千米鉆機小型化長距離密閉取芯技術的研究與應用

張俊杰

（晉能控股集團寺河煤礦，山西 晉城 048206）

引言

千米鉆機小型化長距離密閉取芯技術一直是單孔多次定點取樣的重點研究領域，也是煤礦開采實踐中的重要現實問題。晉能控股集團寺河礦已推廣定向長鉆孔區域瓦斯抽采技術，并采用瓦斯含量指標評價區域瓦斯抽采效果。但常規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域瓦斯抽采效果評價的需要。因此研究將密閉取芯裝置與千米鉆機相結合，探索千米鉆機小型化長距離密閉取芯技術具有重要的實踐價值和現實意義。

目前，寺河礦瓦斯含量測定采用巖芯管取樣法，限于該方法取樣深度較淺的原因，礦井采用漸進式循環、短鉆孔取芯方法進行瓦斯含量測定評價，條帶抽采達標評價范圍為100 m左右。

千米鉆機小型化長距離密閉取芯技術的研究內容包括：首先充分利用定向孔鉆孔軌跡實時測控和長距離鉆進優點及保壓密閉取樣裝置耐壓密封特性，這樣既能提高井下近水平煤樣的采取深度，又可精確控制采樣精度，實現單孔多次定點取樣[1-2]。其次，根據井下長距離定點煤層密閉取芯技術要求，開展了小型化、輕量化煤層密閉取芯裝置和配套密閉取芯鉆頭設計，加工了Φ89 mm直徑的煤層密閉取芯裝置，并依據現場試驗情況進行了調整完善。最后，在此基礎上，建立了與長距離密閉取芯工藝對應的瓦斯損失量計算模型，得到其瓦斯損失量的論證計算方法，保證了損失瓦斯含量推算的準確度。

1 施工設備

該區域使用西安6500鉆機，105 mm反向切割鉆頭、馬達、DGS、銅鉆桿，配套70 mm螺旋槽鉆桿施工。取芯設備：外徑89 mm的小取芯筒配套98 mm取芯鉆頭、K6鉆桿、外徑100 mm的大取芯筒配套113 mm取芯鉆頭、120 mm擴孔鉆頭、K6鉆桿；各組合設備明細見表1，取芯實物見圖1。

表1 組合設備明細

圖1 取芯設備實物圖

2 施工情況

2.1 施工作業流程

千米鉆機小型化長距離密閉取芯設備的施工作業流程具體如下（見圖2）：

圖2 施工作業流程圖

1）取芯鉆孔施工按照抽放鉆孔施工工藝進行；

2）千米鉆孔施工至取芯位置前1 m時，在孔底位置旋轉及慢推拉沖孔1 h以上，確保返水無煤渣，孔內暢通；

3）退桿更換K6鉆桿、專用取芯器；

4）取芯前沖孔時水泵壓力嚴禁超過4 MPa（孔內正常水壓為1～2.5 MPa）；

5）取芯器到達孔底后，使用靜壓水（水流量控制在150 L/min以下）旋轉鉆進1.5～2 m（不開泵），控制好給進速度和壓力（勻速鉆進），防止損壞取芯器鉆頭（嚴禁不返水強行鉆進）；

6）K6鉆桿內投入橡膠球，送水送入孔底，開啟水泵，在3～5 s后水壓上升（200 m取芯時水壓約為4 MPa，300 m取芯時水壓約為6 MPa），約1～3 min后取芯器球閥關閉水壓下降（200 m取芯時水壓約3 MPa，300 m取芯時水壓約5 MPa）。取上行鉆孔煤芯時，投球后鉆桿可適當退0.2 m，減少取芯器球閥關閉阻力；

7）連續打壓3～5次，水壓平穩2～3 min后，退出取芯器；

8）更換鉆桿，繼續鉆進至下一取芯點，執行取芯流程；

9）直至取芯完成。

2.2 施工情況

2.2.1 東五北翼措施二巷取芯鉆孔（見表2）

表2 措施二巷各取芯點使用小取芯器取芯明細

使用105 mm鉆頭施工到取芯點位置后，使用89 mm取芯器配套98 mm取芯鉆頭進行取芯。

2.2.2 東五北翼措施一巷取芯鉆孔（見表3）

表3 措施一巷各取芯點使用大取芯器取芯明細

使用105 mm鉆頭施工到取芯點位置后，使用120 mm鉆頭進行擴孔，隨后使用100 mm取芯器配套113取芯鉆頭進行取芯。

2.2.3 東五北翼措施一巷橫川取芯鉆孔（見表4）

表4 措施一巷各取芯點使用小取芯器取芯明細

備注：使用105 mm鉆頭施工到取芯點位置后，使用89 mm取芯器配套98 mm取芯鉆頭進行取芯。

2.3 研究應用效果

本研究實現了密閉取芯裝置與定向鉆機的結合，充分利用了定向孔鉆孔軌跡實時測控和長距離鉆進優點及保壓密閉取樣裝置耐壓密封特性，既提高了井下近水平煤樣的采取深度，又精確了控制采樣精度，實現了單孔多次定點取樣。并根據井下長距離定點煤層密閉取芯技術要求，研制了適合于煤礦井下煤層長距離瓦斯含量測定的“三筒單動、球閥密閉”密閉取心裝置，密封氣體壓力達到11.5 MPa，煤心直徑達到38 mm，滿足井下長距離煤層瓦斯含量測定要求。該套裝置體積小、重量輕，外筒外徑僅為Φ89 mm，密閉取芯鉆頭最大外徑Φ98 mm，適用于孔徑Φ98 mm以上的煤礦井下定向長鉆孔中定點長距離密閉取芯精確測定瓦斯含量[3-4]。

本研究應用使得煤礦井下長距離定點密閉取芯瓦斯含量測定技術將瓦斯含量測定范圍增加到450m以上，并且開展了長距離密閉取芯與常規取芯（取芯管）瓦斯含量測定對比試驗，確保了長距離定點密閉取芯瓦斯含量測定結果的可靠性[5]。同時，該技術可實現深孔定點取樣，取樣后可實現孔內密閉，減免了取芯裝置從鉆孔退出過程中瓦斯的損失量，可提高煤層瓦斯含量測定的范圍及準確性。

研究形成了適合寺河礦的長距離密閉取芯瓦斯含量測定體系技術，可將瓦斯含量測定深度和精度顯著提高，有效推動了鉆孔取樣技術的進步，進一步豐富了現有的瓦斯含量測定技術，與定向長鉆孔技術相匹配，顯著減少了抽采達標評價過程量，加快了順道巷道掘進速度，降低了瓦斯治理成本。項目成果可在晉能控股集團及其他礦區等類似瓦斯地質條件、類似長鉆孔瓦斯治理條件的礦井進行推廣應用，為瓦斯含量測定取樣提供一條新的途徑和技術，具有巨大的市場前景和推廣價值。

3 問題及建議

3.1 注意事項

本研究技術及實踐應用發現，在實際操作中需要注意一些細節：

1）取芯器閉合后不泄壓，多次送水憋壓后，容易將鉆機水泵憋壞，在橫川366 m處憋壓時，水便管憋爛；396 m處取芯時，水泵螺絲斷；486 m處取芯時，水泵壓力上不去，只能打壓至6 MPa（前期8～10 MPa）。

2）取芯器球閥不結實，在遇到夾矸時，容易將球閥剪裂。

3）二巷取芯396 m送桿過程中鉆孔未及時沖孔進行取芯，致使取芯鉆頭損壞。

3.2 建議

本研究實現了千米鉆機小型化長距離密閉取芯技術的研發與應用，但在實踐過程中為保障施工質量和安全，將注意事項總結如下：

1）在施工取芯孔時，安排有經驗的人員施工，提高取芯質量；

2）現場取芯過程中，必須有隊組專人、廠家、防突人員現場監護。

3）建議廠家繼續改善小取芯器，保證取芯器閉合后可以正常泄壓（目前憋壓時對鉆機水泵損壞比較嚴重，不利于長期使用）。

4）建議取芯鉆頭上加反齒，有利于退桿質量。

5）取芯過程中工作人員各司其職，機長負責監護孔內壓力及返水返渣情況，技術人員在取芯時進行現場指導（不返水嚴禁任何鉆進）。