煤層瓦斯含量直接測定取樣技術研究進展

鄧 楠

(煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

煤層瓦斯含量是研究煤礦瓦斯賦存規(guī)律的重要基礎參數(shù)[1]，是礦井采掘部署、瓦斯災害區(qū)域劃分、瓦斯抽采達標評判、瓦斯開發(fā)利用的關鍵性指標[2]。瓦斯含量的準確測定能使瓦斯防治措施更具有針對性、抽采達標評價更可靠，又可避免瓦斯防治工程浪費。1970年，Bertard C首次提出井下煤層瓦斯含量直接測定方法，并提出取樣過程中煤樣瓦斯損失量的計算公式。2009年，我國制定了GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》標準，規(guī)定了井下直接測定煤層瓦斯含量的采樣方法，要求井下取樣的時間限制在5 min內，并采用取芯法或定點取樣法。

煤層瓦斯含量直接測定過程包括井下打鉆取煤樣、井下煤樣解吸瓦斯量、實驗室解吸瓦斯量測定及瓦斯含量計算，難點在于取樣過程中損失瓦斯量的補償計算[3-6]。經(jīng)過10余年的科技攻關，行業(yè)內提出的瓦斯損失量計算模型已比較完善，而目前困擾煤礦企業(yè)瓦斯含量測定技術的難題在于井下取樣較難[7-10]，不允許在鉆孔孔口接粉取樣。2019年，我國修訂了《防治煤與瓦斯突出細則》，要求區(qū)域預測所依據(jù)的瓦斯含量參數(shù)在用直接法測定時應當采用定點取樣法。

目前，符合國家標準和防突細則的煤層井下瓦斯含量直接測定取樣技術主要有3類：

1)傳統(tǒng)取芯法。傳統(tǒng)取芯法是在鉆頭到達預定取樣位置后，排盡鉆孔內殘渣，快速退出鉆頭并更換取芯管，將取芯管快速送至孔底，鉆取獲得煤樣，待取芯管內裝滿煤樣后退出鉆桿，保證了煤樣在預定位置鉆取。但此類技術只適用于上向孔取樣，且取樣過程來回進退鉆桿，工序重復量多，若鉆桿拆卸過程遇到螺紋卡鉆等情況時，煤體暴露時間變長，誤差難以控制[1]。

2)壓氣動取樣法。負壓氣動取樣法是以流動氣體為介質在鉆進的過程中將預定位置的煤樣通過鉆桿內部引流至采集器內。該取樣方法操作流程相對簡單，但孔口壓風引射取樣由于動力小，導致穩(wěn)定取樣深度小，且易堵鉆頭[7]。

3)密閉取樣法。密閉取樣法是在預定位置利用特制的取芯管鉆取煤樣后，封閉取芯管，退鉆過程保證煤樣處于密閉狀態(tài)，煤樣送到實驗室后進行加熱、粉碎，通過真空方式進行脫氣實驗。密閉取樣法涉及到孔外—孔內聯(lián)動的密閉取芯管，取芯管活門及密閉附屬裝置結構復雜[7]，聯(lián)動組件性能不可靠且易損壞，導致密閉取樣法成功率較低。

為提高我國煤礦井下瓦斯含量的測定精度，在上述3類取樣技術基礎上，相關科研人員在煤樣取芯技術上進行了深入的研究，以降低取樣全過程對煤樣瓦斯損失量的影響為目的，研發(fā)了一系列成熟的瓦斯含量直接測定取樣技術和裝備。筆者著重闡述技術先進的深孔定點取樣技術、長距離密閉取樣技術和低溫冷凍取樣技術，前者已廣泛應用于瓦斯突出礦井，后二者處于科技攻關——工業(yè)性試驗階段。

1 深孔定點取樣技術

深孔定點取樣技術是指利用正負壓聯(lián)合栓流定點取樣裝置，基于氣力輸送理論和噴射理論，針對煤層鉆孔產(chǎn)渣特性、氣固兩相流、固氣比等因素研發(fā)的正循環(huán)鉆進、反循環(huán)快速定點取樣的新工藝技術。在取樣前的鉆孔施工過程中，鉆桿內管與環(huán)形噴射器同時進風排渣；而在取樣時的鉆孔施工過程中，孔底新鮮煤屑在外卷、內吸和孔壁分流三重控制作用下，以最佳的固氣比和流速進入雙壁鉆桿中心管形成反循環(huán)輸送。

正負壓聯(lián)合栓流定點取樣裝置[11]主要由孔口引射裝置、雙壁鉆桿、噴射取樣鉆頭等組成，其結構如圖1所示。

圖1 正負壓聯(lián)合栓流定點取樣裝置結構圖

該裝置以礦井壓風為動力，利用雙壁鉆桿環(huán)狀間隙進風，利用內管排渣，通過鉆頭內嵌環(huán)形噴射器將孔底鉆屑吸入鉆桿中心管；外噴孔將孔底鉆屑卷入(壓入)鉆桿中心管；通過外卷內吸雙重作用形成反循環(huán)，有效地保證煤樣進入輸送系統(tǒng)并提供輸送動力；孔口引射裝置加入多級噴射器，為取樣系統(tǒng)提供有效補充動力，增加取樣深度；取樣鉆頭加入環(huán)形噴射器并設計了外噴孔，形成外卷內吸雙重作用，極大地增加了取樣裝置穩(wěn)定性，解決了鉆頭堵塞的問題。

深孔定點取樣系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 深孔定點取樣系統(tǒng)參數(shù)

深孔定點取樣技術不需要重復進退鉆桿，鉆孔取樣一次完成，解決了取樣時間、取樣粒度、煤樣的原位采取等問題，提高了測定結果的精度，使瓦斯治理更有針對性。利用該技術所獲取煤樣測得的瓦斯含量值相較于孔口接粉取樣的測定值更接近煤層中實際的瓦斯含量值[12]，其原因是該技術取樣前鉆桿內部沒有孔壁煤樣的存在，排除了孔壁煤巖渣的干擾，保證所取煤樣為預定位置的煤樣。該技術應用后瓦斯含量測定誤差由20%～30%縮小至7%以內。

我國煤田地質條件復雜，煤質、煤體硬度、煤層賦存差異性較大，深孔定點取樣技術及裝備在結構和參數(shù)上不一定能完全適用于所有煤層條件，在實際應用過程中，需要進一步考察和調整系統(tǒng)參數(shù)[12]。另外，深孔定點取樣技術存在煤樣溫度過高而導致煤樣瓦斯逸散的問題，與傳統(tǒng)取樣技術相同，取樣過程中鉆頭、鉆桿與鉆孔內壁的切削或摩擦會導致煤樣溫度上升。

2 長距離密閉取芯技術

隨著“兩個四位一體”綜合防突措施的深入落實，以及千米定向鉆機施工裝備和技術日益成熟，定向長鉆孔大面積預抽煤層瓦斯日漸成為有效的區(qū)域瓦斯治理技術途徑。常規(guī)采樣并測定瓦斯含量技術已不能滿足煤層瓦斯超前精準探測和區(qū)域瓦斯抽采效果評價的需要。李泉新等[13]將煤層定點密閉取芯技術與井下定向長鉆孔施工技術結合，應用于河南趙固二礦區(qū)域瓦斯治理及抽采效果檢驗。在定向長鉆孔中密閉取芯，準確測定了區(qū)域抽采前后煤層瓦斯含量，最大采樣深度達到500 m，凸顯了長距離密閉取芯技術在區(qū)域瓦斯治理中的優(yōu)勢和應用前景。

井下長距離密閉定點取芯裝置采用高壓水流驅動球閥轉動以達到剪斷煤芯并密封煤芯防止瓦斯逸散的目的。密閉取芯裝置為雙筒單動結構，由外套總成、取芯內筒、投球裝置和液壓總成等構件組成。密閉取芯工藝流程如圖2所示。

圖2 密閉取芯工藝流程圖

在到達取樣位置后，取芯鉆頭由外套總成驅動鉆進，隨著鉆頭的推進，煤樣進入取芯內筒中，取樣長度達到要求后停止鉆進，然后將橡膠球從外孔鉆桿放入，在泥漿泵壓力的作用下橡膠球運動到投球裝置中，橡膠球將導水孔關閉使壓力升高繼而推動液壓總成剪斷銷釘并向前運動，最后關閉位于取芯內筒中的球閥和解吸球閥，煤芯被密封在取芯筒中。將密閉取芯裝置從鉆桿上取下，取出取芯內筒中的解吸裝置進行現(xiàn)場解吸。其主要技術參數(shù)如表2 所示。

表2 長距離密閉取芯系統(tǒng)參數(shù)

長距離密閉取芯技術利用定向孔軌跡監(jiān)測、長距離鉆進和保壓密閉取樣的特點，提高了定點取樣的深度和精度，并可在單孔中進行多次定點密閉取樣，能有效避免因取樣過程中瓦斯逸散對煤層瓦斯參數(shù)測試帶來的影響[13]，與傳統(tǒng)取樣技術比較取樣深度增加6倍以上。

長距離密閉取芯技術具有較強的專業(yè)性，定向鉆孔不適合有分支孔，應根據(jù)實際情況合理配置鉆具參數(shù)，當煤體硬度較大時，會影響煤樣進入密閉取樣裝置，從而影響取樣效果[14]。需通過分析試驗區(qū)煤層地質條件，結合地面液壓推動力試驗，選擇密閉取芯裝置剪切銷釘數(shù)量和規(guī)格、泥漿泵流量和壓力等關鍵參數(shù)，在現(xiàn)場工程試驗中適時調整，技術性較強。

3 低溫冷凍取樣技術

瓦斯含量直接測定取樣過程中鉆頭對煤壁進行切割，取芯管、鉆桿與煤體發(fā)生旋進式的劇烈摩擦，引起取芯管及管內煤樣溫度急劇上升，可導致取芯管內煤樣瓦斯完整性遭到破壞，使瓦斯逸散。為了解決溫度對煤樣瓦斯逸散的影響，李小軍等[14]提出了低溫冷凍取樣技術。該技術核心是在取芯管中增加冷凍裝置，保證所取煤樣處于低溫狀態(tài)，使煤樣瓦斯解吸被有效抑制。在井下直接進行低溫解吸瓦斯含量測定，再采用“解吸法”在實驗室測定殘存瓦斯含量，通過低溫損失量補償方法計算，最終得到煤層瓦斯含量[15-16]。

眾多學者在低溫冷凍取樣裝置的設計中，所采用的裝置結構和原理大致相同。例如，王元[17]設計的雙彈卡結構冷凍取樣裝置和王晗等[16,18-19]設計的空氣鉆進用煤瓦斯冷凍取樣裝置只是裝置的設計結構和工藝略有差別，冷凍流程均包括冷源儲存、冷源釋放、樣品冷凍、樣品提取等4個基本步驟；王元設計的雙彈卡孔底冷凍取樣裝置，主要由儲冷模塊、冷凍模塊、取樣模塊和控制模塊4部分組成。在進行打鉆之前，預先將冷凍劑放置在儲冷模塊中，在正常鉆進過程中利用保溫裝置保證冷凍劑完整避免失效，鉆孔施工結束，待取樣模塊中裝滿樣品后，由控制模塊打開冷源注入通道，將冷凍劑注入取樣模塊中，樣品與冷凍劑存在溫差會發(fā)生熱量交換，實現(xiàn)對樣品降溫冷凍的目的，在充分熱交換后將鉆具取出獲取完整的冷凍樣品。羅永江等研發(fā)的空氣鉆進用煤瓦斯冷凍取樣器，采用空氣鉆下向鉆孔進入煤體進行瓦斯抽樣操作，冷凍取樣裝置自上而下主要由冷源保溫腔、冷源保溫腔與取芯管之間的控制閥、取芯管等組成，如圖3所示。

圖3 冷凍取樣器結構

該裝置取樣操作流程如下：在鉆孔施工前，倒置取芯管并預先在取芯管中注滿清水；從冷凍取樣裝置頂部將液氮注入具有真空保溫結構的冷源保溫腔內；正常鉆進取樣，樣品進入取芯管后會頂開取芯管末端的閥門并與取芯管中的預存水混合；當樣品填滿取芯管后，會頂開冷源保溫腔與取芯管之間的控制閥，控制閥打開后，在重力作用下，冷源保溫腔中的液氮會流入取芯管對樣品進行降溫，達到冷卻樣品的目的，待煤樣冷凍結束后將其取出即可開展后續(xù)實驗室分析工作。

低溫冷凍取樣技術在很大程度上解決了煤層取樣溫度對瓦斯逸散的影響，但也存在一定挑戰(zhàn)。一方面，該技術工藝復雜、操作流程繁瑣，受取樣點時間和空間的限制較大，并且添加的冷凍劑有限，尤其當煤礦地質條件較為復雜時，遠距離取樣大概需要2.5 h[20]；另一方面，低溫環(huán)境最大限度地抑制了煤芯中瓦斯的漏失，將誤差減小到合理可控的范圍，但為了使推算的煤層瓦斯含量值更加準確，需對取樣過程中煤芯的溫度變化情況進行實時監(jiān)測。除此之外，取樣設備成本相對較高。

4 取樣技術展望

隨著基礎理論研究不斷深入，取樣技術工藝水平不斷提高，信息化控制不斷加強，可視化取樣、實時控溫、保壓取樣等減少取樣過程煤樣瓦斯損失量計算誤差的技術體系會日趨完善。因此，進一步深入研究鉆屑瓦斯解吸機理、多場耦合綜合作用下煤體吸附解吸機理等理論，進一步提高取樣工藝的普適性、加強取樣裝備智能化發(fā)展成為取樣技術的發(fā)展方向。

在瓦斯含量數(shù)據(jù)獲取過程中，嘗試通過掘進工作面瓦斯涌出量反演工作面前方瓦斯含量，根據(jù)掘進巷道瓦斯涌出量q和煤層瓦斯含量W0的關系，反算出相應位置的瓦斯含量。其計算公式如下：

(1)

式中：W0為煤層瓦斯含量，m3/t；q為掘進巷道瓦斯涌出量，m3/min；S為巷道斷面積，m2；v為巷道平均掘進速度，m/min；γ為煤的密度，t/m3；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t；D為巷道斷面內暴露煤壁面的周邊長度，m(對于薄及中厚煤層，D=2m，其中m為開采層厚度；對于厚煤層，D=2h+b，其中h及b分別為巷道的高度和寬度)；L為巷道長度，m；Vdaf為煤的揮發(fā)分，%。

這種非接觸式的反演技術可逐步應用在鉆孔內連續(xù)監(jiān)測鉆孔定點位置的瓦斯含量計算。

近幾年，隨鉆孔內原位測定技術的嘗試和攻關也是解決取樣過程瓦斯逸散損失的有效方案。隨鉆孔內原位測定技術是在鉆孔鉆進到預定位置后，直接在鉆孔內進行原位瓦斯含量測定，即實時取樣實時測定瓦斯解吸量，避免煤樣從鉆孔底部運送到孔口的過程中瓦斯的逸散。石油行業(yè)內核磁共振測井技術已應用多年，可隨鉆孔內原位測定輕油、重油、吸附水、自由水、煤層吸附氣和自由氣等含量，而這種技術在煤礦井下煤層瓦斯含量測量方面的研究和應用很少。煤礦井下日常鉆進工程中，若能實現(xiàn)隨鉆測量煤體原位瓦斯含量，不僅對礦井瓦斯賦存規(guī)律、抽采效果實時監(jiān)測工作有極大的幫助，也是解決礦井智能化開采環(huán)境成像問題的一個重要突破。同時隨鉆孔內原位測定技術的解決方式并未給日常鉆孔施工帶來過多額外工作進而影響工作效率。

5 結語

1)傳統(tǒng)取芯法由于取樣工序復雜、取樣時間較長已被逐步淘汰。

2)深孔定點取樣技術，克服了傳統(tǒng)取芯工藝的不足，解決了取樣時間、取樣粒度、煤樣的原位采取等問題，調整該技術相關參數(shù)能適應不同條件煤層。

3)為滿足長鉆孔區(qū)域瓦斯治理效果檢驗的需求，發(fā)展了長距離密閉取芯技術，應用定向長鉆孔和密閉取芯技術，滿足了長距離瓦斯超前精準探測和區(qū)域瓦斯抽采效果評價的要求。

4)低溫冷凍取樣技術，解決了取樣過程中鉆頭與煤樣摩擦升溫導致瓦斯逸散的問題。

5)多場耦合綜合作用下煤體吸附解吸機理、提高取樣工藝的普適性、加強取樣裝備智能化、隨鉆孔內原位測定技術等理論與技術是煤層瓦斯含量直接測定取樣技術的研究發(fā)展方向。