煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置研制

郭明功， 張鵬偉， 于紅

（1. 平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467000；2. 鄭州慧礦智能科技有限公司，河南 鄭州 450016；3. 永城煤電控股集團(tuán)有限公司，河南 永城 476600）

0 引言

煤層瓦斯含量是衡量煤層瓦斯賦存情況的重要指標(biāo)，是指導(dǎo)煤礦瓦斯抽采設(shè)計(jì)、瓦斯治理效果評(píng)判的重要參考依據(jù)[1-4]。隨著瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展，尤其是定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)煤層瓦斯含量測(cè)定采用敞口式巖心管取樣，在應(yīng)用過(guò)程中存在煤樣暴露時(shí)間長(zhǎng)、煤樣易被污染、瓦斯損失量難以計(jì)量導(dǎo)致測(cè)量誤差較大等問(wèn)題。因此，研制適合定向長(zhǎng)鉆孔取樣的深孔密閉保壓取樣裝置，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定深孔煤層瓦斯含量意義重大[5-7]。

貴宏偉等[8]研制了超深鉆孔取樣裝置，配合定向鉆孔施工最大取樣深度達(dá)595 m，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)區(qū)段區(qū)域防突措施效果一次性整體評(píng)價(jià)。高明忠等[9]基于牟合方蓋幾何原理，提出了保壓保瓦斯取樣工具構(gòu)想，研制了深部煤礦原位保壓保瓦斯取樣原理樣機(jī)，形成了原位保壓保瓦斯取樣作業(yè)工藝。景興鵬[10]研制了直接機(jī)械密閉取樣的瓦斯含量測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)取樣密閉，解決了煤心暴露時(shí)間長(zhǎng)、瓦斯逸散量大的問(wèn)題。龍威成[11]研制的取樣裝置采用取樣和解吸一體化設(shè)計(jì)，使煤樣在退鉆、自然解吸全程密閉，最大限度減少煤心瓦斯逸散量，取樣深度達(dá)400 m。龍威成等[12]研制的干式密閉取樣系統(tǒng)以壓風(fēng)代替壓水用于鉆孔排渣、取心鉆頭冷卻和封堵球輸送，以風(fēng)和水2種介質(zhì)組合打壓驅(qū)動(dòng)密閉取樣裝置關(guān)閉，為碎軟煤層井下長(zhǎng)距離測(cè)定瓦斯含量提供了一種新途徑。孫四清等[13]設(shè)計(jì)并試制了適用于地面井煤層氣含量測(cè)定的“三筒單動(dòng)、球閥關(guān)閉、取心筒與解吸罐一體化”的密閉取心器和“前端小徑鉆心、后端大徑鉆井”的碎軟煤層雙徑PDC密閉取心鉆頭，最大取樣深度超過(guò)700 m，提高了煤層氣瓦斯含量的測(cè)試精度。溫志輝等[14]通過(guò)開(kāi)展不同吸附平衡壓力、解吸負(fù)壓及解吸時(shí)間的顆粒煤在負(fù)壓和負(fù)壓轉(zhuǎn)常壓狀態(tài)下的瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，得出基于負(fù)壓取樣瓦斯損失量推算方法所得的推算值與實(shí)際損失量值最大誤差為4.83%。

目前，煤礦井下密閉保壓取樣可以保證取到煤樣后將煤樣密閉在煤樣筒內(nèi)，但普遍存在尺寸大需要二次擴(kuò)孔、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、取樣時(shí)不能準(zhǔn)確動(dòng)作導(dǎo)致取樣成功率低、難以大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用等問(wèn)題[15-18]，且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)將取樣裝置送入孔底的過(guò)程中煤樣筒不能保持持續(xù)封閉，易進(jìn)入孔壁掉落的渣塊，導(dǎo)致煤樣被污染、有效煤樣少、測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確[19-22]。鑒此，筆者研發(fā)了一種煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)煤樣筒取樣前密閉、取樣時(shí)開(kāi)啟、取樣后再次密閉的動(dòng)作，從根本上解決深孔煤層瓦斯含量測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

1 裝置研制

1.1 裝置設(shè)計(jì)原則

1） 取樣過(guò)程能夠滿(mǎn)足密閉、保壓的基本要求，確保所取煤樣為未被污染的孔底設(shè)計(jì)點(diǎn)位的煤樣。

2） 不額外增加現(xiàn)場(chǎng)配套工程。現(xiàn)有定向鉆機(jī)施工的取樣孔一次成孔孔徑一般不超過(guò)?120 mm，取樣裝置尺寸應(yīng)滿(mǎn)足在無(wú)需額外擴(kuò)孔的基礎(chǔ)上能夠一次取樣成功，減輕現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度。

3） 動(dòng)作靈敏、結(jié)構(gòu)可靠。井下工作環(huán)境差，孔內(nèi)情況復(fù)雜，取樣裝置材質(zhì)及部件尺寸要能夠適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便拆卸，關(guān)鍵時(shí)候“封得住、打得開(kāi)、拔得出”。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深孔密閉保壓取樣裝置由外管組件、芯軸、存樣組件和驅(qū)動(dòng)組件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 深孔密閉保壓取樣裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of deep borehole sealed pressure maintaining sampling device

外管組件包括鉆桿接頭、外套管。芯軸和存樣組件設(shè)置在外管組件內(nèi)，芯軸和存樣組件與外套管之間設(shè)置驅(qū)動(dòng)組件。

芯軸分為第一軸段、第二軸段和第三軸段3個(gè)部分。第二軸段和第三軸段之間設(shè)置第一凸臺(tái)，鉆桿接頭的右端設(shè)置第二凸臺(tái)，使得外活塞貼合鉆桿接頭的右端時(shí)，第一流通孔位于第二軸段的開(kāi)口不會(huì)被外活塞封堵。芯軸的第一軸段和第二軸段內(nèi)部設(shè)置第一流通孔，使得鉆桿接頭中空區(qū)域和鉆桿接頭與外活塞之間的區(qū)域被第一流通孔連通。芯軸的第二軸段內(nèi)部設(shè)置第二流通孔，當(dāng)外活塞接觸到第一凸臺(tái)時(shí)，鉆桿接頭與外活塞之間的區(qū)域和內(nèi)活塞與第一凸臺(tái)之間的區(qū)域被第二流通孔連通。

存樣組件包括煤樣筒底座、煤樣筒和球閥。煤樣筒底座的兩端設(shè)有第一螺孔和第二螺孔，二者通過(guò)第一流通孔連通。第二螺孔內(nèi)設(shè)有壓緊螺釘、壓縮彈簧和封口鋼球。

驅(qū)動(dòng)組件包括外活塞、內(nèi)活塞、推進(jìn)套管、推進(jìn)齒條管和推進(jìn)齒條。第二軸段與外套管之間設(shè)置外活塞，芯軸外側(cè)套設(shè)推進(jìn)套管，推進(jìn)套管的一端頂靠外活塞；第二軸段與推進(jìn)套管之間設(shè)置內(nèi)活塞，推進(jìn)齒條管套設(shè)在存樣組件外側(cè)。推進(jìn)齒條管一端頂靠推進(jìn)套管，推進(jìn)齒條管連接推進(jìn)齒條，推進(jìn)齒條與齒輪嚙合，推進(jìn)齒條末端與齒輪嚙合時(shí)球閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.3 裝置參數(shù)

深孔密閉保壓取樣裝置關(guān)鍵部件參數(shù)見(jiàn)表1。筒體材質(zhì)為20cr13不銹鋼。

1.4 裝置工作原理

深孔密閉保壓取樣裝置通過(guò)高壓水驅(qū)動(dòng)球閥閥芯啟閉，達(dá)到封閉煤樣的目的。當(dāng)取樣裝置到達(dá)孔底前，球閥密閉。取樣裝置送到孔底后，高壓水沿芯軸的第一流通孔進(jìn)入鉆桿接頭和外活塞之間，推動(dòng)外活塞右移，進(jìn)而依次推動(dòng)推進(jìn)套管、推進(jìn)齒條管同步右移，與推進(jìn)齒條管連接的推進(jìn)齒條隨之同步右移，齒輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，球閥閥芯開(kāi)始由閉合狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為開(kāi)啟狀態(tài)。經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后，外活塞向右移動(dòng)距離s1，齒輪在推進(jìn)齒條的作用下旋轉(zhuǎn)90°，閥芯從閉合狀態(tài)完全切換到開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)外活塞受到芯軸上第一凸臺(tái)的阻擋停止移動(dòng)，球閥閥芯持續(xù)保持開(kāi)啟。關(guān)閉高壓注水泵，啟動(dòng)鉆機(jī)，鉆桿帶動(dòng)取樣裝置回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，煤樣經(jīng)鉆頭破碎后進(jìn)入煤樣筒內(nèi)。

取樣結(jié)束后暫停鉆機(jī)，繼續(xù)注入高壓水，高壓水通過(guò)第一流通孔、第二流通孔進(jìn)入內(nèi)活塞左側(cè)區(qū)域，并推動(dòng)內(nèi)活塞向右運(yùn)動(dòng)，與推進(jìn)套管的右端抵接，推進(jìn)套管隨內(nèi)活塞右移而右移，進(jìn)而推動(dòng)推進(jìn)齒條管右移，齒輪隨即帶動(dòng)球閥閥芯同步旋轉(zhuǎn)，球閥閥芯逐漸從開(kāi)啟狀態(tài)切換到閉合。經(jīng)過(guò)時(shí)間t2后，內(nèi)活塞向右推動(dòng)推進(jìn)套管、推進(jìn)齒條管和推進(jìn)齒條一起移動(dòng)距離s2，齒輪帶動(dòng)球閥閥芯旋轉(zhuǎn)90°，閥芯由開(kāi)啟狀態(tài)完全切換為閉合狀態(tài)，球閥閥芯截?cái)嗝簶?，煤樣被封閉在煤樣筒中，關(guān)閉高壓注水泵。

退出孔內(nèi)取樣裝置，將存樣組件整體卸下，此時(shí)煤樣被密封保存在煤樣筒中，將瓦斯解吸儀量筒上的頂針從第一流通孔頂入，頂開(kāi)封口鋼球，使量筒與煤樣筒連通，進(jìn)行煤樣的現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸工作。結(jié)束后拔出頂針，送實(shí)驗(yàn)室完成室內(nèi)部分的瓦斯解吸測(cè)試。

2 裝置技術(shù)特點(diǎn)

1） 裝置可實(shí)現(xiàn)煤樣筒取樣前密閉、取樣時(shí)開(kāi)啟、取樣后再次密閉的準(zhǔn)確動(dòng)作，杜絕煤樣中混入孔壁渣塊被污染，盡可能防止取樣過(guò)程中瓦斯逸散，與定向鉆機(jī)結(jié)合可滿(mǎn)足深孔定點(diǎn)密閉保壓取樣要求。

2） 裝置可實(shí)現(xiàn)將裝有保壓煤樣的煤樣筒與瓦斯解吸儀直接連接，無(wú)須換裝煤樣罐即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸，解吸后可送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯含量測(cè)試，減少瓦斯損失量，操作簡(jiǎn)單。

3） 裝置采用“兩級(jí)活塞+雙層套管+煤樣筒”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以高壓水為動(dòng)力控制煤樣筒密閉與開(kāi)啟，無(wú)須傳輸電磁信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作更可靠。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置的實(shí)際效果，對(duì)平頂山某礦二1煤層開(kāi)展了井下密閉取樣試驗(yàn)。為驗(yàn)證密閉取樣測(cè)定煤層瓦斯含量的準(zhǔn)確性，同步采用敞口式巖心管取樣的常規(guī)取樣法作為對(duì)照組，在同鉆孔同深度處采集煤樣進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定對(duì)比分析。由于試驗(yàn)鉆孔深度較大，鉆孔成孔后退鉆及下入取樣裝置過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，為減少煤樣瓦斯損失量，保證取到新鮮煤樣，在取樣裝置下入到孔底后先鉆進(jìn)2 m，剝離掉已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間暴露的煤樣后再旋轉(zhuǎn)鉆取深部新鮮煤樣。

試驗(yàn)選用ZDY5400LD型煤礦用輕型履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)，采用?73 mm螺旋槽通纜鉆桿和?98 mmPDC定向鉆頭組合鉆具，搭配BLY 260/10型礦用履帶式泥漿泵車(chē)提供穩(wěn)定高壓水源。

鉆孔施工至見(jiàn)煤后，退出孔內(nèi)鉆具，通纜鉆桿前端換裝敞口式巖心管進(jìn)行常規(guī)取樣，鉆進(jìn)一段后退出孔內(nèi)巖心管，立即取出孔內(nèi)煤樣裝入煤樣罐中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸。之后換裝研發(fā)的煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置再次順入孔底，鉆進(jìn)2 m后，打開(kāi)高壓水，外活塞開(kāi)始右移。待水壓明顯升高，此時(shí)外活塞右移距離達(dá)s1，球閥完全處于打開(kāi)狀態(tài)。關(guān)閉高壓水，鉆機(jī)推動(dòng)密閉保壓取樣裝置鉆進(jìn)1～2 m，繼續(xù)通入高壓水，推動(dòng)內(nèi)活塞右移。待水壓再次明顯升高，此時(shí)內(nèi)活塞右移距離達(dá)s2，球閥完全處于關(guān)閉狀態(tài)。關(guān)閉高壓水，退出孔內(nèi)密閉取樣器，將瓦斯解吸儀與煤樣筒連接進(jìn)行煤樣的現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸。

試驗(yàn)共采集4組煤樣進(jìn)行對(duì)比分析，密閉保壓取樣與常規(guī)取樣下煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 密閉保壓取樣與常規(guī)取樣下煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of test results of gas content in coal seamunder sealed pressure maintaining sampling and conventional sampling

從表2可看出，深孔密閉保壓取樣裝置在深度接近350 m處仍可成功取樣。密閉保壓取樣比常規(guī)取樣測(cè)得的瓦斯含量結(jié)果偏大5.4%～37%，且隨著取樣鉆孔深度增加，偏大的程度增加。這主要是由于敞口式巖心管取樣后不能密閉，瓦斯損失量難以計(jì)量，且隨著鉆孔深度的增加，常規(guī)取樣方法采集的煤樣暴露時(shí)間更長(zhǎng)，瓦斯損失量更大，而密閉保壓取樣裝置采集煤樣后將煤樣保壓密閉在煤樣筒內(nèi)，極大減少了瓦斯損失量，提高了瓦斯含量測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1） 深孔密閉保壓取樣裝置采用“兩級(jí)活塞+雙層套管”的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)井下注水壓力及注水時(shí)間的精確控制，可完成煤樣筒“取樣時(shí)由密閉到開(kāi)啟，取樣后由開(kāi)啟到密閉”的兩級(jí)動(dòng)作，滿(mǎn)足密閉保壓取樣的要求。

2） 裝置配合定向鉆機(jī)使用，可實(shí)現(xiàn)深孔定點(diǎn)取樣測(cè)量瓦斯含量，確保瓦斯含量測(cè)試的準(zhǔn)確性，為礦井工程設(shè)計(jì)與評(píng)判提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

3） 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：裝置取樣深度接近350 m；密閉保壓取樣相較于常規(guī)取樣測(cè)得的瓦斯含量偏大5.4%～37 %，且隨著取樣鉆孔深度增加，偏大的程度增加，測(cè)得的瓦斯含量結(jié)果更準(zhǔn)確。