一种矿用深孔密封取样装置及取样方法

技术领域

本发明属于煤矿取样技术邻域，具体涉及一种矿用深孔密封取样装置及取样方法。

背景技术

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基础参数，尤其是突出煤层预抽煤层瓦斯后区域效果检验的主要参数之一；定向长钻孔大面积预抽煤层瓦斯成为有效的区域瓦斯治理技术途径，但是目前国内尚无与之相适应的600m以上深孔取样装备和技术。

目前，煤层井下瓦斯含量直接测定取样装置及取样方法主要为有三种：一是双层钻杆压风引射定点取样，只适用于100m以内的短孔快速定点取样，钻孔较深时由于压风引射产生的负压较低，不足以取出煤样。二是单筒或双筒取芯钻具，该设备能够实现60m以内短孔煤样的定点采集，但对于长钻孔则提钻时间过长，煤样解吸瓦斯损失较大，造成瓦斯含量测定结果不准确。三是通过密闭取芯装置取样，例如公开号为CN107806341B的中国专利公开了一种煤矿深孔定点密闭取样装置及取样方法，采用内、中、外三筒结构设计，取芯钻进过程，取芯外筒带动取芯钻头钻取煤样，煤芯通过取芯薄壁钻头、球阀，进入取芯内筒，达到取芯长度后停钻，通入高压水，高压水通过止回阀后作用在截断阀上，当水压产生推力切断销钉后，截断阀及取芯中筒前移，带动球阀开关及球阀旋转从而截断取芯煤柱，将煤样及瓦斯气体封存在取芯内筒中，取芯结束后，连接井下解吸仪，即可现场解吸；该取样装置存在以下缺点：1、结构复杂，操作困难，使用时操作者难以判断销钉是否被剪断，取样成功率不高；2、该装置取芯内筒可容纳样品的空间较小，取样效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿用深孔密封取样装置及取样方法，以解决现有取样装置存在的结构复杂、操作困难、取样成功率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种矿用深孔密封取样装置，包括同轴依次设置的钻头、取样部、用于储存样品的储存部和用于连接钻杆的连接部；

取样部包括取样筒、取样阀门和复位弹簧，取样筒与钻头固定连接，取样筒上设有条形孔，条形孔的边缘设有齿槽；取样阀门包括阀座，阀座可滑动安装在取样筒内，阀座与储存部固定连接，阀座内可转动安装有球型阀芯，球型阀芯上固定有齿轮，齿轮位于条形孔内，且齿轮与条形孔边缘的齿槽啮合；复位弹簧用于带动齿轮在齿槽上移动以实现取样阀门的开闭，复位弹簧位于钻头和取样阀门之间。

本发明的技术原理为：

将本取样装置安装在钻杆上，通过钻机与钻杆的配合，将取样装置送至取样位置，使取样装置前端的钻头用力顶在岩壁上，岩壁对钻头的反作用力使取样筒克服复位弹簧的弹力与取样阀门之间产生相对滑动，取样筒上的齿槽带动齿轮转动，使球型阀芯的开口转动至与钻头和储存部连通，取样阀门处于开启状态；钻机持续推进取样，样品自钻头通过球型阀芯的开口进入储存部，取样完成后，钻机与钻杆配合将取样装置退回，使钻头远离岩壁，岩壁对钻头的反作用力消失，复位弹簧的弹力使取样筒和取样阀门复位，取样筒上的齿槽带动齿轮转动至初始位置，球型阀芯随之复位，取样阀门处于关闭状态，切断钻头与储存部的通道。

进一步地，所述连接部上设有进水孔，储存部上设有过水通道，取样筒上周向设有若干过水孔，钻头上周向设有若干出水孔，进水孔、过水通道、过水孔和出水孔依次连通；取样部还包括若干过水管，过水管的一端固定安装在取样筒的过水孔内，过水管的另一端与取样部滑动连接，且过水管与取样部的过水通道连通。

进一步地，所述储存部包括外筒，外筒内部固定有内筒，外筒和内筒之间存在过水间隙；外筒靠近取样部的一端周向设有若干安装孔，过水管远离取样筒的一端滑动安装在安装孔内；外筒的内壁上设有环槽，环槽与安装孔连通，过水间隙、环槽和安装孔形成过水通道。

进一步地，所述连接部包括连接头，连接头的一端与储存部的内筒螺纹连接，连接头的另一端设有用于连接钻杆的安装筒；连接头的外壁上设有法兰盘，法兰盘与储存部的外筒连接；连接头的轴向上设有与内筒连通的第一抽样孔，法兰盘的外壁上设有与第一抽样孔连通的第二抽样孔，抽样孔内可拆卸安装有橡胶塞。

进一步地，所述连接头远离储存部的端面上设有若干与安装筒连通的第一进水孔，连接头的外壁上设有若干第二进水孔，第二进水孔的两端分别与第一进水孔和储存部的过水间隙连通。

进一步地，所述阀座包括固定连接的第一阀座和第二阀座，第一阀座和第二阀座可滑动安装在取样筒内，球型阀芯可转动安装在第一阀座和第二阀座内部；球型阀芯和齿轮通过固定螺栓连接，固定螺栓贯穿第一阀座、第二阀座和取样筒的条形孔；复位弹簧位于钻头和第一阀座之间。

进一步地，所述取样部还包括外防护套，外防护套套设于取样筒上，外防护套的一端与钻头固定连接，外防护套的另一端滑动套设于储存部的外壁上。

进一步地，所述钻头包括切削部，切削部的一端端面上设有若干切削齿，若干出水孔周向均布于切削部上，切削部的另一端端面上设有连接杆，连接杆外套设有内防护套，复位弹簧套设在内防护套上。

一种矿用深孔密封取样方法，采用上述矿用深孔密封取样装置进行取样，包括如下步骤：

1)取样孔钻进施工，当取样孔施工完毕后，退出钻杆；

2)将矿用深孔密封取样装置的连接部与钻杆连接，此时取样阀门处于关闭状态，开启钻机同时向钻杆内通水，水流依次经过钻杆、连接部、储存部、取样部从钻头流出，钻机和钻杆配合将矿用深孔密封取样装置送至取样点后，加大供水量，冲去钻头处的杂物；

3)钻机的推进压力将矿用深孔密封取样装置前端的钻头顶在岩壁上，岩壁对钻头的反作用力使取样筒与取样阀门之间产生相对滑动，取样筒上的齿槽带动齿轮转动，使球型阀芯的开口转动至与钻头和储存部连通，取样阀门开启；钻机持续推进取样，当钻机的推进行程超过取样装置总长时，将钻机保持旋转往后退钻，岩壁对钻头的反作用力消失，取样阀门在复位弹簧的弹力作用下关闭；

4)持续使钻机旋转，逐根退钻，直至将矿用深孔密封取样装置回收至钻机处，将矿用深孔密封取样装置从钻杆上取下，取下连接部的橡胶塞，将样品中的气体组分抽出，再取下连接部，将样品中的固体和液体进行分离，即可在符合条件的情况下对所取样品进行分析，得到取样点样品的真实情况。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、现有取样装置通过高压泵驱动高压水剪切销钉来实现阀门开闭，操作者无法判断销钉是否被剪断，也无法判断取样是否成功，并且该种取样装置对钻杆的密封性要求较高；而本发明通过钻机的推进压力和岩壁对取样装置的反作用力实现取样阀门的启闭，取样装置到达取样位置后可自动开启取样阀门，取样完毕后，钻机退杆时取样阀门自动关闭，取样成功率高，并且对钻杆无任何特殊性要求，取样装置的适用性更高。

2、本发明的储存部由内筒和外筒组成，与现有取样装置采用外筒、中筒和内筒的结构相比，本取样装置的可容纳样品空间的横截面积比现有装置大70％左右，增大了一次性取样的样品量，有效提高了取样效率，加快煤矿开采流程。

3、本发明通过在连接部设置第一抽样孔和第二抽样孔，当取样完毕后，打开连接部的橡胶塞即可将取样部内筒存储的样品中的气体组分抽出，气体抽出后将连接头取下即可取出样品中的固体和液体；样品气体、液体、固体分离操作简单快捷，有效提高了样品的检测效率和检测结果的准确性。

4、目前SDQ快速取样装置仅能取孔深120M以内的样品，而本发明的取样装置的取样深度不受水压的限制，可以取到孔深500M甚至千米以上的样品。

5、本发明的整体结构简单，制造成本低，操作使用方便快捷，具备较好的密封性，煤样保压效果好，有效提高了样品的测量准确性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的爆炸结构示意图；

图3为本发明的正视图及其A-A方向的剖视图；

图4为本发明的取样筒的立体结构示意图；

图5为本发明的连接部的结构示意图及其B-B方向的剖视图；

图6为本发明的储存部的结构示意图及其C-C方向的剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：

钻头1，切削齿11，出水孔12，内防护套13；

取样部2，取样筒21，过水孔211，条形孔212，齿槽213，球型阀芯22，齿轮221，第一阀座23，第二阀座24，复位弹簧25，外防护套26，过水管27；

储存部3，内筒31，储样空间311，外筒32，安装孔321，环槽322，过水间隙33；

连接部4，连接头41，第一抽样孔411，第一进水孔412，第二进水孔413，安装筒42，法兰盘43，第二抽样孔431，橡胶塞432。

实施例

如图1所示，一种矿用深孔密封取样装置，包括同轴依次设置的钻头1、取样部2、用于储存样品的储存部3和用于连接钻杆的连接部4。

如图1-3所示，钻头1包括切削部，切削部的一端的端面上成型有若干切削齿11，切削部的另一端的端面上成型有连接杆，连接杆的外部套设有内防护套13，内防护套13用于保护钻头1的连接杆，延长钻头1的使用寿命。

如图1-4所示，取样部2包括取样筒21、取样阀门和复位弹簧25，取样筒21与钻头1固定连接，取样筒21上对称开设有两个条形孔212，两个条形孔212的边缘均设有齿槽213；取样阀门包括阀座，阀座包括固定连接的第一阀座23和第二阀座24，第一阀座23和第二阀座24可滑动安装在取样筒21内，第一阀座23和第二阀座24内可转动安装有球型阀芯22，球型阀芯22可转动安装在第一阀座23和第二阀座24内部；沿球型阀芯22的中心线上开有贯穿球型阀芯22的开口，球型阀芯22的两侧通过固定螺栓对称安装有两个齿轮221，两个齿轮221分别位于取样筒21的两个条形孔212内，且齿轮221与对应条形孔212边缘的齿槽213啮合，固定螺栓贯穿第一阀座23、第二阀座24和条形孔212；复位弹簧25用于带动齿轮221在齿槽213上移动以实现取样阀门的开闭，复位弹簧25套设在钻头1的内防护套13上，且复位弹簧25的两端分别与内防护套13和第一阀座23固定连接；取样筒21还包括外防护套26，外防护套26套设于取样筒21上，外防护套26的一端与钻头1的切削部固定连接，外防护套26的另一端滑动套设于储存部3的外筒32上。

初始状态时，取样阀门处于关闭状态，复位弹簧25处于伸长状态，球型阀芯的开口处与取样筒21内壁相抵，切断钻头1与储存部3的连接通道；如图3所示，当取样装置到达取样点，钻机的推进压力使钻头1顶住岩壁，岩壁的反作用力使钻头1、取样筒21和外防护套26克服复位弹簧25的弹力向右移动，由于取样筒21条形孔212上的齿槽213与球型阀芯22的齿轮221啮合，取样筒21向右移动的过程中，齿槽213带动取样阀门的齿轮221转动，球型阀芯22随齿轮221发生转动，当取样筒21的右端与储存部3的左端相抵时，取样筒21停止右移，球型阀芯22的开口处转动至水平状态，取样阀门则处于开启状态，钻头1、取样筒21以及储存部3的内部连通；本发明的取样阀门启闭通过钻机直接控制，与现有技术通过高压水启闭阀门的方式相比，取样成功率更高，对钻杆无特殊要求，适用性更高；并且本发明的取样深度不受水压限制，可以取到孔深500M甚至千米以上的样品，对煤矿的开采取样工作具有重大意义。

如图1-3、5、6所示，储存部3包括外筒32，外筒32内部焊接固定有内筒31，内筒31内部设有用于储存样品的储样空间311；连接部4包括连接头41，连接头41的一端与储存部3的内筒31螺纹连接，连接头41的另一端设有用于连接钻杆的安装筒42，连接头41的外壁上一体成型有法兰盘43，法兰盘43通过螺栓与储存部3的外筒32固定连接，连接头41的轴向上设有与内筒31的储样空间311连通的第一抽样孔411，法兰盘43的外壁上开设有与第一抽样孔411连通的第二抽样孔431，第二抽样孔431内可拆卸安装有橡胶塞432。

取样阀门开启后，样品自钻头1、取样部2进入储存部3内筒31的储样空间311内，退出钻杆后，将橡胶塞432取下，通过注射器等装置可将样品的气体组分抽出，然后取下法兰盘43上的螺栓，将连接头41拆卸后，可将样品剩余的液体和固体组分取出；通过本发明能够快速将样品气体、液体、固体分离，且操作简单快捷，有效提高了样品的检测效率和检测结果的准确性。

本发明的储存部3由内筒31和外筒32组成，与现有取样装置采用外筒32、中筒和内筒31的结构相比，本取样装置的可容纳样品空间的横截面积比现有装置大70％左右，增大了一次性取样的样品量，有效提高了取样效率，加快煤矿开采流程。

如图1-6所示，钻头1的切削部上周向开设有若干出水孔12，取样筒21上周向开设有若干过水孔211；储存部3的外筒32和内筒31之间存在过水间隙33，外筒32靠近取样部2的一端周向开设有若干安装孔321，外筒32的内壁上开设有环槽322，环槽322与安装孔321连通，过水间隙33、环槽322和安装孔321形成过水通道；连接头41远离储存部3的端面上开设有若干与安装筒42连通的第一进水孔412，连接头41的外壁上开设有若干第二进水孔413，第二进水孔413的两端分别与第一进水孔412和储存部3的过水间隙33连通；取样部2还包括若干过水管27，过水管27的一端固定安装在取样筒21的过水孔211内，过水管27的另一端可滑动安装在外筒32的安装孔321内；本实施例中的出水孔12、过水孔211、安装孔321、过水管27均设置4个，第一进水孔412、第二进水孔413均设置6个。

将钻杆连接在安装筒42上，通过钻杆向取样装置内部供水，水流依次通过第一进水孔412、第二进水孔413、过水间隙33、环槽322、安装孔321、过水管27进入钻头1，并从钻头1的出水孔12排出。通过在取样筒21上设置可相对外筒32移动的过水管27，不仅能够为水流提供流通道路，还能够在开启、关闭取样阀门时，为钻头1、取样筒21和外防护套26的移动起导向作用，使取样阀门的启闭过程运行流畅，提高取样的成功率。

一种矿用深孔密封取样方法，采用上述矿用深孔密封取样装置进行取样，包括如下步骤：

1)取样孔钻进施工，当取样孔施工完毕后，退出钻杆；

2)将矿用深孔密封取样装置的连接部4与钻杆连接，此时取样阀门处于关闭状态，开启钻机同时向钻杆内通水，水流依次经过钻杆、连接部4、储存部3、取样部2从钻头1流出，钻机和钻杆配合将矿用深孔密封取样装置送至取样点后，加大供水量，冲去钻头1处的杂物；

3)钻机的推进压力将矿用深孔密封取样装置前端的钻头1顶在岩壁上，岩壁对钻头1的反作用力使取样筒21与取样阀门之间产生相对滑动，取样筒21上的齿槽213带动齿轮221转动，使球型阀芯22的开口转动至与钻头1和储存部3连通，取样阀门开启；钻机持续推进取样，当钻机的推进行程超过取样装置总长时，将钻机保持旋转往后退钻，岩壁对钻头1的反作用力消失，取样阀门在复位弹簧25的弹力作用下关闭；

4)持续使钻机旋转，逐根退钻，直至将矿用深孔密封取样装置回收至钻机处，将矿用深孔密封取样装置从钻杆上取下，取下连接部4的橡胶塞432，将样品中的气体组分抽出，再取下连接部4，将样品中的固体和液体进行分离，即可在符合条件的情况下对所取样品进行分析，得到取样点样品的真实情况。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。