力，弹簧继续回弹，在弹簧回弹力的作用下，弹簧进一步推动导杆向远离截割头的方向滑动，直至导杆上的内孔道与锥形螺纹密封完全接触，起到高压密封的作用，然后撤出钻杆；
16.⑥
将取样装置从钻杆上取下，固定于破碎机上，其中底座可以嵌套在破碎机轴上，破碎机转动时，带动刀片高速旋转，进而破碎煤样；
17.⑦
需要对瓦斯含量测定时，使用导气管连接刀片轴内孔的气门芯和解吸仪，即可测量解吸瓦斯量；
18.⑧
重复步骤
⑥
、
⑦
即可实现煤样瓦斯含量的测定；
19.⑨
在测定工作完成后，断开导气管和气门芯的连接，倒置取样装置，旋下底座，将煤样倒入收纳袋内做其它分析，使用刷子轻扫清理干净样品罐内壁上残留的煤样，最后还原取样装置。
20.与现有技术相比，本发明通过将中空结构的导杆与样品罐连通后设置在取样管内部，且样品罐与取样管之间滑动密封连接，导杆在锥形螺纹密封内部可以轴向滑动，弹簧的一端抵接在锥形螺纹密封上，弹簧的另一端抵接在样品罐上，本发明的截割头既可用来取样，也可以作为普通钻头使用，在作为普通钻头使用的时候，只需要加大钻杆的推挤力，使其大于弹簧的反弹力，在需要取样的时候，适当降低钻杆推挤力，使导杆所受的推力小于弹簧的反弹力，弹簧缓慢回弹，在弹簧回弹力的作用下，导杆向远离截割头的方向滑动，进煤孔打开，此阶段煤样从截割头的进煤孔流入并挤入内孔道，最终通过导杆内腔流入取样装置内的样品罐，进行取样，取样完成后，完全撤去钻杆推挤力，弹簧继续回弹，在弹簧回弹力的作用下，弹簧进一步推动导杆向远离截割头的方向滑动，直至导杆上的内孔道与锥形螺纹密封完全接触，起到高压密封的作用，然后撤出钻杆，在取样前由于弹簧处于压缩状态，导杆远离样品罐的一端始终与进煤孔贴合，样品罐处于封闭状态，取样后煤样被封存于样品罐中；本发明可以和煤矿现有的钻机、钻杆联用，进而实现煤层原位快速定点取样，此外本发明在样品罐底部装设有刀片，刀片轴的内孔里安装有气门芯，底座通过螺纹与样品罐旋接，在密闭条件下即可进行煤样粉碎和瓦斯含量测定，本发明的取样装置取样纯度高，密封性好，可提高定点取样准确性，大幅减少取样过程中瓦斯散失，进而实现井下定点取样和瓦斯含量测定的一体化。
附图说明
21.图1为本发明的内部剖面图；
22.图2为本发明封料掘进状态图；
23.图3为本发明取样状态图；
24.图4为本发明内剖面自然状态图。
25.图中：1、截割头，2、内孔道，3、锥形螺纹密封，4、导杆，5、截割齿，6、导流槽，7、进煤孔，8、弹簧，9、样品罐，10、刀片，11、底座，12、气门芯，13、取样管。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步说明。
27.如图1所示，一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样装置，包括取样管13以及固定在取样管13一端的截割头1；还包括锥形螺纹密封3、导杆4和弹簧8，在截割头1上设有截割齿5和导流槽6，进煤孔7开设在截割头1的中心位置；锥形螺纹密封3固定在取样管13内部，中空结构的导杆4与样品罐9连通后设置在取样管13内部，且样品罐9与取样管13滑动密封连接，导杆4穿接且轴向滑动在锥形螺纹密封3内部，且导杆4上内孔道2处的外径与锥形螺纹密封3的内径过盈配合，弹簧8的一端抵接在锥形螺纹密封3上，弹簧8的另一端抵接在样品罐9上，在弹簧8的处于压缩状态时，导杆4远离样品罐9的一端始终与进煤孔7贴合，进煤孔关闭，当放松钻杆推挤力时，导杆4向远离截割头1的方向滑动，进煤孔7打开；样品罐9底部装设有刀片10，刀片10轴的内孔里安装有气门芯12，底座11通过螺纹与样品罐9旋接。
28.在导杆4上开设有相对的两个内孔道2。
29.取样装置最大取样深度为100m；取样装置主体采用316不锈钢制作，罐体底座11可以通过内侧螺纹与罐体旋接。
30.截割头1为锥形截割头，材料为金刚石复合片。
31.弹簧8的材料为不锈钢，螺距10mm，线径12mm，弹簧外径60mm，弹簧长度140mm，最大可支承压力大于等于200kg。
32.样品罐9单次可装煤样至少为1000g，耐压高于5mpa。
33.气门芯12采用美式气门。
34.一种煤矿井下一体化测定瓦斯含量的定点取样方法，包括以下步骤：
35.①
采用普通打钻工艺，使用煤矿普通钻头、钻杆，打至待取样点前方5m左右，形成底孔，然后退出钻杆钻头；
36.②
将普通钻头取下，安装取样装置，将取样装置的底座11与钻杆连接，再把装好的取样装置重新放入底孔；
37.③
截割头1在步骤
①
底孔的基础上继续掘进3
‑
4m，钻杆钻进过程中导杆4所受的推力大于弹簧8的反弹力，弹簧8处于压缩状态，故导杆4始终与进煤孔7贴合，从而封堵住进煤孔7，煤样不会进入导杆4中，且导杆4和样品罐9均处于密封状态，此阶段钻下的煤样经截割头1外部导流槽6排出；
38.④
截割头1到达取样部位后，适当放松钻杆推挤力，继续钻进1
‑
2m，此时导杆4所受的推力小于弹簧8的反弹力，弹簧8缓慢回弹，在弹簧8回弹力的作用下，导杆4向远离截割头1的方向滑动，进煤孔7打开，此阶段煤样从截割头1的进煤孔7流入并挤入内孔道2，最终通过导杆4内腔流入取样装置内的样品罐9；
39.⑤
待样品罐9充满挤压的煤样后，完全撤去钻杆推挤力，弹簧8继续回弹，在弹簧8回弹力的作用下，弹簧8进一步推动导杆4向远离截割头1的方向滑动，直至导杆4上的内孔道2与锥形螺纹密封3完全接触，起到高压密封的作用，然后撤出钻杆；
40.⑥
将取样装置从钻杆上取下，固定于破碎机上，其中底座11可以嵌套在破碎机轴上，破碎机转动时，带动刀片10高速旋转，进而破碎煤样；
41.⑦
需要对瓦斯含量进行测定时，使用导气管连接刀片10轴内孔的气门芯12和解吸仪，即可测量解吸瓦斯量；
42.⑧
重复步骤
⑥
、
⑦
即可实现煤样瓦斯含量的测定；
43.⑨
在测定工作完成后，断开导气管和气门芯12的连接，倒置取样装置，旋下底座11，将煤样倒入收纳袋内做其它分析，使用刷子轻扫清理干净样品罐9内壁上残留的煤样，最后还原取样装置。
44.实施例
45.①
采用普通打钻工艺，使用煤矿普通钻头打10m底孔，然后退出钻杆、钻头；
46.②
快速更换钻杆前端为自制的取样装置，然后再把装好的取样装置重新放入底孔；
47.③
截割头1在原有底孔基础上继续掘进4m，钻进过程中导杆4所受推力大于弹簧8的反弹力，弹簧8处于压缩状态，故导杆4始终与进煤孔7贴合，从而封堵住进煤孔7，煤样不会进入导杆4中，且导杆4和样品罐9均处于密封状态，此阶段钻下的煤样经截割头1外部导流槽6排出；
48.④
截割头1到达取样部位后，适当放松钻杆推挤力，继续钻进2m，此时导杆4所受的推力小于弹簧8的反弹力，弹簧8缓慢回弹，在弹簧8回弹力的作用下，导杆4向远离截割头1的方向滑动，进煤孔7打开，此阶段煤样从截割头1的进煤孔7流入并挤入内孔道2，最终通过导杆4内腔流入取样装置内的样品罐9；
49.⑤
待样品罐9充满挤压的煤样后，大约1100g,完全撤去对钻杆的推挤力，弹簧8进一步推动导杆4后缩，导杆4上的内孔道2与锥形螺纹密封3接触，起到高压密封的作用，然后撤出钻杆；
50.⑥
将取样装置从钻杆上取下，固定于破碎机上，其中取样装置底座可以嵌套在破碎机轴上，破碎机转动时，带动刀片10高速旋转，持续粉碎5min，进而破碎煤样粒径至90％小于0.25mm；
51.⑦
需要对瓦斯含量进行测定时，使用导气管连接刀片10轴内孔的气门芯12和解吸仪，即可测量解吸瓦斯量。
52.⑧
重复步骤
⑥
、
⑦
即可实现煤样瓦斯含量的测定。
53.⑨
在测定工作完成后，断开导气管和气门芯12的连接，倒置取样装置，旋下样品罐底座11，将煤样倒入收纳袋内带至实验室进行工业分析，使用刷子轻扫清理干净样品罐9内壁上残留的煤样，最后还原取样装置。