煤層瓦斯含量直接測(cè)定取樣技術(shù)研究進(jìn)展

鄧 楠

(煤炭科學(xué)技術(shù)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(chǔ)參數(shù)[1]，是礦井采掘部署、瓦斯災(zāi)害區(qū)域劃分、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判、瓦斯開發(fā)利用的關(guān)鍵性指標(biāo)[2]。瓦斯含量的準(zhǔn)確測(cè)定能使瓦斯防治措施更具有針對(duì)性、抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)更可靠，又可避免瓦斯防治工程浪費(fèi)。1970年，Bertard C首次提出井下煤層瓦斯含量直接測(cè)定方法，并提出取樣過程中煤樣瓦斯損失量的計(jì)算公式。2009年，我國(guó)制定了GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了井下直接測(cè)定煤層瓦斯含量的采樣方法，要求井下取樣的時(shí)間限制在5 min內(nèi)，并采用取芯法或定點(diǎn)取樣法。

煤層瓦斯含量直接測(cè)定過程包括井下打鉆取煤樣、井下煤樣解吸瓦斯量、實(shí)驗(yàn)室解吸瓦斯量測(cè)定及瓦斯含量計(jì)算，難點(diǎn)在于取樣過程中損失瓦斯量的補(bǔ)償計(jì)算[3-6]。經(jīng)過10余年的科技攻關(guān)，行業(yè)內(nèi)提出的瓦斯損失量計(jì)算模型已比較完善，而目前困擾煤礦企業(yè)瓦斯含量測(cè)定技術(shù)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(guó)修訂了《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，要求區(qū)域預(yù)測(cè)所依據(jù)的瓦斯含量參數(shù)在用直接法測(cè)定時(shí)應(yīng)當(dāng)采用定點(diǎn)取樣法。

目前，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和防突細(xì)則的煤層井下瓦斯含量直接測(cè)定取樣技術(shù)主要有3類：

1)傳統(tǒng)取芯法。傳統(tǒng)取芯法是在鉆頭到達(dá)預(yù)定取樣位置后，排盡鉆孔內(nèi)殘?jiān)焖偻顺鲢@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(nèi)裝滿煤樣后退出鉆桿，保證了煤樣在預(yù)定位置鉆取。但此類技術(shù)只適用于上向孔取樣，且取樣過程來回進(jìn)退鉆桿，工序重復(fù)量多，若鉆桿拆卸過程遇到螺紋卡鉆等情況時(shí)，煤體暴露時(shí)間變長(zhǎng)，誤差難以控制[1]。

2)壓氣動(dòng)取樣法。負(fù)壓氣動(dòng)取樣法是以流動(dòng)氣體為介質(zhì)在鉆進(jìn)的過程中將預(yù)定位置的煤樣通過鉆桿內(nèi)部引流至采集器內(nèi)。該取樣方法操作流程相對(duì)簡(jiǎn)單，但孔口壓風(fēng)引射取樣由于動(dòng)力小，導(dǎo)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(yù)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(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行加熱、粉碎，通過真空方式進(jìn)行脫氣實(shí)驗(yàn)。密閉取樣法涉及到孔外—孔內(nèi)聯(lián)動(dòng)的密閉取芯管，取芯管活門及密閉附屬裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]，聯(lián)動(dòng)組件性能不可靠且易損壞，導(dǎo)致密閉取樣法成功率較低。

為提高我國(guó)煤礦井下瓦斯含量的測(cè)定精度，在上述3類取樣技術(shù)基礎(chǔ)上，相關(guān)科研人員在煤樣取芯技術(shù)上進(jìn)行了深入的研究，以降低取樣全過程對(duì)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(cè)定取樣技術(shù)和裝備。筆者著重闡述技術(shù)先進(jìn)的深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)、長(zhǎng)距離密閉取樣技術(shù)和低溫冷凍取樣技術(shù)，前者已廣泛應(yīng)用于瓦斯突出礦井，后二者處于科技攻關(guān)——工業(yè)性試驗(yàn)階段。

1 深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)

深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)是指利用正負(fù)壓聯(lián)合栓流定點(diǎn)取樣裝置，基于氣力輸送理論和噴射理論，針對(duì)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(jìn)、反循環(huán)快速定點(diǎn)取樣的新工藝技術(shù)。在取樣前的鉆孔施工過程中，鉆桿內(nèi)管與環(huán)形噴射器同時(shí)進(jìn)風(fēng)排渣；而在取樣時(shí)的鉆孔施工過程中，孔底新鮮煤屑在外卷、內(nèi)吸和孔壁分流三重控制作用下，以最佳的固氣比和流速進(jìn)入雙壁鉆桿中心管形成反循環(huán)輸送。

正負(fù)壓聯(lián)合栓流定點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 正負(fù)壓聯(lián)合栓流定點(diǎn)取樣裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置以礦井壓風(fēng)為動(dòng)力，利用雙壁鉆桿環(huán)狀間隙進(jìn)風(fēng)，利用內(nèi)管排渣，通過鉆頭內(nèi)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(nèi)吸雙重作用形成反循環(huán)，有效地保證煤樣進(jìn)入輸送系統(tǒng)并提供輸送動(dòng)力；孔口引射裝置加入多級(jí)噴射器，為取樣系統(tǒng)提供有效補(bǔ)充動(dòng)力，增加取樣深度；取樣鉆頭加入環(huán)形噴射器并設(shè)計(jì)了外噴孔，形成外卷內(nèi)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(diǎn)取樣系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 深孔定點(diǎn)取樣系統(tǒng)參數(shù)

深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)不需要重復(fù)進(jìn)退鉆桿，鉆孔取樣一次完成，解決了取樣時(shí)間、取樣粒度、煤樣的原位采取等問題，提高了測(cè)定結(jié)果的精度，使瓦斯治理更有針對(duì)性。利用該技術(shù)所獲取煤樣測(cè)得的瓦斯含量值相較于孔口接粉取樣的測(cè)定值更接近煤層中實(shí)際的瓦斯含量值[12]，其原因是該技術(shù)取樣前鉆桿內(nèi)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(yù)定位置的煤樣。該技術(shù)應(yīng)用后瓦斯含量測(cè)定誤差由20%～30%縮小至7%以內(nèi)。

我國(guó)煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，煤質(zhì)、煤體硬度、煤層賦存差異性較大，深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)及裝備在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上不一定能完全適用于所有煤層條件，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要進(jìn)一步考察和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)[12]。另外，深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)存在煤樣溫度過高而導(dǎo)致煤樣瓦斯逸散的問題，與傳統(tǒng)取樣技術(shù)相同，取樣過程中鉆頭、鉆桿與鉆孔內(nèi)壁的切削或摩擦?xí)?dǎo)致煤樣溫度上升。

2 長(zhǎng)距離密閉取芯技術(shù)

隨著“兩個(gè)四位一體”綜合防突措施的深入落實(shí)，以及千米定向鉆機(jī)施工裝備和技術(shù)日益成熟，定向長(zhǎng)鉆孔大面積預(yù)抽煤層瓦斯日漸成為有效的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)途徑。常規(guī)采樣并測(cè)定瓦斯含量技術(shù)已不能滿足煤層瓦斯超前精準(zhǔn)探測(cè)和區(qū)域瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)的需要。李泉新等[13]將煤層定點(diǎn)密閉取芯技術(shù)與井下定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于河南趙固二礦區(qū)域瓦斯治理及抽采效果檢驗(yàn)。在定向長(zhǎng)鉆孔中密閉取芯，準(zhǔn)確測(cè)定了區(qū)域抽采前后煤層瓦斯含量，最大采樣深度達(dá)到500 m，凸顯了長(zhǎng)距離密閉取芯技術(shù)在區(qū)域瓦斯治理中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

井下長(zhǎng)距離密閉定點(diǎn)取芯裝置采用高壓水流驅(qū)動(dòng)球閥轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)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(dòng)結(jié)構(gòu)，由外套總成、取芯內(nèi)筒、投球裝置和液壓總成等構(gòu)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(dá)取樣位置后，取芯鉆頭由外套總成驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，隨著鉆頭的推進(jìn)，煤樣進(jìn)入取芯內(nèi)筒中，取樣長(zhǎng)度達(dá)到要求后停止鉆進(jìn)，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(yùn)動(dòng)到投球裝置中，橡膠球?qū)?dǎo)水孔關(guān)閉使壓力升高繼而推動(dòng)液壓總成剪斷銷釘并向前運(yùn)動(dòng)，最后關(guān)閉位于取芯內(nèi)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(nèi)筒中的解吸裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸。其主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 長(zhǎng)距離密閉取芯系統(tǒng)參數(shù)

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

長(zhǎng)距離密閉取芯技術(shù)具有較強(qiáng)的專業(yè)性，定向鉆孔不適合有分支孔，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理配置鉆具參數(shù)，當(dāng)煤體硬度較大時(shí)，會(huì)影響煤樣進(jìn)入密閉取樣裝置，從而影響取樣效果[14]。需通過分析試驗(yàn)區(qū)煤層地質(zhì)條件，結(jié)合地面液壓推動(dòng)力試驗(yàn)，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(guān)鍵參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)中適時(shí)調(diào)整，技術(shù)性較強(qiáng)。

3 低溫冷凍取樣技術(shù)

瓦斯含量直接測(cè)定取樣過程中鉆頭對(duì)煤壁進(jìn)行切割，取芯管、鉆桿與煤體發(fā)生旋進(jìn)式的劇烈摩擦，引起取芯管及管內(nèi)煤樣溫度急劇上升，可導(dǎo)致取芯管內(nèi)煤樣瓦斯完整性遭到破壞，使瓦斯逸散。為了解決溫度對(duì)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(shù)。該技術(shù)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(jìn)行低溫解吸瓦斯含量測(cè)定，再采用“解吸法”在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定殘存瓦斯含量，通過低溫?fù)p失量補(bǔ)償方法計(jì)算，最終得到煤層瓦斯含量[15-16]。

眾多學(xué)者在低溫冷凍取樣裝置的設(shè)計(jì)中，所采用的裝置結(jié)構(gòu)和原理大致相同。例如，王元[17]設(shè)計(jì)的雙彈卡結(jié)構(gòu)冷凍取樣裝置和王晗等[16,18-19]設(shè)計(jì)的空氣鉆進(jìn)用煤瓦斯冷凍取樣裝置只是裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝略有差別，冷凍流程均包括冷源儲(chǔ)存、冷源釋放、樣品冷凍、樣品提取等4個(gè)基本步驟；王元設(shè)計(jì)的雙彈卡孔底冷凍取樣裝置，主要由儲(chǔ)冷模塊、冷凍模塊、取樣模塊和控制模塊4部分組成。在進(jìn)行打鉆之前，預(yù)先將冷凍劑放置在儲(chǔ)冷模塊中，在正常鉆進(jìn)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(jié)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(huì)發(fā)生熱量交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)用煤瓦斯冷凍取樣器，采用空氣鉆下向鉆孔進(jìn)入煤體進(jìn)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(jié)構(gòu)

該裝置取樣操作流程如下：在鉆孔施工前，倒置取芯管并預(yù)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(jié)構(gòu)的冷源保溫腔內(nèi)；正常鉆進(jìn)取樣，樣品進(jìn)入取芯管后會(huì)頂開取芯管末端的閥門并與取芯管中的預(yù)存水混合；當(dāng)樣品填滿取芯管后，會(huì)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(huì)流入取芯管對(duì)樣品進(jìn)行降溫，達(dá)到冷卻樣品的目的，待煤樣冷凍結(jié)束后將其取出即可開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析工作。

低溫冷凍取樣技術(shù)在很大程度上解決了煤層取樣溫度對(duì)瓦斯逸散的影響，但也存在一定挑戰(zhàn)。一方面，該技術(shù)工藝復(fù)雜、操作流程繁瑣，受取樣點(diǎn)時(shí)間和空間的限制較大，并且添加的冷凍劑有限，尤其當(dāng)煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜時(shí)，遠(yuǎn)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(zhǔn)確，需對(duì)取樣過程中煤芯的溫度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。除此之外，取樣設(shè)備成本相對(duì)較高。

4 取樣技術(shù)展望

隨著基礎(chǔ)理論研究不斷深入，取樣技術(shù)工藝水平不斷提高，信息化控制不斷加強(qiáng)，可視化取樣、實(shí)時(shí)控溫、保壓取樣等減少取樣過程煤樣瓦斯損失量計(jì)算誤差的技術(shù)體系會(huì)日趨完善。因此，進(jìn)一步深入研究鉆屑瓦斯解吸機(jī)理、多場(chǎng)耦合綜合作用下煤體吸附解吸機(jī)理等理論，進(jìn)一步提高取樣工藝的普適性、加強(qiáng)取樣裝備智能化發(fā)展成為取樣技術(shù)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(jìn)工作面瓦斯涌出量反演工作面前方瓦斯含量，根據(jù)掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量q和煤層瓦斯含量W0的關(guān)系，反算出相應(yīng)位置的瓦斯含量。其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W0為煤層瓦斯含量，m3/t；q為掘進(jìn)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(jìn)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(nèi)暴露煤壁面的周邊長(zhǎng)度，m(對(duì)于薄及中厚煤層，D=2m，其中m為開采層厚度；對(duì)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(zhǎng)度，m；Vdaf為煤的揮發(fā)分，%。

這種非接觸式的反演技術(shù)可逐步應(yīng)用在鉆孔內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆孔定點(diǎn)位置的瓦斯含量計(jì)算。

近幾年，隨鉆孔內(nèi)原位測(cè)定技術(shù)的嘗試和攻關(guān)也是解決取樣過程瓦斯逸散損失的有效方案。隨鉆孔內(nèi)原位測(cè)定技術(shù)是在鉆孔鉆進(jìn)到預(yù)定位置后，直接在鉆孔內(nèi)進(jìn)行原位瓦斯含量測(cè)定，即實(shí)時(shí)取樣實(shí)時(shí)測(cè)定瓦斯解吸量，避免煤樣從鉆孔底部運(yùn)送到孔口的過程中瓦斯的逸散。石油行業(yè)內(nèi)核磁共振測(cè)井技術(shù)已應(yīng)用多年，可隨鉆孔內(nèi)原位測(cè)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(shù)在煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)量方面的研究和應(yīng)用很少。煤礦井下日常鉆進(jìn)工程中，若能實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量煤體原位瓦斯含量，不僅對(duì)礦井瓦斯賦存規(guī)律、抽采效果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(gè)重要突破。同時(shí)隨鉆孔內(nèi)原位測(cè)定技術(shù)的解決方式并未給日常鉆孔施工帶來過多額外工作進(jìn)而影響工作效率。

5 結(jié)語

1)傳統(tǒng)取芯法由于取樣工序復(fù)雜、取樣時(shí)間較長(zhǎng)已被逐步淘汰。

2)深孔定點(diǎn)取樣技術(shù)，克服了傳統(tǒng)取芯工藝的不足，解決了取樣時(shí)間、取樣粒度、煤樣的原位采取等問題，調(diào)整該技術(shù)相關(guān)參數(shù)能適應(yīng)不同條件煤層。

3)為滿足長(zhǎng)鉆孔區(qū)域瓦斯治理效果檢驗(yàn)的需求，發(fā)展了長(zhǎng)距離密閉取芯技術(shù)，應(yīng)用定向長(zhǎng)鉆孔和密閉取芯技術(shù)，滿足了長(zhǎng)距離瓦斯超前精準(zhǔn)探測(cè)和區(qū)域瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)的要求。

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

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