氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣裝置在西馬煤礦的應(yīng)用

黃 鶴，袁勇猛，張東旭

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 六礦，河南 平頂山 467000）

煤層瓦斯含量是突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測、區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)和煤礦瓦斯危險(xiǎn)程度評價(jià)的主要指標(biāo)，同時(shí)也是煤層氣資源勘探開發(fā)不可或缺的基礎(chǔ)參數(shù)，瓦斯含量測值的準(zhǔn)確性不但制約礦井瓦斯危險(xiǎn)程度預(yù)測的可靠性，而且影響以瓦斯危險(xiǎn)程度預(yù)測為依據(jù)而制定的瓦斯防治措施的有效性，甚至可能危及礦井安全生產(chǎn)[1-2]。而目前在瓦斯含量測定時(shí)大部分礦井采用鉆屑法取樣，操作簡單但易混樣，無法保證煤樣的純凈，其測定結(jié)果的可靠性難以保證[3-4]。2019年頒布實(shí)施的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中明確要求用直接法測定瓦斯含量時(shí)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣，由此可見能夠快速精準(zhǔn)采集煤樣是今后煤礦在進(jìn)行瓦斯含量測定時(shí)的前提條件，也是煤礦進(jìn)行突出危險(xiǎn)行預(yù)測時(shí)必不可少的技術(shù)與裝備。目前我國煤礦執(zhí)行GB/T 23250—2009煤層瓦斯含量井下直接測定方法國家標(biāo)準(zhǔn)要求定點(diǎn)取樣的煤樣暴露時(shí)間不大于5 min，采用煤心采集器取樣，取心過程主要存在取樣時(shí)間長、煤心溫度高、瓦斯耗散速度快等問題，造成煤心損失瓦斯量計(jì)算誤差隨鉆孔取心深度和取心時(shí)間的增加而加大，瓦斯含量測值可靠性難以滿足生產(chǎn)要求[5-9]?；诖?，研發(fā)了氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣裝置，通過設(shè)計(jì)單、雙通道短接實(shí)現(xiàn)雙通道取樣龍頭的進(jìn)風(fēng)通道的手動控制，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)取樣龍頭既能通過水力排渣打鉆，又能通過接入壓風(fēng)實(shí)現(xiàn)取樣。

1 氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣裝置

1.1 取樣鉆頭

取樣鉆頭四翼為無芯剛體鉆頭，鉆頭頂面外緣布置出風(fēng)斜孔，頂面中間布置進(jìn)風(fēng)口，壓風(fēng)氣流沿鉆桿外管到達(dá)鉆頭出風(fēng)斜孔，從進(jìn)風(fēng)口攜帶煤屑返出。該取樣鉆頭分3翼和4翼，3翼鉆頭每個(gè)刀翼鑲2個(gè)金剛石復(fù)合片，中間鑲1個(gè)金剛石復(fù)合片；4翼鉆頭每個(gè)刀翼鑲1個(gè)金剛石復(fù)合片，中間鑲3個(gè)金剛石復(fù)合片。鉆頭內(nèi)管和鉆桿內(nèi)管采用插接密封環(huán)密封，鉆頭內(nèi)管設(shè)置引射斜孔使鉆頭頂端至引射斜孔范圍形成負(fù)壓環(huán)境，對煤屑產(chǎn)生抽吸作用。

1.2 取樣鉆桿

取樣鉆桿分內(nèi)外2個(gè)壁。外壁的作用是承受鉆機(jī)動力頭轉(zhuǎn)動并連接鉆頭，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)動力持續(xù)傳遞，推動鉆頭前進(jìn)，是鉆進(jìn)的受力載體，同時(shí)支撐鉆孔；內(nèi)壁的作用是將外管內(nèi)部空間隔離為2部分，一部分為內(nèi)管空間，該空間為排渣和取樣的通道，另一部分為外管和內(nèi)管的環(huán)形空間，該空間是水力排渣及壓風(fēng)取樣時(shí)進(jìn)水和進(jìn)風(fēng)的主要通道[10]。同時(shí)內(nèi)管設(shè)計(jì)2個(gè)引射孔，取樣過程中有利于反循環(huán)的形成，提高取樣效率。取樣鉆桿設(shè)計(jì)圖如圖1。

1.3 氣水可切換式取樣氣水龍頭

氣水可切換式取樣氣水龍頭包括心管、外管、取樣接頭、流體輸入組件和短接接頭等，其中外管套裝在心管的外部，外管的尾部和心管外環(huán)面固定密封連接，短接接頭可拆卸的安裝在心管的前端，取樣接頭安裝在心管的后端，外管的內(nèi)環(huán)面和心管的外環(huán)面以及短接接頭的外環(huán)面之間形成環(huán)形空間，外管上具有通道，流體輸入組件安裝在外管上，且流體輸入組件內(nèi)部輸送管路通過外管上的通道與環(huán)形空間連通，短接接頭為單通道短接或雙通道短接。氣水可切換式取樣氣水龍頭設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 氣水可切換式取樣氣水龍頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Design structure drawing of air water swappable sampling air faucet

2 快速取樣裝置的取樣工藝

氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣裝置采用氣流反循環(huán)原理，氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3，取樣原理圖如圖4。

圖3 氣水可切換式深孔定點(diǎn)取樣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of gas-water switchable deep hole fixed-point sampling device

圖4 取樣裝置取樣原理圖Fig.4 Sampling schematic diagram of sampling device

介質(zhì)通過可切換式單、雙通道水變從取樣鉆桿外管輸入，氣體介質(zhì)到達(dá)取樣鉆孔頂端后，攜帶煤屑從取樣鉆桿內(nèi)管向外排出，避免孔壁脫落煤屑與其混雜，保證取樣過程煤樣純凈性。

鉆機(jī)正常鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，雙通道短接與心管采用插接連接，雙通道短接留有進(jìn)水孔，打鉆過程中能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形空間和內(nèi)管空間同時(shí)進(jìn)風(fēng)水，同時(shí)尾端留有插槽與O型圈插接后密封連接，將外管和進(jìn)氣接頭或水接頭座分別與軸承進(jìn)行焊接，接頭與取樣鉆桿絲扣連接處安裝O型密封圈，2個(gè)軸承之間安裝2個(gè)斯特封，進(jìn)氣接頭或水接頭焊接在進(jìn)氣座或水接頭座上，扣壓管體與進(jìn)氣座或水接頭座通過安裝螺栓進(jìn)行密封連接。

取樣狀態(tài)時(shí)，單通道短接尾端裝有O型圈與心管插接后密封，取樣過程中能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形空間單獨(dú)進(jìn)風(fēng)，內(nèi)管空間回風(fēng)。渦輪促排裝置利用渦輪增壓原理是當(dāng)達(dá)到啟動風(fēng)壓時(shí)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)加大風(fēng)流排除速度，促進(jìn)煤粉隨風(fēng)流排出，濾網(wǎng)阻止粒度較大煤粉隨風(fēng)流通過渦輪促排裝置排出，有利于煤粉進(jìn)入煤樣收集裝置，收集器底部留有排氣口，排氣口上裝有加密鐵紗網(wǎng)，可以將大部分細(xì)小煤粉過濾在收集器內(nèi)部，完成取樣。

3 反循環(huán)取樣瓦斯解吸過程模擬測試

該模擬裝置由真空脫氣系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、高壓瓦斯注氣系統(tǒng)、超常壓恒溫解吸系統(tǒng)、煤樣溫度監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6大系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)測試原理為：變壓罐中預(yù)充入氮?dú)饽M反循環(huán)取樣鉆孔孔底環(huán)境壓力，然后通過電動小流量調(diào)節(jié)閥自動調(diào)控閥門開度，緩慢釋放氮?dú)?，變壓罐?nèi)的氣壓逐漸降至大氣壓，該過程模擬鉆孔孔底至孔口沿程的環(huán)境壓力變化規(guī)律。氮?dú)忉尫艜r(shí)間長短代表反循環(huán)取樣鉆孔深度，改變氮?dú)忉尫潘俣瓤赡M測試反循環(huán)取樣不同深度的煤屑瓦斯解吸規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了傳統(tǒng)麻花鉆桿取樣工藝和反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝，取樣風(fēng)壓0 MPa代表鉆孔內(nèi)部無外加氣流，煤屑處于常壓環(huán)境，與傳統(tǒng)麻花鉆桿取樣所形成的環(huán)境類同。超常壓環(huán)境通過變壓罐中N2壓力和N2釋放速度實(shí)現(xiàn)，當(dāng)取樣風(fēng)壓N2大于0 MPa時(shí)，取樣風(fēng)壓越大，煤屑運(yùn)移速度越快，取樣時(shí)間越短。本次反循環(huán)壓風(fēng)取樣模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定的N2壓力為0.5 MPa和0.8 MPa，實(shí)驗(yàn)煤樣均在相同瓦斯吸附平衡壓力下進(jìn)行。不同風(fēng)壓取樣過程煤屑瓦斯解吸規(guī)律如圖5。

圖5 不同風(fēng)壓取樣過程煤屑瓦斯解吸規(guī)律Fig.5 Desorption law of coal dust gas in sampling process with different wind pressures

由圖5可知，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了西馬煤礦3#、7-2#、12#、13#煤層分別采用傳統(tǒng)麻花鉆桿取樣和反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝，在此基礎(chǔ)上測試了2種取樣工藝取樣過程中煤屑瓦斯解吸規(guī)律。傳統(tǒng)麻花鉆桿取樣依靠螺紋排屑，鉆孔內(nèi)部氣壓為大氣壓環(huán)境。實(shí)驗(yàn)測試4種煤樣在常壓環(huán)境的瓦斯解吸規(guī)律相同，均隨著時(shí)間延長，瓦斯累計(jì)解吸量逐漸增大，而增長速度呈單調(diào)遞減趨勢，取樣時(shí)間越短，瓦斯損失量越小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)麻花鉆桿取樣工藝還是反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝，取樣過程中煤屑瓦斯解吸量均隨時(shí)間的延長而增加，唯有縮短取樣時(shí)間才能降低損失量。反觀反循環(huán)壓風(fēng)取樣工藝能在取樣鉆孔內(nèi)形成超常壓環(huán)境，抑制煤屑瓦斯解吸，減緩?fù)咚菇馕俣?，減少取樣過程中的瓦斯損失量，有利于煤層瓦斯含量的直接測定。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

根據(jù)西馬礦生產(chǎn)及巷道掘進(jìn)情況，本次應(yīng)用地點(diǎn)選擇在12#煤北二采區(qū)1216回風(fēng)巷進(jìn)行施工，4個(gè)測點(diǎn)施工4個(gè)鉆孔測定12#煤層瓦斯含量。1216回風(fēng)巷為新掘巷道，本區(qū)域內(nèi)12#煤為中厚煤層，是礦井主采煤層，全井田發(fā)育，僅有個(gè)別點(diǎn)不可采，分析均為后期構(gòu)造所致，煤層結(jié)構(gòu)為復(fù)合煤層，煤層上煤1.29～2.03 m。測定地點(diǎn)確定后將氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣裝置運(yùn)到井下指定位置，本次打鉆使用的是SGZ-ⅢA型鉆機(jī)，能夠夾持φ73 mm取樣鉆桿，其能力能夠滿足測壓鉆孔長度的要求，鉆頭直徑95 mm。

井下直接測定煤層瓦斯含量的準(zhǔn)確性和效率取決于井下取樣技術(shù)和瓦斯含量測試方法。通過試驗(yàn)測試，分別從取樣效果和瓦斯含量測定結(jié)果2方面評價(jià)傳統(tǒng)工藝和新工藝。取樣結(jié)果評價(jià)指標(biāo)對比見表1，瓦斯含量測定結(jié)果對比見表2。

表1 取樣結(jié)果評價(jià)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of evaluation indexes of sampling results

表2 瓦斯含量測定結(jié)果對比Table 2 Comparison of gas content determination results

由表1可以看出，隨著取樣深度增加，普通鉆桿孔口接粉取樣工藝取樣深度超過70 m時(shí)取樣時(shí)間已將超過5 min，且定點(diǎn)取樣率均沒有達(dá)到100%，定點(diǎn)取樣率隨著取樣深度的增加而降低。相比之下定點(diǎn)快速取樣裝置壓風(fēng)取樣工藝取樣時(shí)間均沒有超過2 min，定點(diǎn)取樣率均為100%。

從瓦斯測定結(jié)果來看，隨著取樣深度的增加瓦斯含量測定結(jié)果均成上升趨勢，這主要去取決于隨著取樣深度的增加煤層瓦斯排放強(qiáng)度降低，相比之下定點(diǎn)快速取樣裝置壓風(fēng)取樣工藝瓦斯含量測試結(jié)果增長幅度較大，且同一取樣深度瓦斯含量測定值也較大，說明定點(diǎn)快速取樣裝置壓風(fēng)取樣工藝取樣時(shí)間短，且正壓條件下不利于瓦斯解吸，瓦斯損失量較小，瓦斯含量測定結(jié)果較大。現(xiàn)場取樣效果圖如圖6。

圖6 現(xiàn)場取樣效果圖Fig.6 Field sampling effect drawing

5 結(jié) 語

1）研發(fā)了氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)與裝備，該裝置通過設(shè)計(jì)單、雙通道短接實(shí)現(xiàn)雙通道取樣龍頭的進(jìn)風(fēng)通道的手動控制，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)取樣龍頭既能通過水力排渣打鉆，又能通過接入壓風(fēng)實(shí)現(xiàn)取樣，克服了以往取樣過程中需配備2個(gè)氣水龍頭的弊端，同時(shí)避免孔壁脫落煤屑與其混雜，保證了取樣過程煤樣純凈性。

2）氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)和普通鉆桿孔口接粉取樣工藝測定煤層瓦斯含量技術(shù)分別從定點(diǎn)快速取樣時(shí)間、定點(diǎn)取樣率、瓦斯含量測值準(zhǔn)確率等考核技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明：氣水可切換式深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)工藝克服了普通鉆桿孔口接粉取樣缺陷，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)快速取樣，提高了瓦斯含量測定準(zhǔn)確性。

3）通過裝置在西馬煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用，有效解決了西馬煤礦在瓦斯含量測定過程中巖心管取心法取樣過程煩瑣、取樣時(shí)間長，孔口接粉方式取樣受鉆孔內(nèi)殘粉的影響，無法對取樣位置做出準(zhǔn)確標(biāo)定，測值誤差較大等問題。該技術(shù)與裝備為提高煤層瓦斯含量測值準(zhǔn)確率奠定了基礎(chǔ)，為西馬煤礦準(zhǔn)確掌握各煤層瓦斯含量提供了技術(shù)支持和裝備保障。