阅读说明：本技术 一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备及方法 (Equipment and method for adopting coal core for low-temperature gas medium cooling drill bit ) 是由 林海飞 秦雷 李锦良 赵鹏翔 严敏 潘红宇 丁洋 李绍蓉 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备及方法,取芯设备包括低温介质储罐、低温气体缓冲罐、压风系统、钻机、钻杆以及钻头；其方法的核心技术点为：低温介质储罐中的低温介质(液氮或液态二氧化碳)进入到低温气体缓冲罐中后,利用液态介质低温相变产生的压力,使低温气体从低温气体缓冲罐中进入低温气体管路和出气管路对钻头降温,从而达到低温采取煤芯的目的,解决了采取煤芯过程中钻头与煤层摩擦生热导致煤样瓦斯解吸过快,漏失量大的问题,有利于提高煤层瓦斯含量测值的准确性。(the invention discloses a device and a method for adopting a coal core for a low-temperature gas medium cooling drill bit, wherein the coring device comprises a low-temperature medium storage tank, a low-temperature gas buffer tank, a compressed air system, a drilling machine, a drill rod and a drill bit; the core technical points of the method are as follows: after a low-temperature medium (liquid nitrogen or liquid carbon dioxide) in the low-temperature medium storage tank enters the low-temperature gas buffer tank, the low-temperature gas enters the low-temperature gas pipeline and the gas outlet pipeline from the low-temperature gas buffer tank to cool the drill bit by utilizing the pressure generated by the low-temperature phase change of the liquid medium, so that the purpose of low-temperature coal core taking is achieved, the problems that the desorption of coal sample gas is too fast and the leakage amount is large due to the fact that the drill bit generates heat by friction with a coal bed in the coal core taking process are solved, and the accuracy of the measured value of the gas content of.)

一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备及方法

技术领域

本发明涉及煤层取芯领域，特别是一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备及方法。

背景技术

我国是一个煤炭资源大国，也是煤炭消费大国，随着开采活动的进行，煤炭资源的深部开采已经成为新常态，而深部埋藏煤层瓦斯赋存丰富，同时瓦斯灾害也更加严重。据统计，我国高瓦斯矿井和由瓦斯突出危险的矿井占到了全国矿井总量的30％，重、特大瓦斯事故的高发频率并没有得到根本性的解决，这将严重阻我国安全生产工作的顺利进行。因此，煤矿瓦斯灾害治理工作，势在必行。

煤层瓦斯含量不仅是煤层瓦斯资源勘探开发不可或缺的基础参数，而且还是区域防突措施效果检验的主要指标。煤层瓦斯含量决定着矿井瓦斯等级，矿井瓦斯涌出量的大小，是矿井瓦斯涌出量和煤层突出危险性预测的重要依据。

目前，井下煤层瓦斯含量的测定方法主要有间接法和直接法，煤矿现场一般采用直接法。取芯法在取芯过程由于取芯钻头的对煤壁的切割以及取芯管的钻进回转与孔壁的摩擦均会导致取芯管和管内煤样温度升高，导致瓦斯解吸加速，漏失量增大，影响瓦斯含量测值的准确性，这可能会给国家造成严重的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备及方法，以解决上述技术背景中提出的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备，包括低温介质储罐、低温气体缓冲罐、压风系统、钻机、钻杆以及钻头；低温介质储罐通过管道依次与低温气体缓冲罐和钻机连接；所述压风系统通过管道与钻机连接，钻头通过钻杆与钻机连接。

进一步的，钻头包括中空型钻头和麻花型钻头；钻杆包括第一钻杆和第二钻杆，中空型钻头和麻花型钻头的的一端分别设有螺纹连接头，中空型钻头和麻花型钻头的另一端分别设有金刚钻颗粒；中空型钻头和麻花型钻头分别通过螺纹连接头与第一钻杆和第二钻杆的一端螺纹连接；第一钻杆和第二钻杆的另一端与钻机连接；第一钻杆的外壁圆周上以及第二钻杆的内部分别设有低温气体管路；中空型钻头的圆周上以及麻花型钻头的内部分别设有出气管路；低温气体管路和出气管路互相连通。

进一步的，低温介质储罐与低温气体缓冲罐之间的连接管道上设有第一阀门；低温气体缓冲罐与钻机之间的连接管道上设有第二阀门；压风系统与钻机之间的连接管道上设有第,三阀门。

进一步的，低温气体缓冲罐上分别设有压力表、温度表以及泄压阀，用于监测低温气体缓冲罐中低温气体的压力和温度，当压力过高时，可通过泄压阀释放部分气体降低罐中的压力。

进一步的，低温介质储罐中的低温介质为液氮或液态二氧化碳，液氮或液态二氧化碳具有制备简单、原料来源广泛等优点，降低设备的运行成本。

进一步的，低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备还包括煤样采集器、所述煤样采集器用于收集采取出来的煤芯。

一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯的方法，包括以下步骤：

S1、在未经过瓦斯抽采的石门、岩石巷道或新暴露的采掘工作面向岩层上布置孔位，同一地点至少应布置两个取样钻孔，且两个租养钻孔的间距不小于5m；

S2、根据取芯的种类选择不同的钻杆和钻头安装在钻机上；

S3、将钻头对准布置的孔位，打开第三阀门，利用压风系统给钻机提供钻进动力开始对岩层钻孔，采取煤层中的煤芯；

S4、打开第一阀门和第二阀门，利用液态介质低温相变产生的压力，使低温气体从低温气体缓冲罐中进入到低温气体管路和出气管路对钻头降温；

S5、取出煤芯后，对于柱状煤芯，采取中间含矸石少的完整的部分；对于粉状及块状煤芯，剔除矸石、泥土和研磨烧焦部分，并保持自然状态装入煤样采集器中。

进一步的，所述步骤S2中，当需要采取柱状煤芯时，使用中空型钻头和第一钻杆；当需要采取粉状煤芯时，使用麻花型钻头和第二钻杆。

进一步的，所述步骤S3中，钻孔取芯时，取芯长度不小于0.4m。

本发明的有益效果是：本发明把低温气体介质冷却与采取煤芯设备相结合，钻头采取煤芯与低温气体排出同时进行，利用低温对采取煤芯过程中煤样瓦斯解吸的抑制作用，能够有效减少在采取煤芯过程中钻头与煤层摩擦生热导致煤样瓦斯解吸过快，漏失量大的问题，有利于提高煤层瓦斯含量测值的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中空型钻头和第一钻杆的结构示意图；

图3为本发明麻花型钻头和第二钻杆的结构示意图。

图中，1-煤层，2-岩层，3-钻头，4-钻杆，5-煤样采集器，6-钻机，7-压风系统，8-第三阀门，9-第二阀门，10-压力表，11-温度表，12-泄压阀，13-低温气体缓冲罐，14-第一阀门，15-低温介质储罐，16-螺纹连接头，17-金刚钻颗粒，18-低温气体管路，19-出气管路，31-中空型钻头，32-麻花型钻头，41-第一钻杆，42-第二钻杆。

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。需说明的是，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。

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，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例：

一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备，请参阅附图1-附图2所示，包括低温介质储罐15、低温气体缓冲罐13、压风系统7、钻机6、钻杆4以及钻头3；低温介质储罐15通过管道依次与低温气体缓冲罐13和钻机6连接；压风系统7通过管道与钻机6连接；钻头3通过钻杆4与钻机6连接。

进一步的，为满足本发明能采取出不同类型的煤芯，钻头3包括中空型钻头31和麻花型钻头32；中空型钻头31用于采取柱状煤芯，麻花型钻头32用于采取粉状煤芯，钻杆4包括第一钻杆41和第二钻杆42，中空型钻头31和麻花型钻头32的的一端分别设有螺纹连接头16，中空型钻头31和麻花型钻头32的另一端分别设有金刚钻颗粒17；中空型钻头31和麻花型钻头32分别通过螺纹连接头16与第一钻杆41和第二钻杆42的一端螺纹连接；第一钻杆41和第二钻杆42的另一端与钻机6连接；第一钻杆41的外壁圆周上以及第二钻杆42的内部分别设有低温气体管路18；中空型钻头31的圆周上以及麻花型钻头32的内部分别设有出气管路19；低温气体管路18和出气管路19互相连通；低温介质储罐15与低温气体缓冲罐13之间的连接管道上设有第一阀门14；低温气体缓冲罐13与钻机6之间的连接管道上设有第二阀门8；压风系统7与钻机6之间的连接管道上设有第三阀门8。

更进一步的，低温气体介质冷却钻头采取煤芯设备还包括煤样采集器5，煤样采集器5用于收集采取出来的煤芯。

优选的，低温气体缓冲罐13上分别设有压力表10、温度表11以及泄压阀12，用于监测低温气体缓冲罐13中低温气体的压力和温度，当压力过高时，可通过泄压阀释放部分气体降低罐中的压力，当罐中的温度过高时，可以通过第一阀门14加大低温介质的流速。

优选的，所述低温介质储罐15中的低温介质为液氮或液态二氧化碳，液氮或液态二氧化碳具有制备简单、原料来源广泛等优点，且在常压下，液氮/液态二氧化碳温度可达-196℃/-37℃，气化为低温气体介质可将煤芯温度迅速降低至0℃以下，降低设备的运行成本。

一种低温气体介质冷却钻头采取煤芯的方法，包括以下步骤：

S1、在未经过瓦斯抽采的石门、岩石巷道或新暴露的采掘工作面向岩层上布置孔位，同一地点至少应布置两个取样钻孔，且两个租养钻孔的间距不小于5m；

S2、根据取芯的种类选择不同的钻杆和钻头安装在钻机上；

S3、将钻头对准布置的孔位，打开第三阀门，利用压风系统给钻机提供钻进动力开始对岩层钻孔，采取煤层中的煤芯；

S4、打开第一阀门和第二阀门，利用液态介质低温相变产生的压力，使低温气体从低温气体缓冲罐中进入到低温气体管路和出气管路对钻头降温；

S5、取出煤芯后，对于柱状煤芯，采取中间含矸石少的完整的部分；对于粉状及块状煤芯，剔除矸石、泥土和研磨烧焦部分，并保持自然状态装入煤样采集器中。

进一步的，所述步骤S2中，当需要采取柱状煤芯时，使用中空型钻头和第一钻杆；当需要采取粉状煤芯时，使用麻花型钻头和第二钻杆。

进一步的，所述步骤S3中，钻孔取芯时，取芯长度不小于0.4m。

本发明具体在使用时，打开第一阀门14，将低温介质储罐15中的低温介质(液氮、液态二氧化碳)通过管道输送到低温气体缓冲罐13中转化为低温气体；低温气体缓冲罐13上安装有低温气体压力表10、低温气体温度表11、气体泄压阀12可以实时监测罐中气体的压力和温度，当罐中气压过高时，可通过泄压阀12放出部分气体，当罐中的温度过高时，可以通过第一阀门14加大低温介质的流速，更多的低温介质在汽化过程中吸收热量，从而降低罐中的温度；打开第二阀门9，由于液态低温介质相变产生的压力，低温气体从低温气体缓冲罐(13)中通过管道输送至钻机6中，经过钻杆4上的低温气体管路18从钻头3上的气体出口19排出，钻头3钻进采取煤芯过程与低温气体排出同时进行，从而达到低温钻进采取煤芯的目的。取出煤芯后，对于柱状煤芯，采取中间含矸石少的完整的部分；对于粉状及块状煤芯，要剔除矸石、泥土和研磨烧焦部分，不得用水清洗煤样，保持自然状态装入煤样采集器5中，不可压实，罐口保留约10mm空隙。

请参阅附图-2和附图-3所示，钻头(3)为两种不同类型的钻头，一种为中空型钻头31，用来钻取柱形或块状煤样；一种为麻花型钻头32，用来钻取粉状煤样。中空型钻头31和麻花型钻头32上都分别有金刚钻颗粒17和气体出口19，中空型钻头31和麻花型钻头32分别通过螺纹连接头16与第一钻杆和第二钻杆连接，第一钻杆41的外壁圆周上以及第二钻杆42的内部分别设有低温气体管路18，中空型钻头31的圆周上以及麻花型钻头32的内部分别设有出气管路19，低温气体通过低温气体管路18从出气管路19排出，从而达到对钻头降温的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。