[发明专利]一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。