反循環(huán)取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削試驗

張 睿

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

由GB/T 23250—2009“煤層瓦斯含量井下直接測定方法”可知，煤層井下取樣是瓦斯含量井下直接測定的首要環(huán)節(jié)[1]。不同取樣方式及煤層硬度條件決定了所取煤樣的粒度特征各不相同。研究表明，煤樣粒度對瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律存在影響[2-3]，且存在一個極限粒度，范圍為 0.5～6 mm[4]，在小于極限粒度范圍內(nèi)，瓦斯解吸強(qiáng)度、衰減系數(shù)隨著煤樣粒度的增大而減小，而大于極限粒度時，瓦斯解吸強(qiáng)度、衰減系數(shù)隨著煤樣粒度的增大而減小的趨勢不再明顯。因此，為減少取樣環(huán)節(jié)中煤樣顆粒的瓦斯損失量，進(jìn)而提高瓦斯含量測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在取樣時盡量選取超過極限粒度范圍的煤樣顆粒。目前，井下反循環(huán)定點取樣技術(shù)因其符合瓦斯含量井下直接測定標(biāo)準(zhǔn)中5 min內(nèi)定點取樣的要求，在國內(nèi)煤礦得到廣泛應(yīng)用。但因該工藝鉆取煤樣均為顆粒狀，為滿足用于瓦斯含量直接測定的大顆粒煤樣的質(zhì)量要求，因此進(jìn)行取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒度試驗考察具有重要意義。

1 反循環(huán)取樣鉆頭結(jié)構(gòu)

按照鉆齒的排列形式，常用的礦山深孔鉆頭一般有三翼（或四翼）的內(nèi)凹式鉆頭及三翼的錐式鉆頭。前者鉆齒切削孔底呈一內(nèi)凹面，適合于巖體較硬、保直性較高的鉆孔；后者鉆齒切削孔底呈一凸出錐形面，適合于對鉆屑破壞程度要求高、鉆進(jìn)速度要求快的鉆孔，但受鉆頭前方巖體硬度分布不均的影響，鉆孔保直性較差[5-6]。根據(jù)井下反循環(huán)定點取樣技術(shù)的要求，所取煤樣應(yīng)為鉆頭前方新鮮剝落的煤樣顆粒，因此，在以上2類成熟鉆齒結(jié)構(gòu)鉆頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計了內(nèi)嵌環(huán)形噴射器且鉆頭胚體前端開設(shè)有與噴射器貫通取樣口的內(nèi)凹式和錐式取樣鉆頭[7-9]，鉆齒材質(zhì)均采用復(fù)合片金剛石，反循環(huán)取樣鉆頭結(jié)構(gòu)形式如圖1。為了防止進(jìn)入取樣口的鉆屑顆粒過大從而堵塞鉆頭內(nèi)部通道無法實現(xiàn)取樣，在內(nèi)凹式鉆頭前部取樣口處焊接小號鉆齒，覆蓋圓形入口約1/4面積，從而在鉆頭轉(zhuǎn)動切削煤巖壁時，進(jìn)入不規(guī)則圓形入口的鉆屑粒徑始終小于規(guī)則圓形的面積，錐式鉆頭采用以圓形入口為中心的放射密集型鉆齒布局方式，鉆齒覆蓋在取樣口前方，可使鉆屑首先經(jīng)鉆齒充分粉碎后進(jìn)入取樣口。

圖1 反循環(huán)取樣鉆頭結(jié)構(gòu)形式

2 考察方案

1）在煤礦井下采煤工作面使用取樣鉆頭進(jìn)行本煤層長鉆孔施工，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度為1 m/min，在相同鉆孔深度位置分別采用反循環(huán)定點和孔口排渣2種取樣工藝各接取鉆進(jìn)段全煤樣4 kg，沿鉆孔深度共采集若干個位置處的2種煤樣。

2）將各取樣點處的2種煤樣均進(jìn)行煤的堅固性系數(shù)f值測定，對比不同取樣工藝所取煤樣f值的差異。

3）在實驗室使用振動篩將各取樣點采取的2種全煤樣篩分為≤1、1<～2、2<～3、3<～4、4<～5、5<～6、6<～7、＞7 mm的8種粒度的樣品，并對每種粒度的樣品進(jìn)行稱重。

4）統(tǒng)計分析煤樣粒徑分布與煤的堅固性系數(shù)f值、取樣深度之間的關(guān)系。

3 取樣工藝對取樣點煤樣f值測定結(jié)果的影響

選取貴州水城礦業(yè)那羅寨煤礦7號煤層、大河邊煤礦7號煤層，兗礦集團(tuán)貴州能化小屯煤礦6中煤層，國投新集二礦1號煤層，昔陽坪上煤業(yè)15號煤層，山西天地王坡煤業(yè)3號煤層作為現(xiàn)場試驗煤層，均采用φ95 mm取樣鉆頭（內(nèi)凹式和錐式）、φ73 mm雙壁螺旋鉆桿進(jìn)行取樣。在每個試驗煤層均布置2個順層鉆孔，分別采用內(nèi)凹式和錐式反循環(huán)取樣鉆頭鉆進(jìn)，鉆孔間距2 m，傾角和方位角均相同，每個鉆孔在同一深度時分別采用反循環(huán)定點和孔口排渣取樣工藝同時取樣，在實驗室測定同一深度所取煤樣的f值，以那羅寨和大河邊煤礦為例分析，那羅寨和大河邊煤礦7號煤層不同取樣深度f值見表1。

表1 那羅寨和大河邊煤礦7號煤層不同取樣深度f值

分析表1中數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1）采用反循環(huán)定點取樣裝置進(jìn)行取樣，同一鉆孔由淺到深的鉆進(jìn)過程中f值的變化較大，而同一深度情況下孔口排渣取樣所測的f值則較為接近，分析可能的原因是煤層煤質(zhì)分布不均勻，不同區(qū)域的煤體硬度存在差別，反循環(huán)定點取樣所取煤樣的f值為鉆頭切削位置煤層區(qū)域的實際f值，而孔口排渣取樣所測的f值為孔底鉆屑與孔壁殘粉混合煤樣的平均f值。

2）受f值測定工藝的影響[10]，實驗室測定孔口排渣所取樣品的f值時，需要將較細(xì)的煤粉篩除，而孔底鉆屑經(jīng)過鉆桿與孔壁之間的研磨后已變?yōu)榱捷^小的粉狀，因此采用落錘法測定f值所選取的煤樣已經(jīng)將大部分孔底煤樣篩除，更多的是來自靠近孔口的還未被完全碾碎的孔壁煤樣，隨著鉆孔深度的增加，測定f值時選取的煤樣中實際來自孔底的煤樣所占比重越低。表1中表現(xiàn)出當(dāng)取樣深度在20 m時，2種取樣工藝取樣所測的f值相近，說明此時孔口排渣取樣受孔壁殘粉影響較小，可等同孔底煤樣，而隨著鉆孔深度增加，反循環(huán)定點取樣所測f值呈現(xiàn)煤體局部特性，而孔口排渣取樣所測f值呈現(xiàn)為孔口煤樣代表性。其余試驗煤層均符合上述規(guī)律，由此可說明在巷道走向煤壁上相鄰較近的煤層硬度變化較小，但在煤體內(nèi)部縱深方向變化較大，通過反循環(huán)定點取樣測定f值可揭示此現(xiàn)象。

4 不同取樣深度所取煤樣粒徑分布

由于反循環(huán)定點取樣所測f值更能真實的反映出取樣點位置煤層的硬度，因此，在實驗室將每個反循環(huán)定點取樣深度所取的全煤樣進(jìn)行篩分，考察在不同硬度的煤層中采用2種鉆齒結(jié)構(gòu)形式的鉆頭時，不同深度鉆屑的粒徑分布規(guī)律。實驗室測得現(xiàn)場采用反循環(huán)取樣工藝取得樣品的f值區(qū)間分別為：那羅寨煤礦0.23～0.44，大河邊煤礦0.22～0.45，新集二礦0.59～0.62，小屯煤礦0.77～0.88，王坡煤礦0.87～0.91，坪上煤礦0.90～0.95。那羅寨、新集、小屯和坪上煤礦不同硬度煤體切削煤樣的粒徑分布見表2～表5。

表2 那羅寨不同結(jié)構(gòu)取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

表3 新集二礦不同結(jié)構(gòu)取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

表4 小屯煤礦不同結(jié)構(gòu)取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

表5 坪上煤礦不同結(jié)構(gòu)取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

分析數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1）取樣樣品中，小顆粒煤屑（≤1 mm）所占質(zhì)量百分比最大，且煤層f值越小，占比越大，這一規(guī)律不受取樣鉆頭鉆齒結(jié)構(gòu)類型和取樣深度的影響。

2）取樣粒徑的分布規(guī)律與取樣深度無關(guān)，即在同一鉆孔、同一取樣鉆頭、同一煤層f值范圍時，不同取樣深度的煤樣粒徑分布規(guī)律近似相同，如那羅寨煤礦，無論是采用內(nèi)凹式鉆頭還是錐式鉆頭，其各自取樣鉆孔中 20、30、40、50、60 m 處的煤樣粒徑質(zhì)量占比并未因取樣深度的不同而發(fā)生較大變化。

3）取樣粒徑的分布規(guī)律與取樣鉆頭鉆齒結(jié)構(gòu)類型相關(guān)。對于使用相同類型取樣鉆頭鉆取不同f值的煤層時，煤樣粒徑的分布規(guī)律大致相同，如那羅寨煤礦，使用內(nèi)凹式取樣鉆頭時，不同粒徑的煤樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑的減小表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，而使用錐式取樣鉆頭時，不同粒徑的煤樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑的減小表現(xiàn)為單調(diào)增大的規(guī)律，即使試驗煤層的f值不同，但上述規(guī)律并未受f值的影響。

4）對于不同鉆齒結(jié)構(gòu)的鉆頭來說，內(nèi)凹式取樣鉆頭鉆取大顆粒煤屑（＞7 mm）顯著多于錐式鉆頭，而且煤層f值越大，大顆粒鉆屑所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大。

5 結(jié)語

采用井下反循環(huán)定點取樣工藝對不同硬度的煤層進(jìn)行了現(xiàn)場取樣試驗，試驗結(jié)果表明：反循環(huán)定點取樣工藝可取得鉆頭前方煤體樣品，且不受孔壁殘粉的影響，以此煤樣進(jìn)行煤的堅固性系數(shù)f值的測定可真實反映取樣位置處煤層硬度情況，通過該取樣工藝可為探索煤體內(nèi)部硬度分布提供一種新的思路。同時，對比了內(nèi)凹式和錐式2種反循環(huán)取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒度分布情況，結(jié)果表明：反循環(huán)取樣工藝所取煤樣的粒徑分布規(guī)律與取樣深度無關(guān)，但與取樣鉆頭鉆齒的結(jié)構(gòu)相關(guān)；針對不同f值的煤層，同一種取樣鉆頭鉆取的不同粒徑的煤樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍有差異，但粒徑的分布規(guī)律大致相同。為了使煤層瓦斯含量井下直接測定中取樣環(huán)節(jié)瓦斯損失量更小，宜選取超出極限粒度范圍的煤樣顆粒，根據(jù)2種取樣鉆頭鉆取4 kg煤樣中粒徑＞6 mm的質(zhì)量占比，內(nèi)凹式鉆頭所取6 mm以上粒徑的煤樣質(zhì)量均在400 g以上，滿足瓦斯含量井下直接測定的煤樣質(zhì)量要求。因此，將反循環(huán)取樣工藝用于瓦斯含量測定時，宜選取內(nèi)凹式取樣鉆頭；而用于煤體內(nèi)部f值的測定時，2種鉆頭均適用。