本發(fā)明屬于煤礦安全防護技術領域，具體涉及一種液氮制冷式煤瓦斯取樣器，適用于煤田開發(fā)過程中對含瓦斯煤進行定點取樣。

背景技術：

中國專利文獻CN 106124243 A于2016年11月16日公開了一種煤層瓦斯含量測定超前冷凍取樣方法，它包括步驟：1)、采用繩索取芯鉆具鉆進至距離目標煤層表面0 .2m左右停止鉆進作業(yè)；2)、將流體輸送管通過鉆桿中心下放到鉆孔內(nèi)，并使流體輸送管的端部接近鉆孔底部；3)、從地面通過液氮泵將低溫流體通過流體輸送管持續(xù)泵入到鉆孔底部，使鉆孔底部以下3-5m區(qū)域冷凍至零度以下的凍結狀態(tài)；4)、提出流體輸送管，再下入繩索取芯鉆具的取芯器，快速進行取芯鉆進操作；5)、鉆進3m時，停止鉆進作業(yè)，快速將取芯器提至地表，并迅速將樣品裝入密封罐中。該方法能保證煤層巖心樣品在鉆進、運移過程中不發(fā)生解吸逸散，可保持煤層樣品的瓦斯原位含量狀態(tài)。

但是，該專利的操作過程繁瑣，煤層巖心的取樣時間較長。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在的技術問題，本發(fā)明所要解決的技術問題就是提供一種自動補冷的液氮制冷式煤瓦斯取樣器，它能簡便、快捷地鉆取獲得低溫冷凍結冰封存含瓦斯煤樣品，避免取樣過程中的瓦斯損失量，保證煤層瓦斯含量測量精度。

本發(fā)明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現(xiàn)的，它包括有外接頭、鉆管和鉆頭，外接頭開有芯孔，外接頭和鉆頭套接在鉆管兩端口，在鉆管內(nèi)部從外接頭到鉆頭依次裝有液氮補冷控制機構、液氮儲存器和保溫取樣器；保溫取樣器內(nèi)腔與鉆頭中心管對接連通，以灌滿煤層巖心樣品，保溫取樣器的殼層間設有液氮冷卻流道；液氮儲存器用于盛裝液氮，液氮儲存器底座與保溫取樣器蓋帽螺紋連接，在保溫取樣器蓋帽中設有用于液氮流通、并與液氮冷卻流道連通的T型孔；液氮儲存器蓋帽與內(nèi)接頭空腔套接，內(nèi)接頭空腔裝有液氮補冷控制機構，內(nèi)接頭圓柱端與外接頭芯孔的軸向端螺紋連接，外接頭芯孔為十字孔，外接頭側邊的兩個十字孔口接通鉆管內(nèi)壁縫隙，鉆管內(nèi)壁縫隙連通鉆頭中心管；

所述液氮補冷控制機構包括蓄電池、控制器、溫度傳感器和電磁控制閥，蓄電池和控制器固定于內(nèi)接頭空腔內(nèi)底，溫度傳感器固定在保溫取樣器上，溫度傳感器通過信號傳輸線連接控制器；

電磁控制閥安裝在液氮儲存器蓋帽上，電磁控制閥的入口與液氮儲存器內(nèi)腔相通，電磁控制閥的出口通過管線與液氮儲存器底座上的通孔連通，控制器的控制信號線連接電磁控制閥。

本發(fā)明的工作過程是，在仰孔鉆進取樣時：

步驟1、首先將本發(fā)明安裝在鉆具底端，預先設置控制器的起始工作時間，取樣鉆進過程中，液氮補冷控制機構不工作，鉆井液通過外接頭芯孔、鉆管內(nèi)壁縫隙和鉆頭中心管進入孔底；

步驟2、到控制器預先設置的起始工作時間時，取樣鉆進停止，在控制器的控制下使電磁控制閥打開，液氮儲存器的液氮由于重力作用流入管線，在管線中吸熱相變成為氮氣，相變后的氮氣進入到液氮儲存器中，使液氮儲存器中壓力升高，液氮儲存器的液氮由于壓力作用進入到T型孔中，流入保溫取樣器的液氮冷卻流道，當溫度傳感器的溫度達到設定溫度時，控制器控制電磁控制閥關閉，停止向保溫取樣器提供液氮，液氮相變吸熱實現(xiàn)對保溫取樣器內(nèi)腔中樣品的冷凍，液氮相變后產(chǎn)生的氮氣通過排氣孔排出；

步驟3、當溫度傳感器處溫度高于設定溫度時，控制器控制電磁控制閥打開，重復步驟2，使液氮冷卻流道始終充滿液氮，保持對保溫取樣器中樣品的持續(xù)冷凍，直至取到地表進行人工處理。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明實現(xiàn)了簡便、快捷地凍結冰封含瓦斯煤樣品中的瓦斯氣體，且自動補冷以控制樣品冷凍，減少了取樣過程中的瓦斯損失量，提高了煤層瓦斯含量測量精度。

附圖說明

本發(fā)明的附圖說明如下：

圖1為本發(fā)明在仰孔鉆進取樣時的結構示意圖；

圖2為圖1中的保溫取樣器的結構示意圖；

圖3為圖1中的液氮儲存器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明在下向孔鉆進取樣時的液氮儲存器結構圖。

圖中：1.外接頭；11.芯孔；2.鉆管；21.鉆管內(nèi)壁縫隙；3.內(nèi)接頭；31.內(nèi)接頭空腔；

4.液氮補冷控制機構；41.蓄電池；42.控制器；43.溫度傳感器；44.信號傳輸線；45. 電磁控制閥；46. 管線；

5. 液氮儲存器；51.液氮儲存器內(nèi)腔；52. 液氮儲存器底座；53. 通孔；54.液氮儲存器蓋帽；55. 桶形內(nèi)缸；56. 管狀外缸；57. 導管；58. 滑動活塞；

6.保溫取樣器；61.保溫取樣器內(nèi)腔；62.液氮冷卻流道；63. 保溫取樣器蓋帽；64. T型孔；65. 內(nèi)管；66. 外管；67. 取芯管；68. 保溫取樣器底座；69. 排氣孔；

7.鉆頭；71.鉆頭中心管。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明包括有外接頭1、鉆管2和鉆頭7，外接頭1開有芯孔11，外接頭1和鉆頭7套接在鉆管2兩端口，在鉆管2內(nèi)部從外接頭1到鉆頭7依次裝有液氮補冷控制機構4、液氮儲存器5和保溫取樣器6；保溫取樣器內(nèi)腔61與鉆頭中心管71對接連通，以灌滿煤層巖心樣品，保溫取樣器6的殼層間設有液氮冷卻流道62；液氮儲存器5用于盛裝液氮，液氮儲存器底座52與保溫取樣器蓋帽63螺紋連接，在保溫取樣器蓋帽63中設有用于液氮流通、并與液氮冷卻流道62連通的T型孔64；液氮儲存器蓋帽54與內(nèi)接頭空腔31套接，內(nèi)接頭空腔31內(nèi)裝有液氮補冷控制機構4，內(nèi)接頭3圓柱端與外接頭芯孔11的軸向端螺紋連接，外接頭芯孔11為十字孔，外接頭側邊的兩個十字孔口接通鉆管內(nèi)壁縫隙21，鉆管內(nèi)壁縫隙21連通鉆頭中心管71；

所述液氮補冷控制機構4包括蓄電池41、控制器42、溫度傳感器43和電磁控制閥45，蓄電池41和控制器42固定于內(nèi)接頭空腔31內(nèi)底，溫度傳感器43固定在保溫取樣器6上，溫度傳感器43通過信號傳輸線44連接控制器42；

電磁控制閥45安裝在液氮儲存器蓋帽53上，電磁控制閥45的入口與液氮儲存器內(nèi)腔51相通，電磁控制閥45的出口通過管線46與液氮儲存器底座52上的通孔53連通，控制器42的控制信號線連接電磁控制閥45。

如圖2所示，上述的保溫取樣器6包含由內(nèi)管65與外管66焊接構成真空保溫層，內(nèi)管66用螺紋套接在保溫取樣器蓋帽63的前端大圓臺上，取芯管67置于內(nèi)管65內(nèi)，取芯管67與保溫取樣器蓋帽63的小圓柱端用螺紋連接，取芯管67與內(nèi)管65間的中空部構成液氮冷卻流道62，保溫取樣器蓋帽63中心處開有連通液氮儲存器5的T型孔64，保溫取樣器底座68的內(nèi)壁用螺紋套接取芯管67口部外圓周上，保溫取樣器底座68的端面與內(nèi)管65和外管66前端焊接，溫度傳感器43嵌入保溫取樣器底座68中的與液氮冷卻流道62位置對應的鉆孔內(nèi)，保溫取樣器底座68上還開設有與液氮冷卻流道62連通的排氣孔69。

如圖3所示，上述液氮儲存器5包括桶形內(nèi)缸55和管狀外缸56，桶形內(nèi)缸55位于管狀外缸56內(nèi)部，桶形內(nèi)缸55的口部與液氮儲存器底座52焊接連接，管狀外缸56兩端口分別與液氮儲存器底座52和液氮儲存器蓋帽54焊接連接，桶形內(nèi)缸55與管狀外缸56之間的空隙構成真空保溫層，在液氮儲存器內(nèi)腔51內(nèi)，有一導管57自液氮儲存器底座52伸入桶形內(nèi)缸55內(nèi)底，導管57與保溫取樣器蓋帽63的T型孔64相連通。

在下向孔鉆進取樣時，液氮儲存器內(nèi)腔51內(nèi)的液氮積存在液氮儲存器底座52一邊，導管口部和電磁控制閥的入口不能接觸液面，一方面無法向保溫取樣器輸送低溫液氮，另一方面與電磁控制閥相接的管線46不能獲得吸熱相變的液氮。

為克服該問題，如圖4所示，在液氮儲存器的桶形內(nèi)缸55安裝有滑動活塞58。滑動活塞58將液氮儲存器內(nèi)腔51分成兩部分，面向電磁控制閥45一側的腔體為液氮儲存部分，管線中吸熱相變的氮氣，從滑動活塞58另一側推壓滑動活塞58，使液氮受壓向導管口部和電磁控制閥的入口溢流。