井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心技術(shù)及應(yīng)用研究

龍威成

（中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

我國(guó)煤礦瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)期以來，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，且隨著礦井開采條件變化和開采工藝變革，瓦斯災(zāi)害的防治難度日益增大。煤層瓦斯含量是礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治、瓦斯資源評(píng)價(jià)與開發(fā)的重要基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)其測(cè)定時(shí)常規(guī)取心使用敞開式取心管。煤層瓦斯含量包括損失氣量、解吸氣量和殘余氣量，解吸氣量和殘余氣量均可實(shí)測(cè)獲得，損失氣量只能通過煤心初期解吸規(guī)律推算獲得，煤心暴露時(shí)間越長(zhǎng)，損失氣量估算越不準(zhǔn)確。為了精準(zhǔn)測(cè)定煤層瓦斯含量，眾多科技工作者做了大量研究。張宏圖等［1］基于負(fù)壓使煤樣進(jìn)入鉆桿內(nèi)部進(jìn)行煤樣輸送的原理，提出深孔快速取樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有煤樣純度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、取樣時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；鄒銀輝等［2］研發(fā)鉆孔引射取樣工藝及裝置，該方法能迅速?gòu)你@孔底部取出煤層新鮮樣品；陳紹杰等［3］研發(fā)的鉆機(jī)反轉(zhuǎn)定點(diǎn)取樣技術(shù)及裝置，可保證煤樣純度并實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣；任浩洋等［4］、王兆豐等［5］研究認(rèn)為，溫度降低能夠抑制瓦斯解吸，促進(jìn)煤心吸附瓦斯，減少瓦斯逸散，并據(jù)此提出低溫冷凍取心方法；為快速測(cè)定煤層瓦斯含量，安豐華等［6］提出利用解吸率初期具有一致性的特點(diǎn)確定煤層瓦斯含量，該方法無需選用解吸模型，減少殘存瓦斯含量測(cè)試過程；隆清明［7］發(fā)明了多級(jí)噴射助力水尾，完善深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了2 min內(nèi)快速定點(diǎn)取樣，并提出煤層瓦斯含量間接快速測(cè)定方法；張帥等［8］基于實(shí)驗(yàn)室瓦斯解吸試驗(yàn)，提出一種基于鉆屑瓦斯解吸規(guī)律的瓦斯含量快速測(cè)定方法；劉賀［9］研究認(rèn)為，以2 min為參考暴露時(shí)間，進(jìn)行損失量推算時(shí)能提高煤層瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確度。上述研究成果較好地解決了孔口接樣取心煤樣不純和不定點(diǎn)、鉆孔巖心管取心時(shí)間長(zhǎng)等問題，一定程度上提高了瓦斯含量測(cè)試準(zhǔn)確度，但仍存在局限性［10-11］，其中敞開式取心瓦斯損失量估算不準(zhǔn)的問題仍然無法解決。

為了盡可能減少煤心在裝罐前的瓦斯逸散量，齊黎明等［12-13］開展了密閉液封堵條件下的煤心瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，密閉條件下的瓦斯解吸量呈現(xiàn)不同程度降低，并據(jù)此提出采用密封液封堵煤樣的卸壓密閉取樣方式進(jìn)行定點(diǎn)取樣；林柏泉等［14］采用活塞密封取樣通道，提出一種煤礦密封取樣裝置及其使用方法。石油及天然氣水合物等領(lǐng)域較早提出了保壓密閉取心技術(shù)，對(duì)于地面深孔取樣起到了保形、保壓作用，但技術(shù)要求和使用成本高，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大。由于煤層賦存較淺、儲(chǔ)層壓力較低、取心要求不高，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)于2015年研發(fā)了基于球閥密封原理的煤層密閉取心技術(shù)，并在普通短鉆孔中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層密閉取心技術(shù)減少了損失氣量估算環(huán)節(jié)，有效提高了煤層瓦斯含量測(cè)試精度［15］。近年來，在集中煤層定點(diǎn)密閉取心與定向鉆探技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，將密閉取心瓦斯含量測(cè)定技術(shù)應(yīng)用于定向長(zhǎng)鉆孔中，并在焦作、晉城等礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)［16-18］，取得了初步成效。煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定技術(shù)正朝著智能化、多元化方向發(fā)展，加強(qiáng)理論研究，盡快完善裝備，發(fā)展長(zhǎng)距離、高精度的原位、保真測(cè)量技術(shù)是未來的主要研究方向［19-20］?，F(xiàn)有煤層密閉取心裝置仍存在體積和重量大，對(duì)取心條件要求高，與定向鉆探設(shè)備不匹配等問題，應(yīng)用受限。隨著礦井鉆探技術(shù)與裝備的推廣及礦井采掘效率的提高，長(zhǎng)距離超前探測(cè)煤層瓦斯含量的需求越來越迫切。為此，本文研發(fā)適合于煤礦井下煤層長(zhǎng)距離瓦斯含量測(cè)定的密閉取心裝置及技術(shù)工藝，開展密閉取心測(cè)值可靠性驗(yàn)證和工程應(yīng)用試驗(yàn)，以期為煤礦井下煤層鉆孔精準(zhǔn)定點(diǎn)、長(zhǎng)距離瓦斯含量準(zhǔn)確測(cè)定提供技術(shù)和裝備支持。

1 井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心技 術(shù)及裝置

1.1 煤層長(zhǎng)距離密閉取心技術(shù)總體思路

煤層氣（瓦斯）含量測(cè)定常用解吸法，即將瓦斯含量分為損失氣量、解吸氣量和殘余氣量分別進(jìn)行測(cè)定。解吸氣量和殘余氣量使用計(jì)量?jī)x器準(zhǔn)確測(cè)定，但損失氣量無法實(shí)測(cè)，需據(jù)現(xiàn)場(chǎng)解吸速率估算獲得。損失瓦斯量估算準(zhǔn)確度的影響因素很多，煤心暴露時(shí)間是主控因素之一，煤心暴露時(shí)間越長(zhǎng)，鉆孔越深，損失氣量估算越不準(zhǔn)確。規(guī)避取心過程瓦斯損失量估算環(huán)節(jié)是提高瓦斯含量測(cè)試準(zhǔn)確度的有效手段。在取心鉆孔孔底原位密封煤心并防止瓦斯逸散可規(guī)避或減少損失氣量估算環(huán)節(jié)，并使得瓦斯含量測(cè)值更接近真實(shí)值?；诖?，采用反演思維逐步解決密閉取心過程的各個(gè)問題，以最終解決瓦斯含量測(cè)定準(zhǔn)確度問題，問題分解與解決的思路如圖1所示。由圖1可知，如何在孔外遠(yuǎn)程控制孔底的煤心密封是技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為此研發(fā)“三筒單動(dòng)、孔底原位球閥密封、取心與解吸一體化”的密閉取心裝置，借助泥漿泵的泵壓，通過鉆桿內(nèi)通道，運(yùn)用高壓水作為驅(qū)動(dòng)力，在取心裝置收集煤樣后遠(yuǎn)程控制迅速驅(qū)動(dòng)取心容器（內(nèi)筒）的球閥剪斷煤心并關(guān)閉閥門，以保證煤心的鉆割、退鉆、自然解吸全程密閉，減少取心過程的損失氣量估算環(huán)節(jié)，從而大幅提高煤層瓦斯含量測(cè)試的準(zhǔn)確度。

圖1 煤層長(zhǎng)距離瓦斯含量測(cè)定問題分解與解決Fig.1 Decomposition and solution of long-distance gas content determination in coal seam

1.2 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)

長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置為三筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)，由取心外筒、取心內(nèi)筒、推動(dòng)筒、投球裝置和液壓推動(dòng)總成等構(gòu)件組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。鉆取目標(biāo)地點(diǎn)的煤層后密閉于取心內(nèi)筒，防止煤心在提鉆和解吸過程中逸散，最大限度減少直接測(cè)定瓦斯含量的煤心暴露時(shí)間，減少損失氣量估算環(huán)節(jié)，從而提高瓦斯含量測(cè)試準(zhǔn)確度。取心鉆進(jìn)時(shí)，取心外筒傳遞鉆機(jī)動(dòng)力，帶動(dòng)取心鉆頭鉆取煤樣，取心內(nèi)筒收集煤樣；打壓關(guān)閉時(shí)，泥漿泵加壓將封堵球送至投球裝置的球座中，球座底部的導(dǎo)水孔被堵塞，液壓缸產(chǎn)生推動(dòng)力，剪斷動(dòng)力銷釘并迫使推動(dòng)總成向前運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)取心內(nèi)筒的球閥和解吸閥，從而使煤心及其解吸的瓦斯密閉在取心筒內(nèi)。為保證密閉取心裝置實(shí)現(xiàn)深孔取心和孔內(nèi)密閉煤心，采用可控式蓄能升壓、聯(lián)動(dòng)關(guān)閉結(jié)構(gòu)和三筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)。

1.2.1 可控式蓄能升壓設(shè)計(jì)

鉆取煤心時(shí)，由于取心內(nèi)筒需要收集煤樣，并順利排出內(nèi)部可能存在的鉆井液，因此取心內(nèi)筒兩端保持敞開狀態(tài)，取心結(jié)束要立即密封。如何在鉆孔外控制鉆孔孔底的取心內(nèi)筒關(guān)閉是技術(shù)關(guān)鍵。采用可控式蓄能升壓設(shè)計(jì)，即根據(jù)煤體堅(jiān)硬程度估算煤心剪斷力，通過選配相應(yīng)的動(dòng)力銷釘產(chǎn)生相應(yīng)的抗剪力；封堵球封閉水路后，持續(xù)注水使液壓缸蓄能升壓，當(dāng)水壓力大于動(dòng)力銷釘抗剪力時(shí)，動(dòng)力銷釘被切斷，液壓推動(dòng)總成，在高壓推動(dòng)下下行，觸發(fā)內(nèi)筒球閥和解吸閥同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.2 聯(lián)動(dòng)關(guān)閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)動(dòng)關(guān)閉是指取心內(nèi)筒裝樣后，采用液壓推動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)剪切/關(guān)閉球閥與解吸閥的同時(shí)關(guān)閉。該設(shè)計(jì)既考慮了取心內(nèi)筒在煤心鉆取過程中順利排液和收集煤心的需求，又保證了取心內(nèi)筒在取心鉆進(jìn)結(jié)束后雙端順利密閉，同時(shí)也促進(jìn)了取心內(nèi)筒取心和解吸功能一體化。

聯(lián)動(dòng)關(guān)閉功能主要由液壓推動(dòng)頭和推動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)，這兩部分連接在一起，共同進(jìn)退。在推動(dòng)筒上剪切/關(guān)閉球閥旋鈕和解吸閥旋鈕對(duì)應(yīng)位置分別增加卡件，卡件與上述旋鈕接觸良好，推動(dòng)筒下行同時(shí)帶動(dòng)旋鈕運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取心內(nèi)筒剪切/關(guān)閉球閥和解吸閥的聯(lián)動(dòng)。

1.2.3 三筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取心內(nèi)筒通過前端設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)易軸承，末端絲扣與投球裝置連接并與上軸承相連，一并安裝于液壓總成內(nèi)，實(shí)現(xiàn)取心鉆進(jìn)過程中取心內(nèi)筒和推動(dòng)筒不隨外筒轉(zhuǎn)動(dòng)，取心鉆桿帶動(dòng)取心裝置外筒與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免煤心被旋轉(zhuǎn)破壞，保持樣品的完整性。

1.2.4 取心-解吸一體化設(shè)計(jì)

為了避免煤心在密閉取心裝置與瓦斯罐之間移動(dòng)造成瓦斯逸散，密閉取心裝置內(nèi)筒采用取心-解吸一體化設(shè)計(jì)，即密閉取心內(nèi)筒在孔內(nèi)完成取心裝樣并關(guān)閉，待裝置退到孔外時(shí)，從裝置中取出內(nèi)筒即可直連解吸儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試。

1.3 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置及配套設(shè)備

1.3.1 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置

如圖2所示，長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置由懸掛總成、軸承組、取心外筒、推動(dòng)筒、取心內(nèi)筒、取心鉆頭、液壓推動(dòng)頭、封堵球座等構(gòu)件組成，其中取心內(nèi)筒、推動(dòng)筒、液壓推動(dòng)頭、封堵球座等構(gòu)件安裝在密閉取心裝置內(nèi)部。密閉取心裝置輸送至鉆孔內(nèi)設(shè)計(jì)取心位置后，啟動(dòng)鉆機(jī)開始回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取心，期間泥漿泵輸出的流體介質(zhì)由鉆桿內(nèi)部進(jìn)入密閉取心裝置內(nèi)，并通過投球球座、外筒與內(nèi)筒的環(huán)空間隙，從取心鉆頭水孔流出，起到冷卻鉆頭和驅(qū)排鉆屑作用；取心鉆頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)鉆齒切割破煤，鉆頭內(nèi)孔正前方煤體因未受沖擊破碎而形成柱狀或塊狀煤心，煤心在擠壓力（或煤心重力）條件下進(jìn)入取心內(nèi)筒空腔。

圖2 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of sealed coring device

該取心裝置全長(zhǎng)約1 300 mm，實(shí)物見圖3，取心外筒最大直徑僅89 mm，體積小、重量輕，保壓能力可達(dá)11.5 MPa，適應(yīng)于煤礦井下深孔長(zhǎng)距離密閉取心瓦斯含量測(cè)定；配套使用直徑98 mm的取心鉆頭，滿足孔徑98 mm及以上鉆孔密閉取心需要。取心過程操作簡(jiǎn)單，可完整、快速地提取高質(zhì)量煤心樣品。

圖3 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置實(shí)物外觀Fig.3 Physical appearance drawing of coal seam sealed coring device

（1）取心外筒。如圖3所示，取心外筒置于密閉取心裝置的外部，一端與密閉取心鉆頭連接，另一端與取心鉆桿相連，起到保護(hù)密閉取心裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、將鉆桿扭矩傳遞至密閉取心鉆頭的作用，同時(shí)與液壓推動(dòng)總成配合形成液壓密封缸。

（2）取心內(nèi)筒。取心內(nèi)筒是密閉取心裝置的核心部件之一，采用取心-解吸一體化設(shè)計(jì)，起到了收集煤心和密封煤心、防止煤心瓦斯逸散、直連測(cè)試儀器的作用。取心內(nèi)筒中部為儲(chǔ)存煤心的空間，一端安裝剪切關(guān)閉球閥，在煤心被擠壓進(jìn)入取心內(nèi)筒后，剪切關(guān)閉球閥動(dòng)作將煤心剪斷并密封；取心內(nèi)筒另一端安裝解吸閥，便于在取心內(nèi)筒取出后可直連瓦斯解吸儀器進(jìn)行測(cè)量。此外，取心鉆進(jìn)時(shí)，由于煤心進(jìn)入取心內(nèi)筒形成擠壓，取心內(nèi)筒內(nèi)的泥漿和氣體等從解吸閥處被擠出，有利于提高煤心采取率。

（3）液壓推動(dòng)總成。液壓推動(dòng)頭和推動(dòng)筒是密閉取心裝置在鉆孔內(nèi)原位密封煤心防止瓦斯逸散的動(dòng)力產(chǎn)生和動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，液壓推動(dòng)頭與取心外筒配合形成液壓密封缸。裝置采用可控式蓄能升壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，連續(xù)的高壓水進(jìn)入液壓密封缸形成蓄能升壓，壓力升高至剪切銷釘?shù)目辜魳O限值時(shí)，剪切銷釘被剪斷，液壓密封缸內(nèi)活塞下行驅(qū)動(dòng)推動(dòng)筒，推動(dòng)筒關(guān)閉取心內(nèi)筒球閥并聯(lián)動(dòng)關(guān)閉解吸閥。

（4）上懸掛軸承。懸掛總成與軸承組位于取心裝置與取心鉆桿連接端，其與取心內(nèi)筒組件相連，起到連接固定作用，與取心內(nèi)筒組件入口端簡(jiǎn)易軸承配合，保證了密閉取心裝置的三筒單動(dòng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，有利于煤心進(jìn)入內(nèi)筒空腔和保持煤心完整性。

1.3.2 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心配套裝備

采用煤層密閉取心技術(shù)進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，前提是進(jìn)行鉆孔施工。煤礦井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心時(shí)，需要采用定向鉆機(jī)實(shí)施長(zhǎng)距離、定向鉆孔，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離定點(diǎn)探測(cè)煤層瓦斯賦存情況。因此，進(jìn)行井下長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心瓦斯含量測(cè)定，除煤層密閉取心裝置、密閉取心鉆頭外，仍需配套定向鉆機(jī)、鉆桿、泥漿泵、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等鉆探裝備，必要時(shí)配備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送封堵球的通孔取心鉆桿等。另外，密閉樣品的瓦斯含量測(cè)定還需要配備現(xiàn)場(chǎng)解吸設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定裝備。

1.4 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心工藝

煤礦井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心既充分利用了定向孔鉆孔軌跡實(shí)時(shí)測(cè)控和長(zhǎng)距離鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，又保證了煤層密閉取心裝置的保壓、密封特性，從而提高了井下煤層瓦斯含量測(cè)定的采樣深度和瓦斯含量測(cè)定精度，實(shí)現(xiàn)井下長(zhǎng)距離、定點(diǎn)、精準(zhǔn)瓦斯含量測(cè)定。長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心工藝流程如圖4所示。該工藝主要包括取心孔設(shè)計(jì)、取心套管（孔口）段和定向孔段施工、煤心密閉采取、取心內(nèi)筒及煤心檢查等環(huán)節(jié)。取心流程主要包括密閉取心裝置及鉆具配置、密閉取心裝置組裝、裝置輸送、取心鉆進(jìn)、投球封堵、泵注加壓煤心密閉、裝置回收及拆卸、取出取心內(nèi)筒檢查及現(xiàn)場(chǎng)解吸等環(huán)節(jié)。取心鉆孔設(shè)計(jì)前，若取心區(qū)域煤層賦存等狀況不清，應(yīng)施工勘查孔了解煤層賦存等地質(zhì)條件。取心內(nèi)筒檢查如發(fā)現(xiàn)漏氣、煤心質(zhì)量不滿足測(cè)試要求等狀況，應(yīng)重新組裝密閉取心裝置，重復(fù)密閉取心步驟；取心內(nèi)筒檢查合格后則可直連解吸儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸，并判斷該測(cè)點(diǎn)是否為最終測(cè)點(diǎn)，若非最終測(cè)點(diǎn)，則可送入鉆具進(jìn)行無心鉆進(jìn)至下一測(cè)點(diǎn)，之后重復(fù)密閉取心步驟。

圖4 井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心工藝流程Fig.4 Long distance fixed point sealed coring technology for underground coal seam

2 工程應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況

井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心工程試驗(yàn)選擇在山西某礦一瓦斯抽放巷內(nèi)，該區(qū)域主采3號(hào)煤層，總平均厚度5.72m，傾角5°～10°，結(jié)構(gòu)為全煤，黑色，具似金屬光澤，以亮煤為主，暗煤次之，半亮型，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為1.0～2.0。根據(jù)礦井和區(qū)域地質(zhì)，以及巷道掘進(jìn)揭露煤層賦存情況，繪制試驗(yàn)地點(diǎn)沿巷道掘進(jìn)前方煤層預(yù)想剖面，如圖5所示。由圖5可知，鉆場(chǎng)前方煤層厚度變化小，前方0～300 m煤層為上山，300～370 m煤層近水平，之后小角度下山，煤層標(biāo)高最大處與鉆場(chǎng)高差約25 m。

圖5 瓦斯抽采巷鉆場(chǎng)前方煤層預(yù)想剖面Fig.5 Prospective section of coal seam in front of drilling field of gas drainage roadway

2.2 長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證井下煤層長(zhǎng)距離密閉取心裝置及技術(shù)的可靠性，在試驗(yàn)礦井開展同一測(cè)點(diǎn)密閉取心和常規(guī)取心樣品瓦斯含量測(cè)定對(duì)比試驗(yàn)，共布置5個(gè)瓦斯含量測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用密閉和常規(guī)兩種方式取樣。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在東區(qū)回風(fēng)大巷（底板巷），考慮到深孔中采用常規(guī)取心進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定的結(jié)果可能偏差太大，基于測(cè)定條件對(duì)比需要和底板巷實(shí)際，在煤層底板的東區(qū)回風(fēng)大巷布置1個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，其穿過巖層段進(jìn)入3號(hào)煤層并在煤層中延伸，同時(shí)在東區(qū)回風(fēng)大巷布置5個(gè)穿層常規(guī)短鉆孔，短鉆孔取樣點(diǎn)位于定向長(zhǎng)鉆孔密閉取心取樣點(diǎn)附近（視作同一測(cè)點(diǎn)），如圖6所示。定向長(zhǎng)鉆孔密閉取心取樣點(diǎn)孔深分別為150，200，300，350，400 m，取樣點(diǎn)編號(hào)M1～M5，分別對(duì)應(yīng)常規(guī)穿層鉆孔的取樣點(diǎn)編號(hào)C1～C5。對(duì)所采集的合格煤心樣品均進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，密閉取心樣品瓦斯含量為7.03～7.42 m3/t，常規(guī)取心樣品瓦斯含量測(cè)值為6.60～7.62 m3/t，如表1所示。就同一測(cè)點(diǎn)而言，密閉取心樣品瓦斯含量約為常規(guī)取心樣品測(cè)值的0.97～1.06倍。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置及技術(shù)用于深孔瓦斯含量測(cè)定是可靠的。

圖6 煤層密閉取心與常規(guī)取心對(duì)比測(cè)定瓦斯含量測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.6 Layout schematic of gas content measuring points for comparison between sealed coring and conventional coring in coal seam

表1 井下煤層同一測(cè)點(diǎn)不同取樣方式瓦斯含量測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of gas content measurement results of different sampling methods at the same measuring point in underground coal seam

2.3 煤巷條帶瓦斯抽采剩余瓦斯含量測(cè)定

試驗(yàn)礦井預(yù)抽煤巷條帶效果檢驗(yàn)采用以直接實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量為主，以鉆孔竣工質(zhì)量評(píng)價(jià)、間接計(jì)算、動(dòng)力現(xiàn)象判定等作為補(bǔ)充的多因素評(píng)價(jià)方法，對(duì)區(qū)域瓦斯預(yù)抽效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，瓦斯含量指標(biāo)臨界值為8 m3/t。試驗(yàn)瓦斯抽放巷實(shí)施順煤層定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采，鉆孔瓦斯抽采時(shí)間達(dá)6個(gè)月以上，根據(jù)瓦斯抽采量計(jì)算殘余瓦斯含量值，當(dāng)?shù)陀谥笜?biāo)臨界值后進(jìn)行取心實(shí)測(cè)。

2.3.1 密閉取心鉆孔和測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

據(jù)試驗(yàn)瓦斯抽采條帶的抽采控制要求和瓦斯抽采實(shí)際，進(jìn)行密閉取心鉆孔和測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)，鉆孔最終孔深分別達(dá)到510，486，456 m。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對(duì)定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，沿煤巷條帶每隔20～30 m至少布置1個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)，取心鉆孔中取心點(diǎn)（瓦斯含量測(cè)點(diǎn)）間隔設(shè)計(jì)為30 m，具體設(shè)計(jì)密閉取心測(cè)點(diǎn)為60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360，390，420，450，480，510 m。

根據(jù)煤層傾角、起伏和煤厚變化，設(shè)計(jì)取心鉆孔軌跡，取心鉆孔軌跡覆蓋抽采影響較小的區(qū)域，同時(shí)與瓦斯抽采鉆孔保持足夠距離以防止串孔。鉆孔施工過程中應(yīng)保證鉆孔孔壁的規(guī)則和平滑，并盡可能減少開分支孔，防止密閉取心裝置輸送不到位。

2.3.2 密閉取心施工

定向長(zhǎng)鉆孔密閉取心過程嚴(yán)格按照密閉取心工藝進(jìn)行，在鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)取心深度前1 m停鉆，退出孔內(nèi)所有鉆具，安裝并輸送密閉取心裝置至孔底，待取心鉆進(jìn)和密閉取心裝置剪切關(guān)閉結(jié)束后，退出裝置并取出取心內(nèi)筒，之后進(jìn)行無心鉆進(jìn)至下一個(gè)取樣點(diǎn)，進(jìn)行下一個(gè)取樣點(diǎn)處密閉取心，如此循環(huán)直至最后一個(gè)取心測(cè)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，密閉取心施工過程中取心深度做了適當(dāng)調(diào)整，密閉取心深度和取樣數(shù)量如表2所示。

表2 井下長(zhǎng)距離鉆孔定點(diǎn)密閉取心深度和數(shù)量設(shè)計(jì)Tab.2 Design of depth and quantity of fixed point closed coring for long distance borehole

2.3.3 煤層瓦斯含量測(cè)定

經(jīng)檢驗(yàn)合格的煤層密閉取心樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步分析測(cè)定，密閉取心樣品在自然解吸一段時(shí)間后，進(jìn)行煤心樣品的拍照，之后再粉碎，部分煤心樣品照片如圖7所示。本次密閉取心樣品均為鉆孔鉆取的實(shí)體煤，煤心形狀以柱狀、短柱狀、圓柱狀和塊狀為主，煤心直徑達(dá)到38 mm，部分樣品為小塊狀，質(zhì)量滿足井下瓦斯含量測(cè)試要求。煤層密閉取心和常規(guī)取心的樣品瓦斯含量測(cè)試參照《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》（GB/T23250-2009）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。煤層瓦斯含量樣品測(cè)定結(jié)果顯示，本次試驗(yàn)區(qū)瓦斯抽采巷煤層殘余瓦斯含量為6.04～13.46 m3/t。由于部分測(cè)點(diǎn)煤層瓦斯含量超過了指標(biāo)臨界值（8 m3/t），因此，礦井對(duì)該抽采條帶繼續(xù)進(jìn)行瓦斯抽采。

圖7 井下長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取樣部分煤心照片F(xiàn)ig.7 Photos of some coal cores from underground long distance fixed point closed sampling

3 結(jié) 論

（1）研制了適合于煤礦井下煤層長(zhǎng)距離瓦斯含量測(cè)定的密閉取心裝置，密封氣體壓力達(dá)到11.5 MPa，煤心直徑達(dá)到38 mm，滿足井下長(zhǎng)距離煤層瓦斯含量測(cè)定要求。該裝置體積小、重量輕，外徑僅89 mm，密閉取心鉆頭最大外徑98 mm，適用于孔徑98 mm及以上的煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔定點(diǎn)長(zhǎng)距離密閉取心精確測(cè)定瓦斯含量。

（2）提出了井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)了煤層密閉取心裝置對(duì)煤心的保壓與密封，提高了井下煤層瓦斯含量測(cè)定的采樣深度和瓦斯含量測(cè)定精度，可滿足井下長(zhǎng)距離、定點(diǎn)、精準(zhǔn)測(cè)定瓦斯含量的需求。

（3）在山西某礦進(jìn)行了技術(shù)可靠性驗(yàn)證和煤巷瓦斯抽采條帶效果考察指標(biāo)測(cè)定，采用短鉆孔常規(guī)取心和定向長(zhǎng)鉆孔密閉取心方式對(duì)煤層同一地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)定，結(jié)果顯示長(zhǎng)鉆孔密閉取心測(cè)點(diǎn)瓦斯含量約為短鉆孔常規(guī)取心測(cè)值的0.97～1.06倍，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心裝置及技術(shù)用于深孔瓦斯含量測(cè)定的測(cè)值是可靠的。根據(jù)煤巷瓦斯抽采條帶效果考察的測(cè)點(diǎn)要求，在試驗(yàn)區(qū)瓦斯抽采巷進(jìn)行16個(gè)測(cè)點(diǎn)的定點(diǎn)密閉取心和瓦斯含量測(cè)定，取心最大孔深達(dá)到516 m，將區(qū)域瓦斯抽采效果一次考察范圍擴(kuò)大至400 m以上。應(yīng)用研究結(jié)果表明，煤礦井下長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心瓦斯含量測(cè)定技術(shù)能有效提高長(zhǎng)距離鉆孔瓦斯含量測(cè)定準(zhǔn)確度，在煤巷條帶區(qū)域瓦斯抽采效果檢驗(yàn)中的應(yīng)用，擴(kuò)大了單次區(qū)域瓦斯抽采效果考察范圍，減少了掘進(jìn)與效檢交叉作業(yè)次數(shù)，有效促進(jìn)礦井提能增效。

（4）井下煤層長(zhǎng)距離定點(diǎn)密閉取心技術(shù)目前只在中硬煤層中開展了應(yīng)用試驗(yàn)，并取得了顯著效果，在碎軟煤層中的應(yīng)用效果仍有待考察，下一步將研究適用于碎軟煤層、含氣巖層的密閉取心技術(shù)及裝備。

致謝感謝晉能控股集團(tuán)寺河礦馮強(qiáng)總工程師、晉能技術(shù)研究院康鍇工程師、重慶煤科院王士偉工程師在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中給予的大力支持。