本發明屬于煤礦安全，涉及一種基于冷空氣輸送與觸發密封的煤芯鉆取設備及方法。
背景技術：
1、煤礦瓦斯，又稱“煤層氣”，是一種以甲烷為主要成分的可燃性氣體。它主要以吸附和游離兩種形態賦存于煤的孔裂隙系統內。在煤礦生產領域，瓦斯既是威脅煤礦安全生產的主要因素之一，又是一種極具開發利用價值的非常規天然氣資源。加強煤礦瓦斯抽采與煤礦區煤層氣開發利用，具有多方面的重要意義。從環境保護角度看，可有效減少溫室效應；從煤礦安全生產角度，能降低瓦斯災害風險；從能源供應角度，有助于增加清潔能源的供給。煤層瓦斯含量作為礦井實施瓦斯災害治理及煤礦區煤層氣開發利用的關鍵基礎數據，其重要性不言而喻。它不僅與礦井瓦斯治理工程量緊密相關，還直接決定了諸多井下通風、防塵設備以及主通風設備的選型。因此，如何科學規范地測定煤層瓦斯含量，一直是我國煤礦安全科技工作者長期研究的重要課題。
2、目前，常規的煤層瓦斯含量測定方法主要分為間接法和直接法兩種。
3、間接法的操作流程為：在煤層內施工鉆孔，并對鉆孔進行有效封堵后，在孔口設置壓力表，測定壓力值。隨后，將該壓力值連同工業分析、吸附常數等參數代入煤層瓦斯含量計算公式，從而獲得煤層瓦斯含量的數值。這種方法可靠性較高，但存在明顯缺陷。一方面，獲取煤層瓦斯含量數值的周期過長，不利于及時掌握瓦斯情況；另一方面，對井下鉆孔封堵作業人員的操作技能要求較高，增加了作業難度和成本。
4、直接法則是通過在煤層內鉆孔施工過程中，應用專用取樣裝置采集煤屑或煤芯。在取樣過程中，詳細記錄從取樣到將樣品放入解吸罐體內的時間，再運用相應模型推算取樣過程中的損失量。同時，在地面實驗室將解吸罐體內的煤樣進行解吸、粉碎處理，測定其排放的瓦斯量，進而得到煤層瓦斯的可解吸量。將可解吸量與計算得到的不可解吸量相加，即可得到煤層瓦斯含量的數值。與間接法相比，直接法具有施工快速、操作簡單的優點。然而，在實際應用中，直接法也存在一定問題。在取樣過程中，無論采用壓風還是水排渣鉆進方法，鉆頭與取樣煤體因摩擦會產生熱量，導致鉆取煤樣的溫度升高，進而造成推算取樣過程中的逸散量出現偏差，影響測定結果的準確性。因此，目前我國煤礦安全科技工作者的研究重點之一，就是解決取樣過程中瓦斯逸散量控制的問題。也就是說，盡可能減少甚至消除取樣過程中的瓦斯逸散，是實施直接法科學規范測試煤層瓦斯含量的關鍵所在。
5、此外，已有相關研究成果采用了冷媒輸送凍結煤體，而后鉆取煤樣的方法。不過，其輸送通道仍采用雙層結構的鉆桿，鉆桿之間采用傳統的螺旋緊固密封方式。這種鉆桿間采用的螺旋緊固密封在實際應用中存在較大問題，由于螺旋之間存在不同開度的間隙，冷媒在輸入過程中會大量擴散至鉆孔內，導致鉆孔孔底的煤體接觸的冷媒量極少，無法實現對待取煤樣的有效凍結，進而影響煤層瓦斯含量測定的效果。
技術實現思路
1、有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于冷空氣輸送與觸發密封的煤芯鉆取設備及方法，以解決背景技術中的問題。
2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
3、一種基于冷空氣輸送與觸發密封的煤芯鉆取設備，包括：
4、鉆頭，用于鉆取煤芯；
5、取樣鉆桿，與所述鉆頭連接，外部設有螺旋結構，用于將鉆進過程中產生的煤屑輸送至鉆孔外；
6、螺旋鉆桿，與所述取樣鉆桿連接，用于傳輸冷空氣并連接鉆機；
7、煤樣儲集罐，設置于所述取樣鉆桿內部，用于存儲鉆取的煤芯；
8、密封體，用于在取樣后密封所述煤樣儲集罐；
9、渦流管，用于將高壓空氣分離為冷熱兩股氣流，并將冷空氣輸送至所述螺旋鉆桿和取樣鉆桿內，以凍結煤樣并防止瓦斯逸散
10、其中，所述螺旋鉆桿和取樣鉆桿之間通過分別固定連接在所述螺旋鉆桿和取樣鉆桿外側的半圓連接結構連接，以使得所述螺旋鉆桿和取樣鉆桿之間形成端頭抵觸連接。
11、進一步地，所述取樣鉆桿內部設置有二個壓縮彈簧和二個四分之一圓球蓋，所述壓縮彈簧分別與所述四分之一圓球蓋連接；
12、在所述煤樣儲集罐的前端設有前部圓環，且所述前部圓環與所述煤樣儲集罐的前端至少間隔一個四分之一圓球蓋的軸向距離，且在鉆進時通過所述前部圓環對所述四分之一圓球蓋徑向限位，以開放所述煤樣儲集罐的前端開口；
13、并在所述煤樣儲集罐向鉆孔孔底方向運動時，驅動所述四分之一圓球蓋向徑向中心合攏，以封閉煤樣儲集罐的前端開口。
14、進一步地，所述取樣鉆桿內壁開設有凹槽，所述煤樣儲集罐外壁設有4個限位凸起，所述限位凸起與所述凹槽嚙合，用于在鉆進過程中限制所述煤樣儲集罐的軸向移動。
15、進一步地，在所述取樣鉆桿內的凹槽與所述限位凸起之間設置有二個限位彈簧，所述限位彈簧在鉆進作業時處于無拉伸或壓縮狀態，用于防止所述煤樣儲集罐在未達到預定取樣深度時向鉆孔孔底方向移動，避免錯誤密封。
16、進一步地，所述煤樣儲集罐采用鎳鋼或銅合金材質制成，用于保持取樣后煤樣的冷凍狀態，以防止瓦斯逸散。
17、進一步地，所述煤樣儲集罐的另一端設置有半球形篩孔座，所述半球形篩孔座上開設有篩孔，用于保持鉆進過程中高壓空氣通過并防止煤屑進入所述煤樣儲集罐內。
18、進一步地，所述取樣鉆桿的尾端開設有圓環形凹槽，所述圓環形凹槽內設有橡膠密封圈，以提升與所述螺旋鉆桿連接的密封性。
19、進一步地，所述螺旋鉆桿之間均采用半圓連接結構連接，同時在所述半圓連接結構外部設置密封環；
20、所述密封環由2個半圓環通過螺栓緊固，用于保護半圓連接結構并防止其與鉆孔內煤體接觸而破壞。
21、一種基于冷空氣輸送與觸發密封的煤芯鉆取方法，采用所述的煤芯鉆取設備，包括以下步驟：
22、s1：使用鉆頭、取樣鉆桿以及螺旋鉆桿進行鉆進作業，通過螺旋鉆桿連接水辮，所述水辮連接壓縮空氣系統以輸送壓縮空氣排出煤屑，直至鉆進達到預定深度；
23、s2：所述水辮連接渦流管，并將冷空氣輸送至取樣鉆桿內部，以凍結煤樣并防止瓦斯逸散，并持續鉆進至設計深度；
24、s3：暫停鉆進并拆除水辮，通過pe管將密封體通過螺旋鉆桿和取樣鉆桿推送至煤樣儲集罐內，以封閉煤樣儲集罐的后端開口，并推動所述煤樣儲集罐向孔底方向移動，進而使得所述四分之一圓球蓋向徑向中心合攏，以封閉所述煤樣儲集罐的前端開口；
25、s4：將封閉的煤樣儲集罐移出鉆孔，并將煤樣轉移至測試罐中。
26、進一步地，所述步驟s4中，通過拉動螺旋鉆桿和取樣鉆桿向孔外移動，以將封閉的煤樣儲集罐移出鉆孔。
27、本發明的有益效果在于：
28、1.消除瓦斯逸散
29、本技術方案通過將渦流管分離后的冷空氣注入鉆桿內，在排渣煤屑的同時凍結取樣煤體內的水分。這種凍結作用將瓦斯氣體“封閉”于冰凍水分中，完全消除了取樣過程中瓦斯逸散的問題。相比傳統方法，這一創新不僅保留了煤樣中瓦斯的原始狀態，還為后續瓦斯含量測定提供了更真實可靠的數據基礎，避免了因逸散導致的誤差。
30、2.保障取樣密封性
31、鉆桿采用半圓連接設計，以使得鉆桿與鉆桿之間形成端頭與端頭的抵觸連接，確保冷空氣在取樣過程中不因為螺紋連接造成外泄，維持鉆孔內部低溫環境。鉆取至預定深度后，通過pe管連接密封體并推入端部鉆桿內的煤樣儲集罐，觸發密封體和四分之一圓球蓋密閉煤芯。這一機制有效保護了煤樣的“原始狀態”，防止外界干擾或瓦斯泄露，為煤層瓦斯含量的精確測定提供了堅實的技術保障。密封性的提升使得測試結果更具可信度。
32、3.簡化流程并提高準確度
33、在低溫空氣作用下，煤樣內部水分凝固成冰，瓦斯氣體被完全“密封”。測試時無需測定取樣過程中的損失量，只需將冷凍煤樣置于煤樣罐內，送至實驗室測定可解吸和不可解吸瓦斯含量即可。這一設計簡化了直接法測定煤層瓦斯含量的流程，減少了操作步驟和人為誤差，同時顯著提高了測試準確度，為煤礦安全和瓦斯治理提供了高效支持。
34、本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。