一种空气钻进用煤瓦斯冷冻取样器

摘要

本发明公开了一种空气钻进用煤瓦斯冷冻取样器，属于煤矿安全防护技术领域，它包括由外壳（6）内壁与内胆（7）和冷却套（11）焊接封闭形成的真空保温层、内胆（7）内腔构成的液氮存储室、由冷却套（11）内壁和锥形岩芯管（12）外壁与端盖（14）构成的冷冻室、锥形岩芯管（12）内腔构成的保温取样室、由活塞（13）与锥形岩芯管（12）构成的密闭盛水容器。本发明的技术效果是：通过密闭盛水容器预存水的方法有效解决空气钻进过程中煤样含水率低导致冰冻取样效果较差的问题，液氮存储室内的液氮通过第二单向阀自动泄放流入冷冻室，实现了煤样的保湿冷冻，操作简单，取样时间缩短。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全防护技术领域，具体涉及一种煤瓦斯冷冻取样器，适用于煤田开发过程中对含瓦斯煤进行定点取样。

背景技术

精准获取煤层瓦斯参数，对瓦斯防突与治理等至关重要。煤瓦斯取样技术是评价瓦斯压力、含量的关键技术手段。目前，煤层瓦斯的测定主要采用取样技术为基础的直接测定方法，但现有取样技术存在由于瓦斯暴露于空气中导致瓦斯损失量较大等问题，导致无法对煤层瓦斯压力及含量进行精确测量，使高瓦斯矿井存在“低指标”突出危险性。

中国专利文献CN 106124243 A于2016年11月16日公开了一种煤层瓦斯含量测定超前冷冻取样方法，它包括步骤：1)、采用绳索取芯钻具钻进至距离目标煤层表面0 .2m左右停止钻进作业；2)、将流体输送管通过钻杆中心下放到钻孔内，并使流体输送管的端部接近钻孔底部；3)、从地面通过液氮泵将低温流体通过流体输送管持续泵入到钻孔底部，使钻孔底部以下3-5m区域冷冻至零度以下的冻结状态；4)、提出流体输送管，再下入绳索取芯钻具的取芯器，快速进行取芯钻进操作；5)、钻进3m时，停止钻进作业，快速将取芯器提至地表，并迅速将样品装入密封罐中。该方法能保证煤层岩心样品在钻进、运移过程中不发生解吸逸散，可保持煤层样品的瓦斯原位含量状态。

但是，该专利的操作过程繁琐，煤层岩心的取样时间较长。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种空气钻进用煤瓦斯冷冻取样器，它能够有效抑制瓦斯解吸，减少取样过程中煤瓦斯损失量，且操作过程简单，取样时间缩短。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括由外壳内壁与内胆和冷却套焊接封闭形成的真空保温层、内胆内腔构成的液氮存储室、由冷却套内壁和锥形岩芯管外壁与端盖构成的冷冻室、锥形岩芯管内腔构成的保温取样室；取样器上接头封盖在外壳顶口，钻杆上接头下端口通过螺纹套装在取样器上接头上，钻杆贯套在外壳外围，钻杆上端通过螺纹套接钻杆上接头下部；冷冻室的排气管穿透真空保温层向上连接在内胆的瓶颈部、与液氮存储室连通；第一单向阀安装在内胆顶口，第二单向阀装在内胆底部与冷冻室连通的管道上，顶针插在锥形岩芯管顶部的配合孔内，顶针的前端伸向第二单向阀，配合孔内装有使顶针复位的弹簧；活塞安装锥形岩芯管的内腔下段，带通孔的端盖装在锥形岩芯管下口部以限制活塞的位置，活塞与锥形岩芯管内腔下段的光滑直管配合，由活塞与锥形岩芯管构成密闭盛水容器，钻杆下端通过螺纹与钻头连接。

本发明工作原理：

首先倒置本发明，由于锥形岩芯管内腔为一倒锥形，将活塞推离锥形岩芯管内腔下段的光滑直管段后，锥形岩芯管打开，装入满管水后拉起活塞使之与锥形岩芯管内腔下段的光滑直管段配合，将加入水封闭在锥形岩心管内后，正立取样器。

取下第一单向阀，通过内胆的瓶颈部灌入液氮至满后，装上第一单向阀，并将取样器上接头通过螺纹封盖在外壳顶口，取样器上接头通过螺纹与钻杆上接头连接，安装钻杆和钻头后，将本发明伸入钻孔底部进行钻进取样作业。

在钻进过程中，煤样进入锥形岩芯管，并将活塞向上推动打开锥形岩芯管中预存水，在重力作用下预存水进入煤样中成为含水煤样，当进入样品持续推动活塞向上运动直至与顶针接触并推动顶针上移打开第二单向阀，在重力作用下预存液氮通过第二单向阀流入冷冻室，实现对锥形岩芯管中的含水煤样进行冷冻，停止钻进作业，静待2-5分钟后提取钻具，回收冷冻样品。液氮吸热气化后形成的氮气通过排气管进入到内胆形成的液氮存储室，单压力过大时第一单向阀自动打开排气泄压。

本发明的技术效果是：

本发明利用重力流作用，通过密闭盛水容器预存水的方法有效解决空气钻进过程中煤样含水率低导致冰冻取样效果较差的问题，液氮存储室内的液氮通过第二单向阀自动泄放流入冷冻室，实现了煤样的保湿冷冻，抑制了瓦斯解吸，减少了取样过程中煤瓦斯损失量，取样准确；同时本发明结构简单，无电器控制结构，操作简单，取样时间缩短。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、钻杆上接头，2、排气管，3、取样器上接头，4、第一单向阀，5、钻杆，6、外壳，7、内胆，8、第二单向阀，9、弹簧，10、顶针，11、冷却套，12、锥形岩芯管，13、活塞，14、端盖，15、钻头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括由外壳6内壁与内胆7和冷却套11焊接封闭形成的真空保温层、内胆7内腔构成的液氮存储室、由冷却套11内壁与锥形岩芯管12外壁和端盖14构成的冷冻室、锥形岩芯管12内腔构成的保温取样室；取样器上接头3封盖在外壳6顶口，钻杆上接头1下端口通过螺纹套装在取样器上接头3上，钻杆5贯套在外壳6外围，钻杆5上端通过螺纹套接钻杆上接头1下部；冷冻室的排气管2穿透真空保温层向上连接在内胆7的瓶颈部、与液氮存储室连通；第一单向阀4安装在内胆7顶口，第二单向阀8装在内胆7底部与冷冻室连通的管道上，顶针10插在锥形岩芯管12顶部的配合孔内，顶针10的前端伸向第二单向阀8，配合孔内装有使顶针10复位的弹簧9；活塞13安装锥形岩芯管12的内腔下段，带通孔的端盖14装在锥形岩芯管12下口部以限制活塞13的位置，活塞13与锥形岩芯管12内腔下段的光滑直管配合，由活塞13与锥形岩芯管12构成密闭盛水容器，钻杆5下端通过螺纹与钻头15连接。

锥形岩芯管12与冷却套11通过焊接连接，端盖14通过螺纹与冷却套11和锥形岩芯管12组合，

当需要对目标地层进行取样钻进时，本发明的工作原理是：

首先倒置本发明，由于锥形岩芯管12内腔为一倒锥形，将活塞13推离锥形岩芯管12端部光滑直管段后，锥形岩芯管12打开，装入满管水后拉起活塞13使之与锥形岩芯管12端部光滑直管段配合，将加入水封闭在锥形岩心管12内后，正立取样器。

取下第一单向阀4，通过内胆7的瓶颈部灌入液氮至满后，装上第一单向阀4，并将取样器上接头3通过螺纹封盖在外壳6顶口，取样器上接头3通过螺纹与钻杆上接头1连接，安装钻杆5和钻头15后，将本发明伸入钻孔底部进行钻进取样作业。

在钻进过程中，煤样进入锥形岩芯管12并将活塞13向上推动打开锥形岩芯管12中预存水，在重力作用下预存水进入煤样中成为含水煤样，当进入样品持续推动活塞13向上运动直至与顶针10接触并推动顶针10上移打开第二单向阀8，在重力作用下预存液氮通过第二单向阀8流入由冷却套11内壁、锥形岩芯管12外壁和端盖14构成冷冻室，实现对锥形岩芯管12中的含水煤样进行冷冻，停止钻进作业，静待2-5分钟后提取钻具，回收冷冻样品。液氮吸热气化后形成的氮气通过排气管2进入到内胆7形成的液氮存储室，单压力过大时第一单向阀4自动打开排气泄压。