采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置.pdf

一种采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置，当钻机通过岩层向煤层打一岩石钻孔进入煤层后，装上取芯装置，边旋转边向前推进，钻头上镶嵌的合金片便切割煤层，划出的圆柱状煤芯被送入处于悬浮稳定状态的半合内管中保护起来；带有螺旋刃的外管在旋转的过程中，边输送钻进过程中形成的煤屑，边切割压入煤孔的软分层煤体，始终保持排屑通道的畅通。当钻进的深度等于半合内管的长度时，退出钻杆，钻头体上的卡环便卡住煤芯，将煤芯取出，继续按同样的方法钻进，便能将整个煤层的完整煤芯采集出来。根据采集出来的煤芯排列情况，就能确定软分层的位置并取得煤芯。其取芯方法简单，整套装置结构紧凑，取芯效果好，装拆方便，运转灵活，使用方便。

1.  一种采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法，其特征在于：
a.首先在工作面向煤层方向钻一个孔，钻孔到达煤层后，停下钻机，将钻杆及钻头取出；
b.将取芯装置与钻杆相连，送入钻孔，边转动边钻进，直达煤层；
c.继续钻进，并通过钻杆送入压风排屑；
d.当取芯装置深入煤层的长度达到半合内管(12)的长度时，停止钻进，向外拉动取芯装置，此时取芯装置中卡环座(16)上的卡环(18)向前滑动卡住煤芯，在钻杆拉力作用下，拉断煤芯；
e.将取芯装置拉出孔外，从钻杆上拧下，拧开连接头(1)，取出半合内管(12)，将内管两端的内管接头(9)及卡环座(16)松开，打开半合内管(12)，取出煤芯，放入专用煤芯采样盒内，完成一次取芯工作；
f.将取芯装置组装好，重复b～e的步骤，直至取芯装置穿过煤层为止，完成全部的取芯工作。

2.  根据权利要求1所述的采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法，其特征在于：所述向煤层钻一个孔的直径大于100mm。

3.  一种井下突出煤层完整煤芯的取芯装置，其特征在于：它包括钻头(15)，用于固定钻头(15)及旋转时切屑煤孔的外管(13)，设在外管(13)内用于储存圆柱形煤芯的半合内管(12)，连接钻杆传递钻进力和旋转力的连接头(1)；半合内管(12)的前端为卡套在一起的卡环座(16)及卡环(18)，卡环座(16)支撑在底托轴承(17)上，半合内管(12)的尾端连接有内管接头(9)，内管接头(9)与连接头(1)内的轴承套(5)相连接，使半合内管(12)处于悬浮状态；外管(13)与连接头(1)连为一体。

4.  根据权利要求3所述的井下突出煤层完整煤芯取芯的装置，其特征在于：所述的半合内管(12)为两个偏心的半合管组成。

5.  根据权利要求3所述的井下突出煤层完整煤芯的取芯装置，其特征在于：所述的内管接头(9)内设有泄气阀(11)。

6.  根据权利要求3所述的井下突出煤层完整煤芯的取芯装置，其特征在于：所述的外管(13)上设有用于护孔及排屑的螺旋刃(20)。

7.  根据权利要求3所述的井下突出煤层完整煤芯的取芯装置，其特征在于：所述的钻头(15)上镶嵌有两圈呈阶梯形的合金片(19)。

采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置
技术领域
本发明涉及煤矿灾害预测技术领域，尤其是涉及一种采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置。
背景技术
众所周知，目前井下石门揭煤进行突出预测时普遍采用的取芯方法是采用短钻筒取芯。《防治煤与瓦斯突出细则》第30条对此作了规定：在打测压孔的过程中，每米煤孔采取一个煤样，测定煤的坚固性系数(f)。(参考文献：中华人民共和国煤炭工业部制订，《防治煤与瓦斯突出细则》，煤炭工业出版社，1995年10月，P18。)在使用这种方法采取煤芯时，通常的做法是每用短钻筒压入煤层采集一个煤样后，换上钻头，用压力水排屑，向前推进1米，循环采用上述做法，直至进入煤层顶板。这种取芯方法的不足之处在于：突出主要来自于软分层，硬分层的煤体是不突出的，而采用每米采集一个煤样的方法，很有可能会把那些具有突出危险的软分层煤芯漏失掉。此外，采用短钻筒取芯时，钻筒对煤体的破坏较大，短钻筒是镶嵌了合金的单筒取芯装置，取芯时不采用压力水排屑，靠钻机边旋转边压入煤层，取得部分煤芯。在突出预测中，这种受人为因素破坏的煤芯还会干扰预测的准确性。
在地质勘探过程中，目前还广泛采用双管单动取芯装置，这种取芯装置在地面勘探过程中可以取出95％左右的煤芯，是地质勘探的利器。但是，这种取芯装置无法用于井下突出煤层的取芯，一是这种取芯装置在地面勘探时，内管处于垂直悬挂的状态，外管转动，内管不转动，可以将钻头体切削下来的煤芯及时送入内管中保护起来，但是当将这种取芯装置用于井下突出煤层取芯时，钻孔倾角发生改变，内管不再处于垂直状态，内管的下端搁在外管上，受外管的摩擦影响，内管将随之转动，进入内管的煤芯被破碎，容易堵塞在内管的管口处，阻碍后续的煤芯进入内管；二是在地面勘探时，由于采用泥浆作为排屑介质，在强大的泥浆压力作用下，煤孔不容易向内变形，始终能够保证排屑通道地畅通。而井下取芯时采用水或压缩空气作为排屑介质，压力较小，软分层煤体很容易压入煤孔，形成抱钻，阻碍煤屑的排出。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供一种方法简单，结构紧凑，取芯效果好的采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置。
本发明采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法：
a.首先在工作面向煤层方向钻一个孔，钻孔到达煤层后，停下钻机，将钻杆及钻头取出；
b.将取芯装置与钻杆相连，送入钻孔，边转动边钻进，直达煤层；
c.继续钻进，并通过钻杆送入压风排屑；
d.当取芯装置深入煤层的长度达到半合内管的长度时，停止钻进，向外拉动取芯装置，此时取芯装置卡环座上的卡环向前滑动卡住煤芯，在钻杆拉力作用下，拉断煤芯；
e.将取芯装置拉出孔外，从钻杆上拧下，拧开连接头，取出半合内管，将半合内管两端的内管接头及卡环座松开，打开半合内管，取出煤芯，放入专用煤芯采样盒内，完成一次取芯工作；
f.将取芯装置组装好，重复b～e的步骤，直至取芯装置穿过煤层为止，完成全部的取芯工作。
所述向煤层钻一个孔的直径大于100mm。
本发明采集井下突出煤层完整煤芯的取芯装置，包括钻头，用于固定钻头及旋转时切屑煤孔的外管，设在外管内用于储存圆柱形煤芯的半合内管，连接传递钻进力和旋转力的连接头；半合内管的前端为卡套在一起的卡环座及卡环，卡环座支撑在底托轴承上，半合内管的尾端连接有内管接头，内管接头与连接头内的轴承套相连接，使半合内管处于悬浮状态；外管与连接头连为一体。
所述的半合内管为两个偏心的半合管组成；所述的内管接头内设有泄气阀；所述的外管上设有用于护孔及排屑的螺旋刃；所述的钻头上镶嵌有两圈呈阶梯形的合金片。
本发明的有益效果：取芯方法简单，整套装置结构紧凑，取芯效果好，性能稳定、可靠，装拆方便，运转灵活，使用方便。通过多次石门及井筒中取芯作业实验表明，本发明适用于石门及井筒工作面进行多次取芯作业，取煤芯完整，为深部开采过程中进行煤与瓦斯突出预测提供了极其重要的数据，为矿山井下安全作业提供了有利的保证。尤其是对于硬度f＝4以下的煤层非常适用，无论煤层是硬煤、软煤，或是软、硬交互赋存，在钻孔倾角处于-90°～90°的范围内都可以取出，取芯率达到98％左右，为现场准确判断工作面前方煤层的突出危险性，提供了判断依据。这对于石门及井筒揭煤前确定软分层的位置，预测煤层的突出危险性，具有重要的作用。
附图说明
附图为本发明煤层完整煤芯的取芯装置结构图；
图中：1-连接头；2-定位螺母；3-可调螺杆；4-上轴承；5-轴承套；6-下轴承；7-凸缘螺母；8-螺母；9-内管接头；10-钢球；11-泄气阀；12-半合内管；13-外管；14-注油杯；15-钻头；16-卡环座；17-底托轴承；18-卡环；19-钻孔合金片；螺旋刃20。
具体实施方式
本发明采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法：
第一步：工作面距煤层10米时，停止掘进，用钻机向煤层方向钻一个大于Φ100mm的岩石钻孔，钻孔到达煤层后，停下钻机，退出钻杆及钻头；
第二步：将取芯装置连接在钻杆上，通过钻杆将取芯装置送入钻孔，边转动边钻进，直至将取芯装置送达煤层，取芯装置的钻头15上镶嵌了两排合金片，能够钻取硬度f≤4以内的各种煤芯，在采集煤芯的过程中，钻头体切割形成的圆柱状煤芯直径小于半合内管上卡环座16的入口直径；
第三步：继续钻进，同时通过钻杆送入压风排屑；由于外管13外侧加工有螺旋刃20，不断切割煤体和护孔，保证了排屑通道的畅通；此外，在钻头15与半合内管12之间装有一个底托轴承17，半合内管12与外管13之间始终处于良好润滑状态，由于半合内管12具有偏心的作用，使得半合内管12始终不动，以接受钻头15切割下来的煤芯；在钻机向前推进时，煤芯连续进入半合内管12中保护起来，半合内管12中的原有的气体通过推动泄气阀11上的钢球10排泄到内管之外的压风中，直到半合内管取满煤芯为止；
第四步：当取芯装置深入煤层的长度达到半合内管12的长度时，停止钻进，向外拉动取芯装置，此时取芯装置内卡环座16上的卡环18向前滑动卡住煤芯，在钻杆拉力作用下，截断煤芯；在下向钻孔取芯时，为防止半合内管取满后提钻过程中煤芯滑落到钻孔中，可以在半合内管12的卡环座16处将卡环18换成爪环，遇到硬煤时，爪环同样可以截断煤芯，遇到软煤时，爪环上张开的弹簧可以阻碍煤芯下滑；
第五步：将装有煤芯的取芯装置拉出孔外，从钻杆上拧下，拧开连接头1，取出半合内管12，将半合内管12两端的内管接头9及卡环座16松开，打开半合内管12，取出煤芯，放入专用煤芯采样盒内，完成一次取芯工作；每次可以取出长度为1m左右、直径为50mm左右的煤芯，直到取完整个煤层，无论煤层内软硬分层如何分布，均能将整个煤层的煤芯完整取出；
第六步：将取芯装置组装好，如果发现内管的转动发涩，可以将取芯装置竖起，通过注油杯14压注轻质润滑油进入轴承套5中，使之转动自如。重复上述取芯步骤，直至取芯装置穿过煤层为止，完成全部的取芯工作。根据所取得的煤芯就能确定煤层中软分层的位置及厚度，为石门及井筒揭煤的突出预测提供依据。
本发明采集井下突出煤层完整煤芯的取芯装置，主要由外管13、半合内管12、钻头15、连接头1、上轴承4和下轴承6组成。外管13是一个带有螺旋刃的钢管，它用于固定钻头体15及旋转时切屑煤孔，以保证排除钻屑的通道畅通。钻头15采用侧面出水口，以防压风直接冲洗煤芯，钻头15上镶嵌有两圈呈阶梯形的合金片19，外环上的合金片旋转切割后形成的煤孔要比取芯器外径大2～4mm，确保取芯器顺利钻进；内环的合金片旋转切割形成的煤芯直径要比卡环座上最小直径小2～3mm，确保形成的煤芯顺利进入半合内管12。钻头15上连接有旋转时切屑煤孔的外管13，外管13内设有用于储存圆柱形煤芯的半合内管12，半合内管12由上下两个偏心的半合管构成，下半合管密度较大，上半合管密度较轻。当煤芯被送入半合内管12时，半合内管12不转动，煤芯不松散，并被完整地提出钻孔。外管13连接传递钻进力和旋转力的连接头1；半合内管12的前端为卡套在一起的卡环座16及卡环18，卡环座支撑在底托轴承17上，半合内管12的尾端连接有内管接头9，内管接头9与连接头1内的轴承套5相连接，使半合内管12处于悬浮状态；外管13为一个带有螺旋刃20的钢管，外管13上螺旋刃20用于护孔及排屑，外管13与连接头1相连为一体，内管接头9内设有泄气阀11。连接头1用于连接外管13、钻杆及半合内管12，它由定位螺母2，可调螺杆3，上轴承4，轴承套5，下轴承6，凸缘螺母7及螺母8组成。主要用于将钻杆的钻进力和旋转力传递给外管13及钻头15，进行钻进的同时通过悬挂在上、下轴承4、6上的轴承套5与内管接头9相连，使得半合内管12处于悬浮状态。