煤礦井下取心鉆進技術與裝備研究現狀及發展趨勢

楊冬冬，趙江鵬，王四一

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下鉆孔取心技術是獲取煤層、巖層地質信息的主要技術手段[1，2]。目前煤礦井下取心鉆進技術主要為定點取心、密閉取心、繩索取心及水力反循環取心技術。煤層與巖層中取心目的不同，煤層取心鉆進施工的主要目的是為了測定煤層瓦斯含量，瓦斯含量測定結果的準確性對煤礦井下瓦斯災害防治、煤礦的安全生產、瓦斯資源開發利用等方面有重要意義[2-5]；而巖層取心鉆進施工的主要目的是查明地層賦存條件、巖性特征、水文地質條件及地質異常體發育程度等[6，7]。

針對煤層取心，目前煤礦井下多采用常規定點取心鉆進技術鉆取煤心，但是由于取心到送檢過程中煤心暴露時間較長導致瓦斯含量測定值偏低，無法準確測定煤層瓦斯初始含量[8，9]，因此對煤礦井下取心鉆進技術與裝備提出了更高的要求，為此諸多學者開展了大量工作，袁亮等[10]研制出一種利用粘液密封取樣器來提高瓦斯含量的測定方法；陳紹杰[11]設計了一種能夠提高直接法測定煤層瓦斯含量準確性的反轉密封取樣裝置；景興鵬[12]研制了一種能夠提高煤礦瓦斯含量測定精度的直接式機械密閉取心測試裝置；龍威成[13]研制了一種高壓水驅動的密閉取心裝置，相較常規取心測值高19%～44.5%。

針對巖層取心，目前煤礦井下多采用繩索取心鉆進技術鉆取巖心，具有取心率高、勞動強度低、地層適應性強等優點[14，15]，但淺孔取心優勢不明顯，適合長鉆孔取心施工。水力反循環連續取心鉆進曾經作為繼金剛石繩索取心鉆進技術之后的又一重大創新性技術在地質資源勘查、地質構造探測等領域發揮著至關重要的作用[16，17]，與常規取心技術相比，該工藝方法可大約較少20%～30%的輔助時間，具有效率高、純鉆進時間長、鉆探成本低、巖礦心采取率高、品質好、勞動強度小等諸多優點[18，19]。

1 密閉取心鉆進技術與裝備

1.1 技術原理

常規鉆進或定向鉆進至采樣點后，退出孔內鉆具下入密閉取心裝置至采樣點開始取心施工，裝置外筒帶動頂部取心鉆頭回轉，并在鉆機給進力作用下鉆取煤樣直至填滿裝置內筒，而后在鉆孔孔口向鉆桿內投放橡膠球，連接外部壓水管路，采用泥漿泵向鉆桿內部壓水，橡膠球在水壓作用下被推送至密閉取心裝置上部的球座分水接頭，從而堵住分水接頭下部的泄流孔，裝置內部壓力不斷升高，迫使液壓推動機構剪斷銷釘繼續向前運動直至到達下部的密閉球閥上的半滑環，從而帶動密閉球閥旋轉剪斷煤心并密閉裝置內筒，將整套密閉取心裝置提出孔外，取出裝置內筒并連接瓦斯解析裝置進行現場解析測試。此外，考慮取樣煤體堅硬程度、煤心直徑的不同，調整剪切銷釘類型、尺寸和數量來改變整體的剪切強度，提高泥漿泵注水壓力，間接改變密閉球閥切割力。

1.2 配套裝備

煤層密閉取心施工配套裝備具體包括鉆機、常規鉆桿、密閉取心裝置、橡膠球、瓦斯解析儀等。其中煤層密閉取心瓦斯含量測試技術的核心在于密閉取心裝置的應用，密閉取心裝置主要由鉆桿接頭、懸掛總成、液壓推動機構、球座分水接頭、外筒、液壓推動筒、內筒、半滑環、球閥、取心鉆頭[13]等構件組成，如圖1所示。

1.3 技術難點

針對煤礦井下密閉取心施工的技術難點主要包括以下幾個方面：

1)煤礦井下煤層硬度變化較大，當取樣煤層硬度較大時，需要更大的驅動力驅動球閥轉動，球閥剪切煤心難度較大。根據相關試驗實測，煤層硬度系數在1.5以下，進行密閉取心施工難度系數較低，而硬度系數在1.5以上時需要調整銷釘的材料、規格及數量來獲取更大的驅動壓力，同時需要配備滿足相應壓力要求的泥漿泵。

2)密閉取心器密閉性檢查。獲得準確的瓦斯含量測值的關鍵就是要對密閉取心內筒的煤心進行保壓，由于密閉取心器通過球閥同時進行煤心的剪切及內筒的密封，仍有一定的概率發生密閉失效，所以退出取心器后需要檢查取心器密閉性，密閉性正常可以進行下一工序，如果密閉失效需要對球閥部位進行檢查、清理后再次進行取心施工。

3)針對大仰角、長距離取心鉆孔，尤其在定向鉆孔軌跡不平順時，橡膠球的輸送難度較大，橡膠球一定概率不能到達密閉取心器下部球座分水接頭，不能對泄流孔進行有效封堵，導致鉆具內部無法實現憋壓，液壓推動筒無法剪斷銷釘，無法進行密閉取心施工。

1.4 應用情況

1)在彬長礦業胡家河煤礦采用機械式密閉取心器對4#煤層進行近水平孔取心測試，共施工一個密閉取心試驗鉆孔，該鉆孔包括3個普通取心測點及一個密閉取心測點，其中3個普通測點的平均瓦斯含量為3.58cm3/g，密閉取心測點瓦斯含量為4.32cm3/g，提高了20%左右，取心率接近80%，取心及密閉效果均較好。

2)在山西寺河煤礦采用密閉取心鉆具進行密閉取心功能性試驗，采用定向鉆進裝備由煤層底抽巷向待測煤層施工近水平定向鉆孔，定向鉆孔深度每增加100m，密閉取心采樣一次，本次試驗密閉采樣點為4個，并在鉆進至取樣點之前收集相應位置的煤屑進行對比試驗，因此一共有樣品8個，采用常規取心方法測得瓦斯含量平均值為6.65cm3/g，密閉取心方法測得瓦斯含量平均值為8.25cm3/g，含量提高了24%。

但是，一條精子所含的酶量是遠遠不夠的，只有在許多精子的共同努力下，才能殺出一條血路，讓幸運的那個英雄攻破卵細胞最后的壁壘。

3)在山西成莊礦某采動影響區選取試驗點，再次對密閉取心鉆具進行功能性試驗，本次試驗采用常規取心方法及密閉取心方法各施工一個傾角為21°的上仰試驗鉆孔，分別采集樣品6個，采用常規取心方法測得瓦斯含量平均值為6.11cm3/g，密閉取心測試方法測得瓦斯含量平均值為7.44cm3/g，含量提高了22%。

2 繩索取心鉆進技術與裝備

2.1 技術原理

下入繩索取心鉆具進行取心施工直至巖心管填滿，巖心滿管報信機構報信，巖心卡斷機構將巖心卡斷，更換通纜水接頭，沿著鉆桿內部下入打撈器開始打撈內管，到位后提升內管總成，提至孔外收集巖心管內巖心，再次投放內管總成直至內管總成到位后，到位報信機構向施工人員發送信號，這時更換常規送水器繼續進行取心鉆進，鉆進過程中如發生巖心卡堵情況，堵心報信機構向施工人員發送堵塞信號停止鉆進，并及時打撈內管，防止巖心管內巖心過渡磨損。重復上述步驟可以實現不提鉆連續取心直至終孔。

2.2 配套裝備

煤礦井下試驗配套的鉆探裝備主要有全液壓坑道鉆機、泥漿泵、提升架、液壓絞車及鋼絲繩、繩索取心鉆具等，其中型繩索取心鉆具由外管總成、內管總成、打撈器、孕鑲金剛石鉆頭等組成，核心部件結構如圖2所示。

繩索取心鉆具的核心部件即為內、外管總成和打撈器[14，15]。內管總成包括打撈機構、彈卡機構、懸掛機構、到位報信機構、巖心滿管或堵塞報警機構、調解機構、緩沖機構、單動機構、容納與卡取巖心結構和扶正機構，其作用主要是單動通水、容納和提取巖心；外管總成由彈卡擋頭、彈卡室、擴孔器、外管、扶正環、鉆頭等部件組成，其作用是傳遞鉆壓和扭矩、帶動鉆頭進行鉆進；打撈器是繩索取心鉆具的必不可少的組成部分，具有打撈、送入內管和脫卡等功能，包括打撈機構、繩卡機構、送入機構和安全脫卡機構。

2.3 技術難點

煤礦井下進行繩索取心施工大多施工近水平鉆孔或小傾角鉆孔，垂直鉆孔施工較少。水平孔與垂直孔鉆進時存在明顯的差別，主要存在以下幾個方面：

1)繩索取心鉆具適合長孔取心，而煤礦井下鉆場空間狹小，一定程度上限制可繩索取心鉆具內、外管總成的長度，巖心管的長度較短會增加打撈次數，增加勞動強度，影響鉆進效率。

2)針對垂直鉆孔下放繩索取心鉆具內管總成及打撈器時依靠其自重，而近水平鉆孔需要借助外力將內管總成及打撈器下入。并且鉆進過程中需要對內管進行扶正來保證同心度，對鉆具加工精度、動力供應、鉆進工藝均提出了更高的要求。

3)施工近水平鉆孔時，由于受到鉆具自重的影響，鉆具與鉆孔孔壁之間的摩擦力較大，需要鉆機提供更大的扭矩，對鉆桿強度提出了更高要求。

4)彈卡定位機構在垂直鉆孔或者下斜鉆孔其工作穩定可靠，對于施工近水平取心鉆孔時由于彈卡自重并受加工精度的影響，彈卡定位機構失效情況頻繁發生。

2.4 應用情況

1)采用NQEU75繩索取心鉆具在新集二礦區進行功能性試驗，本次試驗共施工兩個取心鉆孔，鉆孔布置在1—10號灰巖層，旨在查清煤層底板太原組灰巖分布及富水情況。采用鉆具組合為“NQEU75繩索取心鉆具+?70.1mm直連式鉆桿”。1號試驗鉆孔實際孔深151.5m，其中取心孔段長124.8m，巖心累計取心長度92.9m，其中灰巖孔段取心率較高，可達90%以上，平均鉆進效率為2.1m/s；2號試驗鉆孔實際孔深194.5m，其中取心孔段長144.4m，該孔灰巖孔段接近全孔取心，平均鉆進效率為3.6m/s，取心效果較好。

2)采用JS75型繩索取心鉆具在黃陵二號煤礦進行功能性試驗，主要是為了掌握2#煤下覆地層巖性及油型氣賦存情況，現場施工完成孔徑為?75mm取心鉆孔一個，鉆孔傾角為-48°，深孔67.15m，所取巖心長度65.4m，巖心采取率可達97%，鉆進效率最大為1.83m/h，平均鉆進效率0.85m/h，相較常規取心方法取心效率大幅度提高。

3 水力反循環取心鉆進技術與裝備

3.1 技術原理

近水平鉆孔水力反循環連續取心鉆進技術原理如圖3所示。在近水平鉆孔內，泥漿泵將沖洗液首先壓送至雙壁送水器，雙壁送水器與雙壁鉆桿內環空相連通，使得沖洗液沿著雙壁鉆桿內環空進入取心鉆頭并從鉆頭水眼噴出，大部分沖洗液攜帶巖心及破碎的巖屑沿著鉆具中心通道上返至孔外巖心箱，少量沖洗液進入鉆孔環空正循環通道攜帶環空沉渣上返，施工過程中巖心持續卡斷并上返從而實現不提鉆連續取心。現場試驗利用鉆機提供孔內鉆具給進力及回轉力，利用泥漿泵提供巖心上返動力，同時起到鉆頭冷卻及攜粉排渣的作用。

圖3 水力反循環連續取心原理圖

3.2 配套裝備

煤礦井下試驗配套的鉆探裝備主要有全液壓鉆機、泥漿泵、雙壁鉆桿、反循環取心鉆頭、雙壁送水器、孔口密封器、鉆孔成像儀、水箱、外部管匯等，其中水力反循環取心鉆具組合為雙壁送水器、雙壁鉆桿與反循環取心鉆頭。

3.2.1 雙壁鉆桿

雙壁鉆桿為沖洗液的輸送、煤巖心、煤巖屑的返回提供通道，是順利實施水力反循環連續取心鉆進的關鍵鉆具之一。本次試驗研制了?89/42mm雙壁鉆桿，如圖4所示，它總體結構由外管與內管兩部分組成。內管由內管公接頭、內管桿體、內管母接頭等依次螺紋連接組成；外管由外管母接頭、外管桿體、外管公接頭等依次摩擦焊接而成；內管與外管由焊接在內管母接頭和內管公接頭上的支撐定位塊連接。外管外徑為?89mm，內管內徑為?42mm。

圖4 ?89/42 mm雙壁鉆桿(mm)

3.2.2 反循環取心鉆頭

反循環取心鉆頭與正循環鉆頭的區別在于結構、功能及介質流向的不同。反循環取心鉆頭內部設有內管，沖洗液從取心鉆頭水眼噴出后，大部分液流分流至鉆頭中心部分攜帶煤巖心、煤巖屑上返。同時，為了將沖洗液大部分分流至雙壁鉆桿的內部，在反循環取心鉆頭內管上設有上斜分水孔。本試驗選用了?98/38mm、?113/38mm四翼反循環取心鉆頭及?98/38mm、?105/38mm三翼反循環取心鉆頭，其取心直徑均為38mm，卡斷器復合片距離鉆頭頂端80mm。四翼反循環取心鉆頭、三翼反循環取心鉆頭如圖5所示。

圖5 反循環取心鉆頭

3.2.3 雙壁送水器

雙壁送水器是將沖洗液導入至雙壁鉆桿內外管環隙，煤巖心、煤巖屑自雙壁鉆桿內管中心通道導出的專用工具，是成功實施水力反循環連續取心的關鍵鉆具之一，主要由返心口、后端蓋、注水口、外殼、前端蓋、軸心及內管組成，工作狀態下內管與心軸可以同步回轉，其他部件不轉動。

3.3 技術難點

水力反循環取心技術的難點主要是解決巖心卡堵問題。根據堵塞原因的不同主要分為4類：滯留堵塞、失穩堵塞、斷流堵塞、直接卡塞。根據煤礦井下試驗，通過提鉆檢查卡堵位置、卡堵巖心的規格尺寸，分析發現，煤礦井下近水平鉆孔主要的卡堵形式是滯留卡堵與失穩卡堵。

1)當煤層頂底板地層較破碎或者鉆遇斷層時，鉆至該處的巖心會比較破碎，巖心多層片狀、不規則碎塊狀、短柱狀，導致巖心在上返過程中與巖屑具有不同的運移速度，使得某一瞬間巖屑進入巖心與內管的環狀間隙中使得巖心制動，從而發生滯留卡堵；

2)局部地層破碎、層理發育且鉆孔方向與層理方向接近垂直、鉆具振動較嚴重導致巖心斷裂長度較短時，這類巖心會在內管運移過程中發生翻轉而發生失穩卡堵。

3.4 應用情況

采用上述鉆具首次在寺河煤礦進行井下工業性試驗，寺河礦地處山西省晉城市沁水煤田東南邊緣，寺河礦分東、西兩個井區，均屬煤與瓦斯突出礦井[16]，寺河礦總共含煤11層，煤層總厚在13.87 m左右，其中主采3#煤層，平均厚度在6 m左右。煤礦區地質構造復雜，煤層及上覆巖層斷層發育，局部存在巖溶陷落柱及諸多導水構造，其中制約3#煤層帶壓開采安全生產的主要因素就是斷層及陷落柱等地質構造。本次試驗選址在寺河礦西區W33013巷13#橫川，本次試驗共施工了7個反循環取心試驗鉆孔均通過預知斷層，分別是1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#反循環試驗鉆孔，其主要目的是為了探查水力反循環取心鉆具在地質異常體等破碎復雜地層中應用的取心效果。該7個反循環試驗鉆孔設計的方位、傾角、開孔高度、孔深見表1。

表1 1#—7#試驗鉆孔設計參數

本次試驗累計進尺1033.5m，取心孔段長616.5m，取心累計長度486.01m，其中巖心長度280.43m，煤心長度205.58m，巖心取心率72.7%，煤心取心率89%，綜合取心率為78.83%，單孔最高取心率為90.68%，最大回次進尺97.5m，巖層中取心平均鉆進效率7.5～9m/h，煤層中取心平均鉆進效率較高，可達9～18m/h。經不完全統計，巖心長度超過50mm的巖心數量超過80%，大部分巖心長度在85mm左右，巖心直徑在37.5～39.5mm左右，巖心完整度較高，反循環取心效果較好，達到了預期效果。完整煤心較少，大部分呈塊狀、片狀、屑狀煤心，其中塊狀煤心長度在20～30mm左右，部分煤心長度可達85mm左右，煤心直徑在36.5～38.5mm左右，其煤心長度主要取決于煤層的破碎程度，7個反循環試驗鉆孔煤、巖心實物圖如圖6所示。

圖6 水力反循環取心煤、巖心實物

4 研究前景及發展趨勢

煤礦井下取心鉆進技術及裝備經過多年的研究和發展，在瓦斯含量測定、地質構造探查、水害防治等多個領域應用效果較好，有效的保障煤礦安全生產。取心鉆探作為獲取地質信息最直觀準確的方法之一，在煤田地質勘探領域發揮著舉足輕重的作用，隨著各企業著重推動“透明礦井、智慧礦山”的建設[20]，對煤礦井下取心技術及裝備提出了更高的要求，主要體現如下幾個方面：

1)目前煤層取心鉆具無定向功能，需要采用“定向鉆具+保壓取心鉆具”交替使用對特定位置的煤層進行取樣，工序復雜，耗時較多，因此開發具有定向功能的保壓取心鉆具將是今后研究的重點；

2)巖心管內的煤心需要在孔外進行瓦斯解析測量，可以將瓦斯解析儀集成到取心鉆具上部，通過纜線將瓦斯數據實時傳輸到孔口計算機。并且輔助配合開閉式取心鉆頭，可以實現一趟鉆對多個采樣點進行瓦斯測量，減少了諸多工序；

3)查明地質構造及煤層頂底板富水情況需要進行全孔取心，目前繩索取心鉆具及水力反循環取心鉆具雖然具有明顯的優勢但是也存在一定的問題。針對煤礦井下繩索取心鉆具，需要優化結構，提高近水平鉆孔取心的適應能力；針對水力反循環取心鉆具，需要優化鉆頭結構、雙壁鉆桿之間的連接結構，最主要是需要開發一套成功率高的巖心解卡工藝方法，提高回次進尺。

5 結論及建議

1)為了滿足煤礦安全高效生產的需要，經過多年的探索和研究，煤礦井下取心鉆進技術及裝備在不斷的發展和完善，研究出適應煤礦井下工況的新型取心技術，取得了較好的應用效果，但是依然存在諸多技術難點有待攻克。

2)目前密閉取心技術、繩索取心技術及水力反循環取芯技術作為煤礦井下地質信息獲取的重要技術手段，得到廣泛的應用，并且都取得了較好的應用效果，但現場要根據實際需求、地層情況、鉆孔設計等方面來選擇合適的取心鉆具及工藝技術。

3)本文通過對煤礦井下現有取心技術及裝備的技術原理、技術難點、應用情況進行歸納分析，指出了取心技術與裝備未來的發展方向。新時期內，為提升坑道取心鉆探施工的技術及裝備水平，降低鉆探施工風險、減輕礦工勞動強度，逐步推動煤礦井下取心鉆探技術與裝備向高精尖邁進。