[发明专利]煤层风和水雾联动钻取煤芯机具及其钻取煤芯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤层风和水雾联动钻取煤芯机具及其钻取煤芯的方法，特别适合于松软煤层的取芯。

背景技术

瓦斯是一种宝贵的能源资源，但煤与瓦斯突出一直是煤矿安全生产的重大隐患。加强煤层瓦斯抽采力度是防范煤矿瓦斯事故，充分利用能源资源最有效的措施。煤层瓦斯抽采、防范瓦斯事故的前提是充分掌握煤层瓦斯赋存规律，准确测定煤层瓦斯含量。简单、快捷、比较准确地测定煤层瓦斯含量的方法为井下煤层钻孔取芯直接测定法，该测定法的最关键环节是取芯，取芯质量好与坏直接关系到煤层瓦斯含量测定的成功与否和准确程度。煤层取芯成功的三要素为煤芯的完整性、保质性和快速性。但是取芯环节恰恰也是煤层钻孔取芯直接测定煤层瓦斯含量所有环节中最困难的环节，特别是松软煤层顺层钻孔取芯难度更大。目前的顺层钻孔取芯通常采用水作介质或风作介质。

传统的水介质取芯工艺对取芯钻头有很好的冷却作用，不至于在取芯过程中因取芯钻头与煤体摩擦生成的热量使煤芯变质，对煤芯具有很好的保质作用。但是，由于水的密度大，对煤壁的冲刷作用强，并且水对煤体的沾湿作用，使其渗入煤的裂隙或孔隙，降低了胶结作用，其表面张力也加快煤的解体，垮孔程度随之增大。垮孔导致取芯管被埋在取芯钻孔里，使取芯失败或取芯退出时间过长导致测定数据误差大。不能满足“取芯成功三要素”的快速性，同时由于垮孔，取芯深度相应的降低；煤的解体使煤的块度变小，瓦斯解吸规律发生变化也会导致测定结果误差加大，不能够满足取芯成功三要素的完整性。其次，水还封闭了瓦斯的泄出通道，阻碍了瓦斯泄放，并在沾湿过程中从煤体表面置换出瓦斯气体而形成解吸，使瓦斯压力增高，孔壁受到的破碎、抛出作用增大，喷孔也更剧烈，容易导致瓦斯涌出异常，引起瓦斯灾害和煤矿井下大面积断电。

风介质取芯工艺改变了水介质取芯工艺容易垮孔的缺点，煤芯管被埋的机率降低，取芯速度大大提高，取芯深度也大大加深。但是，风介质取芯工艺最大的弱点就是取芯过程中风流对钻头冷却不够充分，取芯过程中摩擦生成的热量容易引起煤芯被烧坏、变质，导致测定结果不准确，甚至引起煤层自燃，导致瓦斯灾害发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，它的取芯钻头冷却良好，取出的煤芯能完整、并保持原始性质。

本发明所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，包括气动钻机、与气动钻机配合连接的钻柄和钻杆、一端连接在钻柄端部的钻尾接头，其特征在于：钻尾接头的另一端与水雾化装置的出口端连接，水雾化装置的两进口端分别与压风管和供水管连接；钻杆的前端与取芯管连接。本发明由已有的气动钻机，加上开发的水雾化装置和取芯管构成。

所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，其所述水雾化装置包括雾化室、连接在雾化室一端的压风管接头、连接在雾化室中部的供水管接头和连接在雾化室另一端的风和水雾出口接头；在供水管接头的前端设有喷嘴、中部设有水流控制阀门。

所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯机具，其所述的取芯管包括岩芯管接头、后端与岩芯管接头中部凸台配合连接的外管、固定在外管前端的外切削钻头、后端与岩芯管接头前部配合连接的内管、固定在内管前的内切削钻头，在靠近外管的前端设有四个外侧孔，在靠近内管的前端设有与外侧孔相对应的四个内侧孔，在岩芯管接头设有沿中轴线的风和水雾通道，在风和水雾通道的前端配合连接有堵头，在风和水雾通道的中部设有与外管和内管之间的夹层相通的过孔，在风和水雾通道的后部设有螺纹，钻杆与其配合连接。

本发明的另一个目的是提供一种煤层风和水雾联动钻取煤芯的方法，它能保持水和风介质取芯方法的优点，克服水介质排渣取芯方法和风介质取芯方法的缺点，特别适用于测定松软煤层瓦斯含量的取芯。

本发明所述的煤层风和水雾联动钻取煤芯的方法，钻取煤芯采用上述的机具，其步骤如下：

(1)布孔，在掘进工作面迎头或回采工作面顺槽布置孔径φ108～150mm的空孔作为取芯孔，孔的深度大于20m；

(2)管路连接，将煤层风和水雾联动钻取煤芯机具的水雾化装置的压风管接头通过压风管与井下或地面空气压缩机的风包连接，空气压缩机提供压风的压力约0.3～0.6MPa，形成风流量约3～4m³/min的主循环介质流，进入雾化室；

水雾化装置的供水管接头通过供水管与地面水池相通，提供水压要求高于风压0.1MPa以上；

水雾化装置5的风和水雾出口接头与气动钻机1的钻柄2端部的钻尾接头连接；钻杆的前端与取芯管连接；