专利名称：一种自密封自解压煤层取样方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤层取样方法及取样装置，特别是关于一种具有高保真的自 密封自解压煤层取样方法及装置。
技术背景煤矿瓦斯是威胁煤矿安全生产的主要因素之一，为了保证安全生产，国家要 求对煤层瓦斯含量进行精确测定。常用的煤层瓦斯含量间接确定法是根据煤层原 始瓦斯压力和实验室测定的煤吸附常数值及工业分析结果，并且运用朗格缪尔方 程计算瓦斯含量。该方法的关键在于井下煤层瓦斯压力的准确测定，但煤层原始瓦 斯压力测定工艺较复杂，如测点的选择布置、封孔工艺、各漏气环节的处理等，无 论哪个环节处理不慎均可导致测压结果失效或不可靠；无论是主动测压还是被动 测压,其测压时间均在数天以上,测定周期较长；测定时需要现场施工钻场和测压 钻孔，需要特殊的封孔装备及材料等，同时还需要进行实验室测试分析，工程量较 大，成本较高；另一方面，直接测定煤层瓦斯含量的方法是通过取样钻孔将煤芯 从煤层深部取出，及时放入煤样筒中密封，然后计算煤样中瓦斯的含量。国内外也 开发了许多直接取钻粉测定瓦斯含量的设备，如普通单层取样管、双层取样管，但 因其密封方法与原理没有大的突破，煤样瓦斯漏失严重，没有得到较好的推广应 用，测定的瓦斯含量普遍偏低，不利于瓦斯防治措施的实施。 发明内容本发明的目的是提供一种能够在煤层钻探取样中及取样后，实现前端自动密 封和后端自动解压的取样方法及装置。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种自密封自解压煤层取样方 法，其包括以下步骤(1)设置一具有内、外管，真空管和取样钻头的取样器， 所述内、外管同时连接所述真空管，所述取样钻头固定在所述外管前端，所述内 管后端设置一脆性挡板，所述内管内设置一活塞，在活塞与脆性挡板之间放入密 封液，在真空管内设置吸附材料，在真空管尾部设置抽气管路；(2)当取样钻头 钻进煤层时，煤样进入所述活塞前端，并不断挤压活塞将密封液通过所述内管上 设置的出液孔流入内、外管之间的间隙，并从取样钻头与内管之间的间隙渗透、 包裹和固化煤样，形成煤样的前端密封；(3)当活塞压碎脆性挡板后，取煤样结 束，煤样中承压的瓦斯气体会自动顶压活塞继续向后运动并最终顶开所述活塞内的单向阀泄压，进入真空管内的瓦斯气体被吸附材料吸附；(4)吸附结束后，取 出煤样和吸附材料，进行常规瓦斯含量测量和计算。在所述取样器的后端设置一包括空心钻杆和钢丝膨胀胶囊的可膨胀胶囊封孔 器，所述钢丝膨胀胶囊两端固定一前、后轴承，所述钻杆滑动地穿设在所述前、 后轴承内；所述钻杆的前端固定一连接所述取样器的适配器;向所述钻杆内送入 高压水，水通过所述钻杆上的出水孔进入钢丝膨胀胶囊，使其膨胀形成对煤层钻 孔的密封。在所述钻杆内设置一单向阀，并在适配器上设置出水孔，当高压水使钢丝膨 胀胶囊膨胀形成对煤层钻孔的密封后，在继续升高的水压作用下自动打开所述单 向阀，使高压水从适配器上的出水孔流出，进入取样器与煤层钻孔之间的间隙， 为取样器的取样钻头供冷却水。一种实现上述方法的自密封自解压煤层取样装置，其特征在于它包括一煤 层取样器和一与其固定连接的可膨胀胶囊封孔器；所述取样器包括一真空管、一 外管、 一内管和一取样钻头；所述内、外管的后端分别旋接在所述真空管的内、 外壁上，所述取样钻头旋接在所述外管前端的内壁上，且与所述内管之间留有一 间隙；所述内、外管之间具有一环形间隙，所述内管后端设置有若干出液孔；所 述内管内设置有一将其分为取样室和密封液室的活塞，所述活塞中心具有一贯通 孔，所述贯通孔内设置有一单向截止阀；所述密封液室的尾部设置有一脆性挡板， 所述脆性挡板后方为一固定在所述真空管内的刚性挡圈，所述真空管内放置有吸 附材料，所述真空管尾端设置有一密封用橡胶塞，所述橡胶塞上设置有一连接气 泵的抽气管；所述可膨胀胶囊封孔器包括一空心钻杆和一钢丝膨胀胶囊，所述钢 丝膨胀胶囊前、后端分别固定连接一前、后轴承，所述钻杆滑动地设置在所述前、 后轴承内，所述钻杆上设置有若干与所述钢丝膨胀胶囊连通的出水孔，所述钻杆 内设置有一单向阀，所述钻杆前端固定连接一与所述煤层取样器连接的适配器， 所述适配器上设置有若干出水孔。所述外管前端靠近所述取样钻头的位置设置有扩孔器。所述活塞前端呈圆柱形，后端呈圆锥形，与所述后端的圆锥形对应，所述刚 性挡圈内圈为一圆锥形泄压孔。所述真空管的后端设置一快速接头，所述快速接头与所述钻杆前端的适配器 固定连接。所述真空腔内放置的吸附材料为有易吸附瓦斯材料。在所述取样器外管的前端管壁上设置有扩孔器，在所述内、外管之间设置有卡簧。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采取了内、 外双层套管和活塞挤压密封液的方式，使预装在内管中的密封液不断沿双层套管 的间隙向前运动，密封液到达前端后会不断向内管中的煤样渗透，使煤样自动形 成固化密封，从而有效地防止了煤样中瓦斯的泄漏。2、本发明由于在内管后端设 置了脆性挡板、刚性挡圈和真空管，因此当活塞不断向后运动顶破脆性挡板后， 可以利用真空管与内管之间的压差实现煤样中的瓦斯气体自动解压，降低管内外 压差，有效地解决了在已经密封的煤样中承压瓦斯与外界气体之间的气压差，避 免了在退钻过程中的瓦斯气体的泄漏。3、本发明由于采用真空管，并在真空管内 设置了易吸附瓦斯的吸附材料，因此解决了高瓦斯含量的煤样中瓦斯逸散和快速 解吸的取样问题，同时大量的游离瓦斯会被易吸附瓦斯材料紧紧吸附并方便取出， 与煤样一起进行瓦斯含量测量，从而提高了测量结果的真实性。4、本发明在取样 器后面设置了可膨胀胶囊封孔器，不但可以通过高压水充入钢丝膨胀胶囊形成煤 层钻孔的有效密封，保持取样过程中取样器周围环境有一定的流体压力，避免瓦 斯的遗失，而且可以通过可膨胀胶囊封孔器流出高压水为取样器的取样钻头提供 冷却水，避免了烧毁取样钻头。5、本发明由于在靠近取样钻头后方的外管壁上设 置了扩孔器，使煤层钻孔直径大于取样器直径，因此可以保证取样器进退自如；同时本发明由于在内、外管之间设置了卡簧，因此可以保证内、外管之间的间隙 适中，不会发生偏心，使得密封液能够均匀流入或射入需要密封的地方。本发明 可以广泛用于各种煤层瓦斯含量测量的取样过程中。
图1是本发明的取样器结构示意2是本发明的可膨胀胶囊封孔器结构示意图 图3是本发明的现场使用示意图 图4是本发明取样方法及结构现场布置示意图具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详细的描述。瓦斯含量直接测定法关键在于尽量减少取煤样过程中的瓦斯损失，研究表明 煤样一旦被切割下来就开始了似常压条件下的瓦斯解吸过程，如何保证瓦斯取样过程中少漏失瓦斯是本发明的关键。如图1所示，本发明取样装置包括设置在前端的煤层取样器A和设置在后端 的可膨胀胶囊封孔器B。如图2所示，本发明的取样器A包括一真空管1、 一内管2、 一外管3和一取样钻头4。内管2后端旋接在真空管1前端内壁，外管3后端套在内管2外并旋接 在真空管l前端外壁，取样钻头4旋转安装在外管3前端内壁，外管3和内管2 之间留有一环形间隙，并通过1 3个卡簧5支撑对中，环形间隙前端通向取样钻 头4的后端部，取样钻头4后端与内管2前端之间存在一间隙，在内管2后端管 壁上设置有若干连通环形间隙的出液孔6。外管3外壁前端设置有扩孔器7，扩孔 器7可以是现有技术中的各种凸棱形状，比如螺旋形、矩形等，其作用是使煤层 钻孔直径大于取样器A直径，以便保证取样器A进退自如。在内管2内设置有一 活塞8，活塞8前端呈圆柱形，后端呈圆锥形，活塞8中心设置有一贯通孔9，贯 通孔9内设置有单向截止阀10。紧贴内管2的后端设置有一脆性挡板11，脆性挡 板11的周圈与外面的管壁用密封胶密封。活塞8和脆性挡板11的设置使内管2 并分隔成两个腔室，前端为煤样室12，后端为密封液室13。紧贴脆性挡板11的 后端设置一固定在真空管1内壁上的刚性挡圈15，或者真空管1自身管壁内具有 一凸缘，在刚性挡圈15上设置有一卸压孔16，卸压孔16的形状与活塞8尾部的 锥形端相配合。真空管1的后端用橡胶塞17密封并在橡胶塞17上设置有一抽气 管18，真空管1内放置有易吸附瓦斯的吸附材料19，真空管1的后端设置一用于 连接可膨胀胶囊封孔器B的快速接头20。如图3所示，可膨胀胶囊封孔器B包括一空心钻杆21和一钢丝膨胀胶囊22， 钢丝膨胀胶囊22与一前、后轴承23、 24固定连接成一体，钻杆21滑动穿设在前、 后轴承23、 24内，钻杆21上设置有若干与钢丝膨胀胶囊22相通的出水孔25。钻 杆21前端连接一与取样器A尾部快速接头20配合的适配器26，适配器26上设置 有若干出水孔27，钻头21的前端空腔内设置有一单向阀28。钻杆21后端还可以 设置一快速接头，以与连接动力的钻杆连接，使本发明结构根据简捷，携带安全 方便。如图l、图4所示，本发明取样方法包括以下步骤1、 将一装有密封液的塑料或橡胶袋体放入密封液室13 (袋体上设置有出液 嘴)，在真空管1内放置吸附材料19，并利用手动真空泵通过抽气管18将真空管 1内的空气抽出，尽量使其具有较高的真空度，然后扎紧抽气管18，再将可膨胀 胶囊封孔器B上的适配器26与取样器A尾部的快速接头20连接在一起。2、 采用常规方法用钻杆向煤层打一定深度的钻孔29，当深度达到要求后，拉 出钻杆，将取样器A和可膨胀胶囊封孔器B送入孔钻29中。3、 当取样器A上的钻头4到达钻孔29的孔底后，将高压水送入可膨胀胶囊 封孔器B的钻杆21中，水通过出水孔25进入钢丝膨胀胶囊22，随着水压力逐渐升高，钢丝膨胀胶囊22逐渐膨胀封住煤层的钻孔29，当水压力达到一定值时，设 置在钻杆21内单向阀28被打开，高压水从适配器上的出水孔27流出，进入取样 器A与煤层钻孔29之间的间隙，并逐渐流向取样钻头4。4、 驱动钻杆21通过适配器带动取样器A开始钻进取样，高压水一方面保证 钢丝膨胀胶囊22的封孔作用，另一方面为取样钻头4提供冷却水，位于钢丝膨胀 胶囊22中间的钻杆21在轴承23、 24作用可以沿轴转动并先前移动，而不影响钢 丝膨胀胶囊22的密封性能。5、 缓慢匀速钻进取样，煤样在推力的作用下进入取样器A的内管2，并推动 活塞8向后运动，活塞8挤压内管2里的密封液向内、外套管2、 3的环形间隙前 端运动，并从取样钻头4后端与内管2之间的间隙内进入煤样，随着密封液不断 在煤样中渗透、包裹和固化，实现了煤样的前端密封。6、 继续缓慢匀速钻进取样，煤样进一步推动活塞8向后运动，活塞8的锥形 尾部到达内管2后端时，将压碎脆性挡板11，进入刚性挡圈15的泄压孔16;7、 与步骤6中脆性挡板11被压碎的同时，煤样中承压的瓦斯气体，由于单 向截止阀IO两侧的压力差，便会继续顶压活塞8向真空管1后端移动，或直接顶 开活塞8中心的单向截止阀10泄压，泄压的瓦斯气体被吸附材料19吸附，进而防止了瓦斯的漏失。单向截止阀io作用是保证后端的气体或者液体不论压力高低都不会流向前端的煤样，但是前端煤样里的瓦斯压力大时可以通过单向截止阀10 泄入真空管l。8、 将本发明装置退出钻孔29，可以在井下或地面进行解吸，然后便可以精确 地测定计算煤样和吸附材料中的瓦斯含量。以上仅为本发明的较佳实施例，任何基于本发明的等效变换，均不应排除在 本发明的保护范围之外。
权利要求
1、一种自密封自解压煤层取样方法，其包括以下步骤(1)设置一具有内、外管，真空管和取样钻头的取样器，所述内、外管同时连接所述真空管，所述取样钻头固定在所述外管前端，所述内管后端设置一脆性挡板，所述内管内设置一活塞，在活塞与脆性挡板之间放入密封液，在真空管内设置吸附材料，在真空管尾部设置抽气管路；(2)当取样钻头钻进煤层时，煤样进入所述活塞前端，并不断挤压活塞将密封液通过所述内管上设置的出液孔流入内、外管之间的间隙，并从取样钻头与内管之间的间隙渗透、包裹和固化煤样，形成煤样的前端密封；(3)当活塞压碎脆性挡板后，取煤样结束，煤样中承压的瓦斯气体会自动顶压活塞继续向后运动并最终顶开所述活塞内的单向阀泄压，进入真空管内的瓦斯气体被吸附材料吸附；(4)吸附结束后，取出煤样和吸附材料，进行常规瓦斯含量测量和计算。
2、 如权利要求l所述的一种自密封自解压煤层取样方法，其特征在于在所 述取样器的后端设置一包括空心钻杆和钢丝膨胀胶囊的可膨胀胶囊封孔器，所述 钢丝膨胀胶囊两端固定一前、后轴承，所述钻杆滑动地穿设在所述前、后轴承内； 所述钻杆的前端固定一连接所述取样器的适配器；向所述钻杆内送入高压水，水 通过所述钻杆上的出水孔进入钢丝膨胀胶囊，使其膨胀形成对煤层钻孔的密封。
3、 如权利要求2所述的一种自密封自解压煤层取样方法，其特征在于在所 述钻杆内设置一单向阀，并在适配器上设置出水孔，当高压水使钢丝膨胀胶囊膨 胀形成对煤层钻孔的密封后，在继续升高的水压作用下自动打开所述单向阀，使 高压水从适配器上的出水孔流出，进入取样器与煤层钻孔之间的间隙，为取样器 的取样钻头供冷却水。
4、 一种实现如权利要求1 3所述方法的自密封自解压煤层取样装置，其特 征在于它包括一煤层取样器和一与其固定连接的可膨胀胶囊封孔器；所述取样器包括一真空管、 一外管、 一内管和一取样钻头；所述内、外管的 后端分别旋接在所述真空管的内、外壁上，所述取样钻头旋接在所述外管前端的 内壁上，且与所述内管之间留有一间隙；所述内、外管之间具有一环形间隙，所 述内管后端设置有若干出液孔；所述内管内设置有一将其分为取样室和密封液室 的活塞，所述活塞中心具有一贯通孔，所述贯通孔内设置有一单向截止阀；所述 密封液室的尾部设置有一脆性挡板，所述脆性挡板后方为一固定在所述真空管内的刚性挡圈，所述真空管内放置有吸附材料，所述真空管尾端设置有一密封用橡 胶塞，所述橡胶塞上设置有一连接气泵的抽气管；所述可膨胀胶囊封孔器包括一空心钻杆和一钢丝膨胀胶囊，所述钢丝膨胀胶 囊前、后端分别固定连接一前、后轴承，所述钻杆滑动地设置在所述前、后轴承 内，所述钻杆上设置有若干与所述钢丝膨胀胶囊连通的出水孔，所述钻杆内设置 有一单向阀，所述钻杆前端固定连接一与所述煤层取样器连接的适配器，所述适配器上设置有若干出水孔。
5、 如权利要求4所述的一种自密封自解压煤层取样装置，其特征在于所述外管前端靠近所述取样钻头的位置设置有扩孔器。
6、 如权利要求4所述的一种自密封自解压煤层取样装置，其特征在于所述 活塞前端呈圆柱形，后端呈圆锥形，与所述后端的圆锥形对应，所述刚性挡圈内 圈为一圆锥形泄压孔。
7、 如权利要求5所述的一种自密封自解压煤层取样装置，其特征在于所述 活塞前端呈圆柱形，后端呈圆锥形，与所述后端的圆锥形对应，所述刚性挡圈内 圈为一圆锥形泄压孔。
8、 如权利要求4或5或6或7所述的一种自密封自解压煤层取样装置，其特 征在于所述真空管的后端设置一快速接头，所述快速接头与所述钻杆前端的适 配器固定连接。
9、 如权利要求4或5或6或7或8所述的一种自密封自解压煤层取样装置， 其特征在于所述真空腔内放置的吸附材料为有易吸附瓦斯材料。
10、 如权利要求4或5或6或7或8所述的一种自密封自解压煤层取样装置， 其特征在于在所述内、外管之间设置有卡簧。
全文摘要
本发明涉及一种自密封自解压煤层取样方法及装置，其包括以下步骤(1)设置一取样器；(2)当取样钻头钻进煤层时，煤样进入取样器的活塞前端，并不断挤压活塞将密封液通过取样器内管上设置的出液孔流入取样器内、外管之间的间隙，并从取样钻头与内管之间的间隙渗透、包裹和固化煤样，形成煤样的前端密封；(3)当活塞压碎取样器内设置的脆性挡板后，取煤样结束，煤样中承压的瓦斯气体会自动顶压活塞继续向后运动并最终顶开所述活塞内的单向阀泄压，进入取样器的真空管内的瓦斯气体被设置在真空管内的吸附材料吸附；(4)吸附结束后，取出煤样和吸附材料，进行常规瓦斯含量测量和计算。本发明可以广泛用于各种煤层瓦斯含量测量的取样过程中。
文档编号G01N1/02GK101308062SQ20081005785
公开日2008年11月19日 申请日期2008年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者兰泽全, 周世宁, 为 梁, 王轶波, 陈学习, 马尚权, 齐黎明 申请人:华北科技学院