基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法。

背景技术

瓦斯是矿井安全生产的主要威胁之一，其是以甲烷为主要成分的可燃性气体，以吸附和游离的形态赋存于煤层或围岩内。近年来，我国诸多矿区的生产实践中发现，煤矿开采过程中的硫化氢气体与甲烷混合气体已构成了新的灾害。

硫化氢在标准状况下是一种易燃的酸性气体，无色，低浓度时有臭鸡蛋气味，浓度极低时便有硫磺味，有剧毒。硫化氢气体能溶于水，易溶于醇类、石油溶剂和原油。因此，在该类矿井的生产过程中，需准确掌握煤层甲烷与硫化氢混合气体含量分布，以便于为煤炭的安全稳定供给以及井下作业人员的身心健康提供技术保障。

我国目前最常用的井下直接法测定的煤层瓦斯含量由煤样井下瓦斯解吸量、实验室残存瓦斯量以及取样过程的瓦斯损失量三部分组成。其中前两者可实测，瓦斯损失量则是根据煤样在井下前几分钟的解吸规律与取芯时间推算得到，瓦斯损失量的推算结果受取样方式的影响很大。

常用的取样方法有：

(1)钻屑法取样操作简单但易混样，无法保证煤样的纯净，其测定结果的可靠性难以保证；

(2)取芯管法能够实现煤层中定点取样，且取样深度也较长，但取样过程中由于钻头切削煤体以及管壁与钻孔壁摩擦等的生热，导致取芯管壁温度升高，加剧了取样过程煤芯的瓦斯解吸速度，因此真实取芯过程的瓦斯损失量比常温环境推算值更大，当取芯时间较长时，所取样品甚至出现不解吸的情况；此外，该种方法根本不适宜于含硫化氢气体时的有害气体含量测定，这是由于硫化氢气体的活性很强，遇热随即产生反应；

(3)正压反循环压风取样和负压引射取样技术既能够定点取样又可缩短取样时间，但对风压要求较高，而且以煤芯在常压下的解吸规律来推算正压或负压环境下的瓦斯损失量与实际不符；

(4)密闭液密闭等保压取芯技术目的是阻止或减少取芯过程的瓦斯漏失，但密闭液有时不能将煤芯完全包裹，甚至还会污染煤样，此方法尚未被工程应用所接受；

(5)冷冻取芯煤层瓦斯含量测定技术，即当钻进至预定取芯位置后，换上冷冻取芯器完成钻削取样，煤芯在制冷剂作用下迅速降至0℃以下，尽可能地减缓取芯过程中煤芯瓦斯解吸，降低瓦斯损失量，但该技术需在钻进至预定位置后随即退钻，而后更换冷冻取芯装置实施煤样的钻取，因此退钻至更换冷冻取芯装置的过程将导致取样煤体瓦斯产生损失。

综上所述，目前常用的几种煤岩层有害气体含量的直接测定方法均存在不同程度的不足，其核心在于如何实现钻进过程中的随钻随取，且可消除或尽可能的降低取样过程中的气体损失量是煤岩层有害气体含量的准确可靠测定的关键所在。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题的基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法，包括以下步骤：

S1：将三翼内凹钻头安装在双层端部钻杆的端部外层管前端，将用于采取煤样的取样总成安装在端部钻杆的端部内层管前部，将端部钻杆的后端与双层钻杆的内外层管对应连接，而后将双层钻杆外侧一端与钻机上的夹持装置连接，并将双层钻杆的末端与尾部接头连接；将尾部接头的尾部外管接口和尾部接头的尾部内管接口分别与涡流管的冷端管连通；将煤矿井下的压风风管与涡流管的喷嘴端连通；

S2：开启钻机对煤体进行切削；在此过程中，煤矿井下的压风通过涡流管的涡流室进行冷、热分离后，冷空气分别进入双层管的内管空间和双层管之间的空间内，对煤体进行冷却以及排出煤渣；

S3：待钻进至一定的距离后，停止钻进，并拆除双层钻杆与尾部接头的连接，添加新的双层钻杆后再将双层钻杆与尾部接头进行连接；重复S2～S3，直至钻进至预定取样的位置；

S4：待钻进至预定取样的位置后，关闭双层钻杆内层管的进风口，持续钻进，在此过程中取样总成进行取样，取样完毕后，关闭压风风源并拆除尾部内管接口与涡流管的连接，而后将橡胶球经由内管接头放入尾部接头内；而后再次将尾部内管接头与涡流管的一端通过高压胶管进行连接，并打开压风的风源，使得橡胶球在冷风的作用下进入至取样总成的球座上，并驱动密封执行块体切断储集管进口处的煤屑，同时与支撑架连接为一体的密封橡胶压入储集管的后端开口，并对储集管进行密封；

S5：将取样总成从端部钻杆上拆下，取下储集管，并将储集管上设置的针形阀与试验管道上设置的硅胶管连接，而后打开罗茨真空泵，对煤样进行检测。

进一步的，步骤中提到的取样总成包括输送管、带有螺旋叶片的内置钻杆，内置钻杆的外圆周上固定螺旋叶片，内置钻杆置于输送管内部与输送管同轴心，输送管的尾端固定在圆柱定位块体的前端，圆柱定位块体固定在端部内层管的内壁上，圆柱定位块体后方设置有密封执行块体，密封触发杆依次穿过密封执行块体和圆柱定位块体，密封执行块体后方固定有与输送管相对应的储集管，增压框架为密封触发杆提供动力，密封触发杆的移动能够实现密封执行块体对储集管的前端进行密封。

进一步的，密封触发杆从前到后依次包括一体设计的触发杆前部、触发部和触发杆后部，触发杆前部为水平杆，触发杆前部的尾端与触发部的前端一体连接，触发部为一个倾斜的连接杆，触发部的后端朝向端部内层管的轴线倾斜，触发杆后部为水平杆，触发部的尾端与触发杆后部的前端一体连接，密封触发杆的横断面为矩形面，相对应的密封执行块体上开有与触发部相配合的触发槽，触发槽包括垂直贯穿密封执行块体的矩形槽，矩形槽的前部靠近密封执行块体外壁的一侧设置有与矩形槽连通的前倾斜槽，矩形槽的后部靠近半圆柱型块的一侧设置有与矩形槽连通的后倾斜槽，前倾斜槽和后倾斜槽连通，前倾斜槽和后倾斜槽连通后正好与触发部相配合。

进一步的，密封触发杆的后端通过支撑架进行固定连接，支撑架的中部朝向储集管的一侧固定密封橡胶，储集管的后端开有开口，密封橡胶与此开口相配合且能够对此开口进行封堵，推杆的前端固定在支撑架的中部后端上，推杆的后端与增压框架内设置的输出斜体连接。

进一步的，增压框架内从前到后依次设置有能够滑动的输出斜体、传力圆块和输入斜体，推杆的后端穿过增压框架的前侧框架后进入增压框架内部固定在输出斜体的前端面上，输出斜体的前端面与增压框架相对的侧壁之间的推杆上套有弹簧一，输入斜体的后端延伸到增压框架的外侧后设置有与输入斜体一体的限位台阶，限位台阶与增压框架的后端侧壁之间设置有弹簧二，限位台阶的后端侧壁上固定开口朝后的球座，球座与橡胶球相配合。

进一步的，输入斜体朝向传力圆块的侧壁为倾斜面，输出斜体朝向传力圆块的侧壁也为倾斜面，输入斜体的倾斜面与水平面的夹角小于输出斜体的倾斜面与水平面的夹角。

进一步的，步骤S5中，待真空热偶计的示数小于20时，打开储集管的针形阀，同时开启质量流量传感器、气体浓度传感器、监控系统，记录储集管内流出的气体的流量、甲烷与硫化氢气体的浓度数值；直至质量流量传感器的示数为0，且罗茨真空泵上的真空热偶计示数小于20，则可关闭罗茨真空泵、质量流量传感器、气体浓度传感器。

进一步的，所述质量流量传感器、气体浓度传感器设置于防硫化氢气体腐蚀的试验管道上，且质量流量传感器进气、出气端的直管段内径分别不低于10倍、5倍试验管道内径，试验管道与储集管需置于恒温空气浴内，且恒温空气浴设置的温度应与煤层温度一致。。

进一步的，包括步骤S6，将监控系统存储的气体流量、浓度数据提取，定义标准状态下的气体流量数据为q m

式中：Q为标准状态下采集煤样中的累计气体量，m

进一步的，包括步骤S7，经过步骤S6后将煤样从储集管中取出，称取其重量，定义为M，则煤层内的有害气体含量为Q/M；煤层内的甲烷气体含量为

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过采用涡流管连接煤矿井下压风风源的方法对空气实施冷、热分离，将分离后的冷空气作为钻进过程中的排渣媒介，同时使得钻具前方的煤体中的水分凝结成冰，进而堵塞煤体中瓦斯、硫化氢气体运移的通道，防止取样过程中的煤样瓦斯、硫化氢气体逸散，切实保障了测试结果的可靠性；

(2)本发明其在施工的过程可对待定位置的煤体进行取样，无需更换取芯装置，且采用零度以下的冷风源作为排渣与冻结煤体的媒介，不会污染煤体；

(3)本发明采用内置螺旋叶片与储集管的方法，实现取样过程中煤样的收集与存储，通过后续的橡胶球冲击球座结合增压传导的结构实现储集管的密封；摒弃了传统的排水法收集煤样逸散气体的方法，通过罗茨真空泵对处于恒温状态的煤样进行脱气，进一步对流量、浓度的在线监测数据采用多项式拟合的方法得到相应与时间的函数，最终通过积分的方法即可准确获取煤样内的甲烷、硫化氢气体含量。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明创造端部钻杆处的剖视图；

图2为双层钻杆与尾部接头处的剖视图；

图3为图1中A-A处的剖视图；

图4为图1中B-B处的剖视图；

图5为图1中C-C处的剖视图；

图6为密封触发杆与圆柱定位块体、密封执行块体处结构的剖视图；；

图7为三通的剖视图；

图8为涡流管的剖视图；

图9为检测装置的结构示意图。

附图标记：

100、端部钻杆；110、端部外层管；120、端部内层管；130、台阶孔一；140、台阶孔二；200、双层钻杆；210、钻杆外管；220、钻杆内管；300、尾部接头；310、尾部外管；311、尾部外管接口；320、尾部内管；321、尾部内管接口；330、旋转接头；340、轴承；400、三翼内凹钻头；410、金刚石截齿；500、取样总成；510、输送管；520、内置钻杆；521、螺旋叶片；522、螺旋钻头；530、圆柱定位块体；540、密封执行块体；541、半圆柱型块；542、矩形槽；543、前倾斜槽；544、后倾斜槽；550、密封触发杆；551、触发杆前部；552、触发部；553、触发杆后部；560、储集管；561、固定支撑板；570、推杆；571、密封橡胶；572、针型阀；573、弹簧一；580、支撑架；590、增压框架；591、输出斜体；592、传力圆块；593、输入斜体；5931、限位口；594、限位台阶；595、弹簧二；596、球座；597、橡胶球；598、限位半球；600、三通；610、阀门一；620、阀门二；630、阀门三；700、涡流管；710、冷端管；720、喷嘴端；730、热端管；800、罗茨真空泵；810、真空热偶计；820、试验管道一；830、试验管道二；840、硅胶管；850、质量流量传感器；860、气体浓度传感器；870、监控系统；880、空气浴。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图9，为一种基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法，包括三翼内凹钻头400和取样总成500，三翼内凹钻头400固定在端部钻杆100的前端，取样总成500位于三翼内凹钻头400和端部钻杆100的前端内部。端部钻杆100的后端与双层钻杆200的前端可拆卸固定连接，双层钻杆200一端外侧与钻机上的夹持装置连接，双层钻杆200的后端与尾部接头300的前端固定连接，尾部接头300的后端通过三通600与涡流管700连接。

端部钻杆100、双层钻杆200和尾部接头300均是双层管结构，端部钻杆100、双层钻杆200和尾部接头300的内管空间依次连通，端部钻杆100、双层钻杆200和尾部接头300的外管与内管之间的空间依次连通，内管和外管之间通过键连接，内管和外管同时转动。双层管结构的设计为了在钻进过程中进行排渣。

尾部接头300包括尾部外管310和尾部内管320，尾部外管310上设置有尾部外管接口311，尾部内管320上设置有尾部内管接口321，尾部外管接口311与三通600的阀门一610通过高压胶管连接；尾部内管接口321与三通600的阀门二620通过高压胶管连接；三通600的阀门三630与涡流管700的冷端管710接头通过高压胶管连接，将煤矿井下的压风风管与涡流管700的喷嘴端720通过高压胶管连接。涡流管700的热端管730排空处理。

为了不影响尾部接头300与双层钻杆200连接后能够旋转，尾部外管接口311和尾部内管接口321分别通过旋转接头330与尾部外管310和尾部内管320连接。尾部外管310和尾部内管320之间通过轴承340连接。

双层钻杆200包括钻杆外管210和钻杆内管220。钻杆外管210的后端与尾部外管310的前端通过螺纹固定密封连接。钻杆内管220的后端与尾部内管320的前端固定密封连接。

端部钻杆100包括同轴心的端部外层管110和端部内层管120，端部外层管110的后端与钻杆外管210的前端通过螺纹固定连接，端部内层管120的后端与钻杆内管220的前端密封固定连接。

端部外层管110的前端通过螺纹固定连接三翼内凹钻头400，三翼内凹钻头400的前端为金刚石截齿410。

取样总成500包括输送管510、带有螺旋叶片521的内置钻杆520、圆柱定位块体530、密封执行块体540、密封触发杆550、储集管560、密封橡胶571、针型阀572、推杆570、支撑架580、增压框架590。

内置钻杆520的外圆周上固定螺旋叶片521，内置钻杆520置于输送管510内部与输送管510同轴心，内置钻杆520的前端为螺旋钻头522，螺旋钻头522突出于输送管510的前端，螺旋钻头522与三翼内凹钻头400的端部齐平。内置钻杆520的尾部与输送管510的尾部齐平。输送管510与螺旋叶片521固定为一体，螺旋叶片521横截面上每90°设置一凸起，输送管510的内壁上设置有与凸起对应的凹槽，装配时将带有螺旋叶片521的内置钻杆520嵌入输送管510固定。

输送管510的尾端固定在圆柱定位块体530的前端，输送管510的尾端设置有外螺纹与圆柱定位块体530的前端螺纹配合，输送管510的尾端通过拧入的方式使带有螺旋叶片521的内置钻杆520固定于圆柱定位块体530上。圆柱定位块体530固定在端部内层管120的内壁上。端部内层管120的内壁前端为台阶孔一130，紧邻台阶孔一130为台阶孔二140，台阶孔一130的内径大于台阶孔二140的内径。圆柱定位块体530嵌在台阶孔一130内。

圆柱定位块体530的后方为一对对称的密封执行块体540，密封执行块体540相对于密封触发杆550为U型结构，密封触发杆550的两个触发杆前端分别从后往前依次穿过密封执行块体540和圆柱定位块体530，密封执行块体540和圆柱定位块体530上开有便于密封触发杆550滑动的通孔，密封触发杆550能够相对于密封执行块体540和圆柱定位块体530前后滑动。密封执行块体540位于台阶孔二140内，顶在圆柱定位块体530上。

装配时首先将密封执行块体540从台阶孔一130内装入，将圆柱定位块体530从台阶孔一130的前侧装配到台阶孔一130内直到圆柱定位块体530顶在台阶孔二140的台阶处为止，密封执行块体540紧靠圆柱定位块体530。

密封执行块体540是套在密封触发杆550的对应的触发杆上的，密封触发杆550往前移动时，密封执行块体540能够朝向轴线运动，密封执行块体540相对的侧壁上设置有与密封执行块体540一体的半圆柱型块541，两个半圆柱型块541能够拼接成完整的圆柱体。半圆柱型块541的边缘设置有强磁介质，且一个截面为凹型，另一个截面为凸型，凹型和凸型的结构部分相配合，在凹型槽内设置有一橡胶密封垫。

储集管560位于密封执行块体540的后方，储集管560的外圆周壁上固定有四个朝外辐射的固定支撑板561，相对应的端部内层管120的内壁上开有与固定支撑板561相对应的卡槽，固定支撑板561卡在卡槽内进行固定，也便于拆卸。

储集管560位于密封触发杆550内部，密封触发杆550的触发杆是穿过固定支撑板561与固定支撑板561之间的缝隙后再穿过密封执行块体540和圆柱定位块体530。

优选的，圆柱定位块体530、密封执行块体540沿轴向方向开设若干均匀分布的筛孔，用于在钻进的过程中为高压气体提供流通通道。

储集管560与输送管510相对应，输送管510与储集管560之间通过圆柱定位块体530、密封执行块体540进行过度。

密封触发杆550从前到后依次包括一体设计的触发杆前部551、触发部552和触发杆后部553，触发杆前部551为水平杆，触发杆前部551的尾端与触发部552的前端一体连接，触发部552为一个倾斜的连接杆，触发部552的后端朝向端部内层管120的轴线倾斜，触发杆后部553为水平杆，触发部552的尾端与触发杆后部553的前端一体连接。密封触发杆550的横断面为矩形面。

相对应的密封执行块体540上开有与触发部552相配合的触发槽，触发槽包括垂直贯穿密封执行块体540的矩形槽542，矩形槽542的前部靠近密封执行块体540外壁的一侧设置有与矩形槽542连通的前倾斜槽543，矩形槽542的后部靠近半圆柱型块541的一侧设置有与矩形槽542连通的后倾斜槽544，前倾斜槽543和后倾斜槽544连通，前倾斜槽543和后倾斜槽544连通后正好与触发部552相配合。这样的设计使得密封触发杆550往前移动时，当触发部552移动到进入到后倾斜槽544内时，由于触发部552朝内倾斜，触发部552推动密封执行块体540朝内运动实现对储集管560前端的密封。

推杆570的前端固定在支撑架580的中部后端上，推杆570的后端与增压框架590连接，增压框架590推动推杆570，推杆570推动密封触发杆550的运动。

密封触发杆550的后端通过支撑架580进行固定连接，密封触发杆550的触发杆通过固定螺母固定在对应的支撑架580的一侧，支撑架580的中部朝向储集管560的一侧固定密封橡胶571，储集管560的后端开有开口，密封橡胶571与此开口相配合能够对此开口进行封堵。针型阀572设置在密封橡胶571上，打开针型阀572，储集管560内部能够与外部连通。

增压框架590内从前到后依次设置有能够滑动的输出斜体591、传力圆块592和输入斜体593。推杆570的后端穿过增压框架590的前侧框架后进入增压框架590内部固定在输出斜体591的前端面上，输出斜体591的前端面与增压框架590相对的侧壁之间的推杆570上套有弹簧一573，输入斜体593的后端延伸到增压框架590的外侧后设置有与输入斜体593一体的限位台阶594，限位台阶594与增压框架590的后端侧壁之间设置有弹簧二595，限位台阶594的后端侧壁上固定有开口朝后的球座596，球座596与橡胶球597相配合。

橡胶球597给球座596推力后，输入斜体593朝向传力圆块592运动，传力圆块592的移动推动输出斜体591朝前移动，输出斜体591推动推杆570朝前运动，推杆570推着支撑架580，支撑架580带动密封触发杆550朝前运动，密封触发杆550的移动推动密封执行块体540朝向轴线相对运动，实现对储集管560的密封。

增压框架590外壁设置有凸起，凸起嵌在台阶孔二140内，台阶孔二140的右端实现对右侧凸起的限位。

优选的，输入斜体593朝向传力圆块592的侧壁为倾斜面，输出斜体591朝向传力圆块592的侧壁也为倾斜面，输入斜体593的倾斜面与水平面的夹角小于输出斜体591的倾斜面与水平面的夹角。

假如输入斜体593与输出斜体591的斜面倾斜角度分别为A、B，取样时橡胶球597作用于球座596上的作用力通过输入斜体593、传力圆块592、输出斜体591可将作用于球座596上的作用力按以下关系进行放大：

F

其中A：输入斜体593的斜面角度；B：输出斜体591的斜面角度；F1：输入斜体593的推力；F2：输出斜体591的推力。

以A＝30°；B＝60°为例，故F2＝3F1，力被放大了3倍。假如A＝15°；B＝75°，则F2＝14F1。

优选的，输入斜体593上开有限位口5931，增压框架590上固定有限位半球598与限位口5931相配合，限位半球598位于输入斜体593与增压框架590之间，限位半球598与增压框架590之间通过弹簧连接，输入斜体593朝前运动后，当限位口5931运动到限位半球598处时，限位半球598能够在弹簧的弹力作用下弹出，限位半球598能够卡在限位口5931内。

储集管560内采集的煤样需要用检测装置进行检测，检测装置包括罗茨真空泵800，罗茨真空泵800的进气口处设置有真空热偶计810，罗茨真空泵800的进气口与试验管道一820的一端连通，试验管道一820的另外一端与试验管道二830的一端连通，试验管道二830的另外一端连接有硅胶管840，硅胶管840用于与储集管560的密封橡胶571上的针形阀572连通。试验管道一820与试验管道二830的连接处设置有质量流量传感器850，试验管道二830和硅胶管840的连接处设置有气体浓度传感器860，质量流量传感器850和气体浓度传感器860分别与监控系统870连通。

质量流量传感器850、气体浓度传感器860设置于防硫化氢气体腐蚀的试验管道上，且质量流量传感器850进气、出气端的试验管道段内径分别不低于10倍、5倍的试验管道内径；试验管道与储集管560至于空气浴880中，且空气浴880的温度与煤层的温度相同。

基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法，包括以下步骤：

S1：将三翼内凹钻头400、取样总成500与端部钻杆100连接后，与双层钻杆200连接，而后将双层钻杆200一端与钻机上的夹持装置连接，并将双层钻杆200的末端与尾部接头300连接；而后将尾部外管接口311与三通600带有阀门一610的一端通过高压胶管连接；将尾部内管接口321与三通600带有阀门二620的一端通过高压胶管连接；将三通600带有阀门三630的一端与涡流管700的冷端管710通过高压胶管连接，将煤矿井下的压风风管与涡流管700的喷嘴端720通过高压胶管连接；

S2：打开阀门一610、阀门二620、阀门三630，并开启钻机使得三翼内凹钻头400、取样总成500与端部钻杆100、双层钻杆200进行旋转，并对煤体进行切削；在此过程中，煤矿井下的压风通过涡流管700的涡流室进行冷、热分离后，冷空气则经由冷端管710进入三通600带有阀门三630的一端，而后分流至尾部接头300的尾部外管接口311、尾部内管接口321，分别进入钻杆外管210与钻杆内管220的环形空间、钻杆的内管内；最终分别从三翼内凹钻头400与螺旋钻头522的环形空间、输送管510与内置钻杆520的环形空间流出，实现三翼内凹钻头400、螺旋钻头522的冷却以及排出煤渣；

S3：待钻进至一定距离后，随即可停止钻进，并拆除双层钻杆200与尾部接头300的连接，添加新的双层钻杆200后再将双层钻杆200与尾部接头300进行连接；重复S2～S3，直至钻进至预定取样的位置；

S4：待钻进至预定取样的位置后，关闭阀门二620，持续钻进，在此过程中螺旋钻头522切削下的煤屑将通过螺旋叶片521逐渐进入输送管510内，最终进入到储集管560内；待钻进一定距离后，关闭压风风源并拆除尾部内管接口321与三通600带有阀门二620的一端的连接，而后将橡胶球597经由尾部内管接头321放入尾部接头300内；而后再次将尾部内管接头321与三通600带有阀门一610的一端通过高压胶管进行连接，并打开压风的风源，使得橡胶球597在冷风的作用下进入至取样总成500的球座596上，橡胶球597在冷风的作用下推动球座596，球座596推动增压框架590运动，增压框架590驱动密封触发杆550，密封触发杆550驱动密封执行块体540相对运动切断储集管560进口处的煤屑，同时与支撑架580连接为一体的密封橡胶571压入储集管560的尾部开口，对储集管560进行密封；而后，可拆除尾部接头300与双层钻杆200的连接，并逐步将双层钻杆200、取样总成500、端部钻杆100、三翼内凹钻头400退出钻孔；

S5：将取样总成500从端部钻杆100上拆下，而后拆除输送管510与圆柱定位块体530，并断开推杆570与支撑架580的连接；并将与储集管560一体的针型阀572与硅胶管840进行连接，而后打开罗茨真空泵800，待真空热偶计810的示数小于20时，打开针型阀572，同时开启质量流量传感器850、气体浓度传感器860、监控系统870，记录储集管560内流出的气体的流量、甲烷与硫化氢气体的浓度数值；直至质量流量传感器850的示数为0，且罗茨真空泵800上的真空热偶计810示数小于20，则可关闭罗茨真空泵800、质量流量传感器850、气体浓度传感器860；所述质量流量传感器850、气体浓度传感器860设置于防硫化氢气体腐蚀的试验管道上，且质量流量传感器850进气、出气端的试验管道段的直径分别不低于10倍、5倍的其他部分的试验管道直径；进一步所述试验管道与储集管560至于空气浴880中，且空气浴880的温度与煤层的温度相同；

S6：而后将监控系统870存储的气体流量、浓度数据提取，定义标准状态下的气体流量数据为q m

式中：Q为采集煤样中的累计气体量，m

S7：而后将煤样从储集管560中取出，称取其重量，定义为M，则煤层内的有害气体含量为Q/M；煤层内的甲烷气体含量为

本发明提出了基于冷冻取样工艺的煤岩层有害气体含量的直接测试方法，通过采用涡流管700连接煤矿井下压风风源的方法对空气实施冷、热分离，将分离后的冷空气作为钻进过程中的排渣媒介，同时对钻具前方煤体实施降温、冷冻，使得钻具前方的煤体中的水分凝结成冰，进而堵塞煤体中瓦斯、硫化氢气体运移的通道，防止取样过程中的煤样瓦斯、硫化氢气体逸散；采用内置螺旋叶片521与储集管560的方法，实现取样过程中煤样的收集与存储，通过后续的橡胶球597冲击球座596结合增压传导的结构实现储集管560的密封；摒弃了传统的排水法收集煤样逸散气体的方法，通过罗茨真空泵800对处于恒温状态的煤样进行脱气，进一步对流量、浓度的在线监测数据采用多项式拟合的方法得到相应与时间的函数，最终通过积分的方法即可准确获取煤样内的甲烷、硫化氢气体含量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。