煤層瓦斯含量測定深孔快速取樣技術研究

嚴明慶

1中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 重慶 400037

煤 層的瓦斯含量是瓦斯安全治理和煤層氣開發利用的關鍵基礎性參數[1]。準確、快速地測量瓦斯含量，對瓦斯治理、瓦斯氣體開發利用都有著十分重要的現實意義。采用傳統的鉆孔取樣，取樣時間較長，勢必造成瓦斯一定程度的解析遺失，從而導致無法準確測量煤層瓦斯含量。

由于傳統的瓦斯含量測定取樣裝置存在取樣深度不能滿足全覆蓋、取樣測定時間長等缺點，從而導致瓦斯含量測定不夠準確，難以滿足煤礦安全生產的需求。

反循環鉆探技術的研究始于 20 世紀 40 年代[2]。隨著學者研究的深入，該技術已經取得了重大突破[3]。澳大利亞學者與袁亮院士等人成功地將反循環取樣技術應用于顧橋等煤礦的煤層取樣，深度為 65 m，但未能實現更大孔深的定點取樣[4]；康建寧等人提出的雙臂反循環取樣技術成功在淮南礦區、貴州水城礦區等區域進行了成功應用，取樣深度達到了 120 m[5]。

雖然雙臂反循環取樣技術在煤礦上的技術應用取得了重大突破[6-8]，但是該取樣裝置的鉆孔為開放狀態，由于未封堵孔口，因此形成穩定的反循環狀態所需的時間較長。筆者針對此情況進行了深孔快速取樣技術的研究。

1 深孔快速取樣技術

1.1 快速取樣裝置

快速取樣裝置如圖 1 所示，主要由取樣鉆頭、雙壁鉆桿、取樣鳳尾、閥門 1、閥門 2 和閥門 3 等部件組成。鉆桿正常鉆進時，有壓風流經雙壁鉆桿內管通道和環形通道流入，并將鉆頭底部切削的煤渣屑經鉆桿通道和孔壁間隙輸送至孔外；取樣狀態時，有壓風流經雙通道取樣鳳尾的側面進風通道流入雙壁鉆桿的環形通道，到達鉆頭頭部后分成兩路，一路經噴射器返回，形成負壓導流作用，另一路經取樣孔將煤渣屑攜帶進入雙壁鉆桿內部通道中。

圖1 快速取樣裝置Fig.1 Deep-hole sampling device

1.2 取樣鉆頭

取樣鉆頭主要由環形多噴嘴引射器和外部基體 2部分構成，如圖 2 所示。引射器在結構上嵌入到鉆頭基體上，與鉆頭外殼采用環套形式相結合，兩者之間構成一個環形內部空間。有壓風流通過內部環形空間進入鉆桿，風流的一部分經過引射器形成負壓，另一部分高速流經外噴孔，從而對鉆孔進行沖洗，同時將鉆頭冷卻。

圖2 取樣鉆頭結構示意Fig.2 Structural sketch of sampling bit

引射器是快速取樣裝置的核心部件，其作用是形成孔底的引射負壓，引射器具有多個環形噴嘴，其結構如圖 3 所示。

正常鉆進時，閥門 1 和閥門 2 開啟，閥門 3 關閉，鉆桿的環形空間和中心通管同時進風，鉆屑通過環隙排出；而在取樣鉆進時，閥門 1 和閥門 3 開啟，閥門 2 關閉，有壓風流通過鉆桿內部的環形空間進入鉆桿引射器，此時大部分鉆屑通過鉆桿中心通管輸出，小部分鉆屑從鉆孔壁與鉆桿間的環隙空間輸出，從而在完成取樣的同時，又實現了對鉆孔正常沖洗和排渣的功能。

1.3 鉆頭設計

鉆頭基體在結構上能夠滿足正常的鉆進，在其內部嵌入了環形多噴嘴引射器，且引射入口設置于鉆頭的正前方，方便煤渣鉆屑順利吸入引射器，進而進入鉆桿輸送至取樣口。因此，鉆頭基體是切割煤體、連接鉆桿和取樣輸送的關鍵部件。

在煤質較硬的松軟煤層中，采用肋骨螺旋雙壁取樣鉆桿有較好的煤渣輸送效果，但是當煤質較軟或鉆孔變形時，由于鉆孔內壁與肋骨葉片之間的刮擦作用，較易誘發鉆孔垮塌。相比較而言，三棱雙壁鉆桿可以較好地解決鉆桿對鉆孔的刮擦擾動問題，在松軟煤層鉆進過程中具有很好的煤渣輸送效果，而且其螺旋槽能夠有效地避免鉆桿卡滯、埋鉆等現象。

2 數值模擬

以輸送速度、輸送空氣量為基礎參數進行理論計算，結合數值模擬，分析計算了不同外徑的鉆桿內外空間過流面積的輸送能力，確定了鉆桿的技術參數，分別設計了φ50、φ63、φ73 mm 3 種直徑的取樣鉆桿。

2.1 多噴嘴引射器

利用 Design modeler 建立不同安裝角度的多噴嘴引射器的計算模型。對直徑 2 mm 單噴嘴引射器不同的噴嘴安裝角β(10°、15°、20°、25°、30°) 的風流流場進行數值模擬，計算結果如圖 4 所示。

根據模擬計算結果：在相同的流量和噴嘴直徑的條件下，噴嘴角度為 15°時，孔底引射器的流量比和壓強比最大，引射器效率最高。流量比、壓強比、引射器效率的計算結果如表 1 所列。

表1 噴嘴不同安裝角度的模擬數據匯總Tab.1 Summarization of simulation data at various installation angle of nozzle

采用相同的模擬計算方法，建立不同引射器噴嘴參數 (數量、直徑和安裝角度) 和不同引射器喉部參數(直徑、長度) 的物理模型。采用正交法研究不同組合條件下六噴嘴引射器的性能參數，獲得了六噴嘴引射器的設計參數，多級引射器中心壓強的變化規律如圖5 所示。

由圖 5 可知，單級六噴嘴引射器的最大極限負壓值為 -3 600 Pa，雙級六噴嘴引射器串聯的最大極限負壓值為 -7 913 Pa，六噴嘴與八噴嘴引射器串聯的最大極限負壓值為 -11 164 Pa。由此可見，六噴嘴與八噴嘴引射器串聯的負壓絕對值最大。

圖5 多級引射器中心壓強的變化規律Fig.5 Variation laws of pressure at center of multi-stage jet

2.2 出風口風流模擬

利用 Fluent 計算軟件，對多種傾角、前中后部噴嘴的出風口風流流場進行了模擬計算。出風口風流流場簡化模型如圖 6 所示。

圖6 出風口風流流場簡化模型Fig.6 Simplified model of air flow field at outlet

不同傾角的噴嘴對鉆頭中心風流速度的影響如圖7 所示。出風口風流流量、流速受噴嘴傾角的影響曲線如圖 8 所示。

圖7 不同傾角的噴嘴對鉆頭中心風流速度的影響Fig.7 Influence of inclination angle of nozzle on air velocity at bit center

圖8 出風口風流流量、流速受噴嘴傾角的影響曲線Fig.8 Variation curve of air flow and speed at outlet with inclination angle of nozzle

由圖 7 可知，當噴嘴安裝傾角范圍為 0°～ 15°時，對于風流攜帶鉆屑的反循環狀態十分有利；在10°時，風流的能量能夠得到更加合理的利用與分配。由圖 8 可知，理想狀態下期望通過出風口 2 輸送出更多煤渣鉆屑，即通過出風口 2 的風流流量應稍大于出風口 1 的風流流量，因此噴嘴的傾角應大于10°。綜上所述，較為合適的噴嘴安裝傾角范圍應為10°～ 15°。

噴嘴對孔底風流速度和風流流場的影響如圖 9 所示。出風口氣流參數如表 2 所列。由表 2 可以看出，在噴嘴傾角相同的條件下，前后移動噴嘴位置，對出風口風量的分配基本無影響，出風口速度能夠滿足鉆屑輸送速度；但噴嘴前移時，孔底空間渦流區域有增大趨勢，不利于孔底鉆屑進入中心管空間形成有效反循環，噴嘴后移時則不會出現此種情況。噴嘴在鉆頭體中部比前移或后移能夠更好地實現孔底鉆屑的反循環輸送。

圖9 噴嘴對孔底風流速度和風流流場的影響Fig.9 Influence of nozzle on air speed and flow field at hole bottle

3 實際應用

快速取樣裝置經過試驗測試，其最大取樣深度為125 m，取樣速度 ≥ 500 g/min，采樣樣品運移速度高達 15 m/s，取樣時間控制在 4 min 之內。在正常的鉆進過程中，2 個通道均具有進風通道功能。在取樣模式下，一個通道具有進風通道的功能，另一個通道具有輸出樣品的功能。

為了驗證快速取樣裝置的適用性，分別在重慶松藻礦區、安徽淮南礦區、河南焦作礦區、貴州水城礦區等區域典型礦山，對深孔定點快速取樣裝置進行了試驗測試，累計進行試驗鉆孔 200 余個。試驗結果表明，在煤層賦存條件較好的試驗地點，如淮南礦區的顧橋煤礦、潘一東煤礦和貴州水城大灣煤礦，最大取樣深度達到 120 m。快速定點取樣裝置操作便捷，取樣質量均超過了 1 kg，取樣時間在 4 min 之內，粒度大于 3 mm 的煤樣占 60% 以上。

對快速取樣裝置引射取樣進行了煤層瓦斯含量的測定，將其結果與同一位置采用孔口取樣方式進行對比，如圖 10 所示。由圖 10 可以看出，引射取樣所測得的瓦斯含量值普遍大于孔口取樣所測瓦斯含量值，且接近煤層瓦斯含量的真實值。

圖10 2 種取樣方式瓦斯含量測定Fig.10 Gas content determination by two kinds of sampling method

快速取樣裝置在大灣煤礦對西井 X11101 工作面進行了深孔取樣試驗。該工作面存在斷層較多、煤層傾角變化大、賦存不穩定及鉆孔易見巖等問題，這些因素極大地限制了取樣裝置的鉆孔深度。在該工作面進行了 21 次鉆孔取樣，其中 11 次鉆孔的深度小于 40 m，即出現見巖情況，未進行取樣；對另外的 10 個鉆孔進行了取樣。取樣試驗結果如表 3 所列。鉆孔的傾角為 4°～ 6°，取樣深度為 48～123 m，取樣時間為1.5～4.0 min，取樣質量為 1.4～2.2 kg，取樣粒度大于3 mm 的占比超過 65%。該取樣裝置能夠滿足礦方的實際取樣需求。

4 結語

(1) 根據數值模擬計算，當引射器環形噴嘴直徑為 2 mm 時，六噴嘴與八噴嘴環形引射器串聯產生的最大負壓達到 -11 164 Pa，能夠順利形成反循環，取樣質量和取樣時間均滿足實際取樣要求。

表3 快速取樣裝置在大灣煤礦的取樣試驗Tab.3 Sampling test with fast sampling device in Dawan Colliery

(2) 試驗結果表明，該深孔取樣裝置的取樣時間不超過 4 min，取樣深度超過 120 m，取樣質量高達 1 kg，滿足取樣規范規定的取樣粒度、時間和質量的技術要求。

(3) 取樣裝置的適應能力很強，能夠在硬煤或低應力環境下，實現可靠穩定的煤層取樣工作，取樣成功率得到大幅提高。