本发明公开了一种低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，包括风动钻机，风动钻机安装有中空钻杆，中空钻杆的前端安装有钻头，空气压缩机通过送风管连接有涡流冷风机构，涡流冷风机构通过供风管与中空钻杆的内腔相连通；钻孔点处的煤层壁上设有抽风罩，中空钻杆穿过抽风罩内的滑动套管；滑动套管与抽风罩内壁之间围成第一环形空腔；抽风罩连接有抽风管，抽风管连接有取样装置，取样装置连接有负压泵。本发明还公开了取样方法。本发明煤屑输送效率高，取样量较大，能够在钻孔的同时将煤屑低温取出，取样速度快，既避免常温取样造成煤屑中瓦斯释放过多，又避免取样时间长造成煤屑中瓦斯释放过多，提高煤层瓦斯含量测定的准确程度。
1.低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，包括风动钻机，风动钻机安装有中空钻杆，中空钻杆的前端安装有钻头，中空钻杆与钻头的相接部设有风路出口；
其特征在于：还包括有空气压缩机，空气压缩机通过送风管连接有涡流冷风机构，涡流冷风机构具有总冷风出口，总冷风出口连接有供风管，供风管与中空钻杆的内腔相连通；钻孔点处的煤层壁上设有抽风罩，抽风罩内壁通过连接杆连接有滑动套管，中空钻杆穿过滑动套管并与滑动套管滑动配合；滑动套管与抽风罩内壁之间围成用于通过携带有煤屑的气流的第一环形空腔；送风管上设有送风阀；
抽风罩连接有抽风管，抽风管连接有取样装置，取样装置通过连接管连接有负压泵。
2.根据权利要求1所述的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，其特征在于：所述中空钻杆于邻近风动钻机的部位设有供风孔，供风孔处的中空钻杆上罩设有供风罩，供风罩通过支架固定在地面，供风罩通过轴承与中空钻杆旋转连接；供风管连接供风罩并通过供风罩和供风孔与中空钻杆的内腔相连通。
3.根据权利要求2所述的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，其特征在于：所述供风孔沿中空钻杆的周向均匀设有3－5个。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，其特征在于：涡流冷风机构包括若干并联连接的若干涡流管，涡流管具有压缩空气进口、热气出口和冷气出口；各涡流管的压缩空气进口分别与送风管相连接；各涡流管的热气出口分别通过热气管路与一热气排放口相连接；各涡流管的冷气出口分别通过冷气管路与总冷风出口相连接。
5.根据权利要求4所述的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，其特征在于：取样装置包括煤样容器，煤样容器中部设有透明观察窗，煤样容器的截面面积是抽风管的截面面积的三倍以上；煤样容器设于箱体内，箱体通过支撑架支撑于地面；
煤样容器底部向下连接有下料管，下料管上设有卸料阀；煤样容器的一侧上部与所述抽风管相连接，煤样容器的另一侧上部与连接管相连接，连接管上设有抽气阀和压力表，连接管与煤样容器的相接处设有过滤网。
6.利用权利要求5所述的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统进行的取样方法，其特征在于按以下步骤进行：第一步骤是安装步骤，在选取的煤层位置安装低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统；
将钻头压在选取的煤层钻孔点，将抽风罩安装在煤层壁上；
第二步骤是钻孔；启动风动钻机，在钻孔点处进行钻孔；打开抽气阀和负压泵，关闭卸料阀；钻孔的孔径大于中空钻杆的外径，钻孔的内壁与中空钻杆的外壁之间形成用于通过携带有煤屑的气流的第二环形空腔；
钻孔的同时，打开送风阀和空气压缩机，压缩空气通过送风管进入涡流冷风机构中的各涡流管的压缩空气进口，压缩空气在通过涡流管时形成热气流和冷气流，热气流通过热气管路和热气排放口后排放入大气中，冷气流通过冷气管路、总冷风出口、供风管、中空钻杆和风路出口进入第二环形空腔；
冷气流进入第二环形空腔后，在冷气流自身压力以及负压的作用下，在第二环形空腔中携带钻孔时形成的煤屑进入抽风罩内的第一环形空腔，然后经抽风管进入煤样容器；冷气流在通过煤样容器时，由于煤样容器的截面面积是抽风管的截面面积的三倍以上，因此冷气流的速度降低，煤屑沉淀在煤样容器中；冷气流通过过滤网后进入连接管并由负压泵排出；
第三步骤是取样；当钻孔达到预定的取样深度后，先关闭风动钻机、空气压缩机和负压泵，然后打开卸料阀，将煤样容器中的煤样排出，然后关闭卸料阀，启动风动钻机、空气压缩机和负压泵，冷气流沿第二步骤中的路径将预定钻孔深度的煤屑携带入煤样容器并积存；
第四步骤是停止取样；在第三步骤进行的过程中，工作人员通过透明观察窗观察煤样积存高度达到预定高度后，关闭风动钻机、空气压缩机和负压泵，将外置的煤样罐放在下料管正下方，打开卸料阀，使煤样落入煤样罐中，完成取样。
低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统及取样方法
技术领域
[0001] 本发明涉及煤矿瓦斯含量测定技术领域，具体涉及一种煤样取样的系统及方法。
背景技术
[0002] 煤层瓦斯含量是煤矿瓦斯灾害防治、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参数，因此准确测定煤层瓦斯含量是保障煤矿安全生产的重要前提。
[0003] 目前我国普遍采用的煤层瓦斯含量测定方法有地勘解吸法、间接法和井下自然解吸法。主要存在有如下不足：（1）取样时间长，取样过程中瓦斯损失量大。由于瓦斯损失量大，在现场解吸过程中，测得的瓦斯解吸量和解吸速度均偏小，造成瓦斯含量测值比实际值低得多。这不仅影响了对于煤矿瓦斯危险程度评价的准确性，而且影响着后续选取的瓦斯灾害防治措施的可靠性。
[0004] （2）难以做到定点取样。使用麻花钻杆取样，会造成混样严重，区分煤样来源困难；在中空钻杆中设置取样室反转钻机取样，虽可以做到定点取样，但取样量太少；取芯钻头可以定点取样，且取样量较大，但取样时间过长，必然影响煤层瓦斯含量测定的准确性。
[0005] 现在研究负压取样的装置中，国内已公开的专利文献CN201310749625.3公开了一种负压抽出式煤层瓦斯含量定点取样方法，操作简单，取样时间短，但不是低温环境下取样；已公开的专利文献CN201410074595.5公开了一种钻孔负压排渣煤层定点取样实验系统，主要通过模拟煤矿井下负压取样时煤屑的输送情况，为取样设备的选型和优化提供依据；已公开的专利文献CN201811588701.6公开了一种负压低温煤层瓦斯含量测定取样装置，需持续注入液氮降温，不易调节。
[0006] 如果在低温环境下取煤样，就能减少取样过程中瓦斯的损失量，提高煤层瓦斯含量测定的准确性。对在煤矿井下对煤层进行致裂等操作时，有时使用液氮。如果将液氮用于在煤层中取煤样的过程，则需要持续注入液氮降温，相应的结构和操作均较复杂，成本较高，而且液氮系统一旦发生泄露现象就会给附近的人员带来危险。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统，取样迅速，无须采用液氮降温，冷却效果好，操作安全性高。
[0008] 为实现上述目的，本发明的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统包括风动钻机，风动钻机安装有中空钻杆，中空钻杆的前端安装有钻头，中空钻杆与钻头的相接部设有风路出口；其特征在于：还包括有空气压缩机，空气压缩机通过送风管连接有涡流冷风机构，涡流冷风机构具有总冷风出口，总冷风出口连接有供风管，供风管与中空钻杆的内腔相连通；钻孔点处的煤层壁上设有抽风罩，抽风罩内壁通过连接杆连接有滑动套管，中空钻杆穿过滑动套管并与滑动套管滑动配合；滑动套管与抽风罩内壁之间围成用于通过携带有煤屑的气流的第一环形空腔；送风管上设有送风阀；
抽风罩连接有抽风管，抽风管连接有取样装置，取样装置通过连接管连接有负压泵。
[0009] 所述中空钻杆于邻近风动钻机的部位设有供风孔，供风孔处的中空钻杆上罩设有供风罩，供风罩通过支架固定在地面，供风罩通过轴承与中空钻杆旋转连接；供风管连接供风罩并通过供风罩和供风孔与中空钻杆的内腔相连通。
[0010] 所述供风孔沿中空钻杆的周向均匀设有3－5个。
[0011] 涡流冷风机构包括若干并联连接的若干涡流管，涡流管具有压缩空气进口、热气出口和冷气出口；各涡流管的压缩空气进口分别与送风管相连接；各涡流管的热气出口分别通过热气管路与一热气排放口相连接；各涡流管的冷气出口分别通过冷气管路与总冷风出口相连接。
[0012] 取样装置包括煤样容器，煤样容器中部设有透明观察窗，煤样容器的截面面积是抽风管的截面面积的三倍以上；煤样容器设于箱体内，箱体通过支撑架支撑于地面；煤样容器底部向下连接有下料管，下料管上设有卸料阀；煤样容器的一侧上部与所述抽风管相连接，煤样容器的另一侧上部与连接管相连接，连接管上设有抽气阀和压力表，连接管与煤样容器的相接处设有过滤网。
[0013] 本发明还公开了利用上述低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统进行的取样方法，按以下步骤进行：第一步骤是安装步骤，在选取的煤层位置安装低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统；
将钻头压在选取的煤层钻孔点，将抽风罩安装在煤层壁上；
第二步骤是钻孔；启动风动钻机，在钻孔点处进行钻孔；打开抽气阀和负压泵，关闭卸料阀；钻孔的孔径大于中空钻杆的外径，钻孔的内壁与中空钻杆的外壁之间形成用于通过携带有煤屑的气流的第二环形空腔；
钻孔的同时，打开送风阀和空气压缩机，压缩空气通过送风管进入涡流冷风机构中的各涡流管的压缩空气进口，压缩空气在通过涡流管时形成热气流和冷气流，热气流通过热气管路和热气排放口后排放入大气中，冷气流通过冷气管路、总冷风出口、供风管、中空钻杆和风路出口进入第二环形空腔；
冷气流进入第二环形空腔后，在冷气流自身压力以及负压的作用下，在第二环形空腔中携带钻孔时形成的煤屑进入抽风罩内的第一环形空腔，然后经抽风管进入煤样容器；冷气流在通过煤样容器时，由于煤样容器的截面面积是抽风管的截面面积的三倍以上，因此冷气流的速度降低，煤屑沉淀在煤样容器中；冷气流通过过滤网后进入连接管并由负压泵排出；
第三步骤是取样；当钻孔达到预定的取样深度后，先关闭风动钻机、空气压缩机和负压泵，然后打开卸料阀，将煤样容器中的煤样排出，然后关闭卸料阀，启动风动钻机、空气压缩机和负压泵，冷气流沿第二步骤中的路径将预定钻孔深度的煤屑携带入煤样容器并积存；
第四步骤是停止取样；在第三步骤进行的过程中，工作人员通过透明观察窗观察煤样积存高度达到预定高度后，关闭风动钻机、空气压缩机和负压泵，将外置的煤样罐放在下料管正下方，打开卸料阀，使煤样落入煤样罐中，完成取样。
[0014] 本发明具有如下的优点：本发明采用涡流管产生的冷空气实现低温取样，制冷量大，产冷气迅速，并可通过涡流管的热气出口处的调节阀实现快速调节，产生冷却的过程无需运动部件，无需额外制冷源；
采用负压泵产生负压抽取煤样，缩短了取样时间，减少了瓦斯损失量。本发明有效提高了煤层瓦斯含量测定的准确性，且设备安全可靠，易于维护，便于实现定点取样，取样时方便避免混样现象。
[0015] 若干涡流管并联的设置提高了本发明产生冷气流的能力。
[0016] 本发明结构简单，钻孔过程中通过涡流冷风机构产生的冷风冷却钻头、中空钻杆以及煤屑，冷却速度快、冷却效率高，无须向井下运输液氮，不会因液氮泄露而造成危险，既提高了安全程度，又简化了结构，提高了安装速度以及工作稳定性。
[0017] 本发明利用冷气流的正压与负压泵产生的负压作为动力共同带动钻孔煤屑进入煤样容器，煤屑输送效率高，能够在钻孔的同时将煤屑低温取出，大大提高了取样速度，既避免常温取样造成煤屑中瓦斯释放过多，又避免取样时间长造成煤屑中瓦斯释放过多，大大提高了煤样中瓦斯含量的原始性，兼顾了取样时间短和取样量较大两个目标，为煤样瓦斯解析实验提供更接近煤层实际情况的煤样，提高煤层瓦斯含量测定的准确程度。
附图说明
[0018] 图1是本发明的结构示意图；图2是图1中A处的放大图；
图3是图1中涡流冷风机构的结构示意图；
图4是图1中取样装置的结构示意图。
具体实施方式
[0019] 如图1至图4所示，本发明的低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统包括风动钻机1，风动钻机1安装有中空钻杆2，中空钻杆2的前端安装有钻头3，中空钻杆2与钻头3的相接部沿径向设有风路出口，风路出口连通中空钻杆的内部和外部；风路出口为通孔结构，图未示。
[0020] 还包括有空气压缩机4，空气压缩机4通过送风管5连接有涡流冷风机构6，涡流冷风机构6具有总冷风出口7，总冷风出口7连接有供风管8，供风管8与中空钻杆2的内腔相连通；钻孔点处的煤层壁33上设有抽风罩9，抽风罩9内壁通过连接杆10连接有滑动套管11，中空钻杆2穿过滑动套管11并与滑动套管11滑动配合；滑动套管11与抽风罩9内壁之间围成用于通过携带有煤屑的气流的第一环形空腔12；送风管5上设有送风阀13；抽风罩9连接有抽风管14，抽风管14连接有取样装置，取样装置通过连接管15连接有负压泵16。抽风罩9处的轴承处设有密封皮垫。
[0021] 所述中空钻杆2于邻近风动钻机1的部位设有供风孔17，供风孔17处的中空钻杆上罩设有供风罩18，供风罩18通过支架固定在地面，供风罩18通过轴承与中空钻杆2旋转连接；供风管8连接供风罩18并通过供风罩18和供风孔17与中空钻杆2的内腔相连通。供风罩18与中空钻杆2之间的轴承处设有密封皮垫。轴承、支架和密封皮垫均为常规技术，图未示。
[0022] 所述供风孔17沿中空钻杆的周向均匀设有3－5（包括两端值）个。
[0023] 涡流冷风机构6包括若干并联连接的若干涡流管19，涡流管19具有压缩空气进口20、热气出口21和冷气出口22；各涡流管19的压缩空气进口20分别与送风管5相连接；各涡流管19的热气出口21分别通过热气管路23与一热气排放口24相连接；各涡流管19的冷气出口22分别通过冷气管路35与总冷风出口7相连接。涡流管19的热气出口21处设有调节阀。涡流管19为现有装置，具体结构不再详述，图未示调节阀。若干涡流管19并联的设置提高了本发明产生冷气流的能力。
[0024] 取样装置包括煤样容器25，煤样容器25中部设有透明观察窗26，煤样容器25上大下小（呈漏斗状），煤样容器25的平均截面面积（图中指竖向截面的面积）是抽风管14的截面面积的三倍以上；煤样容器25设于箱体27内，箱体27通过支撑架支撑于地面；煤样容器25底部向下连接有下料管28，下料管28上设有卸料阀29；煤样容器25的一侧上部与所述抽风管14相连接，煤样容器25的另一侧上部与连接管15相连接，连接管15上设有抽气阀30和压力表31，连接管15与煤样容器25的相接处设有过滤网。过滤网为常规装置，图未示。
[0025] 本发明还公开了利用上述低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统进行的取样方法，按以下步骤进行：第一步骤是安装步骤，在选取的煤层位置安装低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统；
将钻头3与中空钻杆2相连接，将中空钻杆2通过供风管8与涡流冷风机构6连接，将钻头
3压在选取的煤层钻孔点，将抽风罩9安装在煤层壁33上；
第二步骤是钻孔；启动风动钻机1，在钻孔点处进行钻孔；打开抽气阀30和负压泵16，关闭卸料阀29；钻孔的孔径大于中空钻杆2的外径，钻孔的内壁与中空钻杆2的外壁之间形成用于通过携带有煤屑的气流的第二环形空腔34；
钻孔的同时，打开送风阀13和空气压缩机4，压缩空气通过送风管5进入涡流冷风机构6中的各涡流管19的压缩空气进口20，压缩空气在通过涡流管19时形成热气流和冷气流，热气流通过热气管路23和热气排放口24后排放入大气中，冷气流通过冷气管路35、总冷风出口7、供风管8、中空钻杆2和风路出口进入第二环形空腔34；
冷气流进入第二环形空腔34后，在冷气流自身压力以及负压的作用下，在第二环形空腔34中携带钻孔时形成的煤屑进入抽风罩9内的第一环形空腔12，然后经抽风管14进入煤样容器25；冷气流在通过煤样容器25时，由于煤样容器25的截面面积是抽风管14的截面面积的三倍以上，因此冷气流的速度降低，煤屑沉淀在煤样容器25中；冷气流通过过滤网后进入连接管15并由负压泵16排出；
第三步骤是取样；当钻孔达到预定的取样深度后，先关闭风动钻机1、空气压缩机4和负压泵16，然后打开卸料阀29，将煤样容器25中的煤样排出，然后关闭卸料阀29，启动风动钻机1、空气压缩机4和负压泵16，冷气流沿第二步骤中的路径将预定钻孔深度的煤屑携带入煤样容器25并积存；
第四步骤是停止取样；在第三步骤进行的过程中，工作人员通过透明观察窗26观察煤样积存高度达到预定高度后，关闭风动钻机1、空气压缩机4和负压泵16，将外置的煤样罐放在下料管28正下方，打开卸料阀29，使煤样落入煤样罐中，完成取样。
[0026] 取样完成后，将低温负压煤样煤层瓦斯含量定点取样系统在煤层壁33处拆除。
[0027] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
