深孔定點快速取樣技術在鉆屑瓦斯解吸指標K1值測試中的應用

韓承強

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

鉆屑瓦斯解吸指標K1值是綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度大小的指標，鉆屑瓦斯解吸指標法作為確定煤層局部范圍突出危險性的方法廣泛應用于我國突出煤層區域的驗證、工作面突出危險性的預測及工作面措施效果檢驗，對我國煤與瓦斯突出災害防治起到了重要作用。但該指標的測試方法存在一定局限性[2-4]，主要問題是目前我國煤礦主要采用的麻花鉆桿機械排渣取樣方法，不屬于定點取樣方法，所取煤樣無法準確確定取樣位置和暴露時間，造成鉆屑瓦斯解吸指標K1值測值與實際情況誤差較大，現場測試時使用該取樣方法所測試的K1值有效深度不超過10 m，否則測試結果準確性大大降低，測定結果無法準確指導礦井的防治煤與瓦斯突出工作。當測定值確定局部煤層無突出危險的情況下需保留2 m安全距離，有效掘進進尺較短，導致測試次數頻繁。針對上述問題，本文利用中煤科工集團重慶研究院有限公司依托“十二五”科技支撐計劃研發的深孔定點快速取樣技術及裝置，在提高鉆屑瓦斯指標K1值測試準確度的同時，對其有效測試深度進行了進一步探索，為礦井準確高效測試K1值進而有效指導防突作業提供了科學依據。

1 定點取樣技術原理及優勢

1.1 K1值主要影響因素分析

研究成果表明，鉆屑瓦斯解吸指標K1值的理論分析值與實測值并不相符，隨著鉆孔深度的增加，存在實際測值偏離并小于理論測值的情況，如圖1所示。造成這個問題的主要原因是煤礦所采用的麻花鉆桿機械排渣取樣不屬于定點取樣方法，在取樣過程中摻混了從鉆孔壁上切削下來的煤粉，混合煤樣代表性較差，K1值測定結果與實際情況誤差較大。另外，每次測定K1值的取樣時間要控制在2 min內，整個測定過程不得超過5 min，取樣時間增長對K1值實測值與理論值的偏離也產生了較大影響。

圖1 K1值理論值與實測值隨取樣深度變化曲線Fig.1 Variation curve of K1 value between theoreticalvalue and measured value with sampling depth

1.2 定點取樣技術原理及優勢

1.2.1 技術原理

SDQ深孔定點快速取樣裝置采用世界先進的航天噴射技術和多級引射技術，其原理與反循環鉆進原理相似，由雙壁鉆孔、雙通道水尾、噴射取樣鉆頭組成。雙壁鉆桿內設計2個通道，即內管與環形空間；噴射取樣鉆頭融合了環形噴射技術和正循環鉆進技術，在氣體流道優化的基礎上將噴射器內置于鉆頭內部[8]。壓風由雙壁鉆桿環形空間進入，將鉆頭切割的煤樣從雙壁空間內管引射出來，從而實現深孔定點快速取樣，其原理見圖2。

圖2 深孔定點快速取樣裝置原理示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of principle of deep hole fixed-point fast sampling device

1.2.2 技術優勢

深孔定點快速取樣裝置通過雙壁鉆桿中心管，在不停鉆的情況下，采用氣力輸送的方式可連續不間斷地將孔底的鉆屑快速輸送至鉆桿尾部，隨鉆隨取，所取煤樣中未摻混鉆孔壁上的煤粉，達到定點取樣的要求，保證了測定煤樣的有效性。同時，該技術具備取樣速度快的特點，按取樣深度為60 m、最小允許輸送速度18 m/s，僅需3.4 s即可將孔底鉆屑輸送至孔口完成取樣，取樣時間不超過2 min，解決了煤樣暴露時間過長的問題，相比麻花鉆桿機械排渣取樣具有明顯技術優勢，詳見表1。

表1 定點取樣與麻花鉆取樣技術指標對比Table 1 Comparison of technical indexes betweenfixed point sampling and twist drill sampling

2 試驗方案及試驗地點

2.1 試驗方案

采用深孔定點快速取樣技術進行鉆屑瓦斯解吸指標K1值合理測試深度的考察如下所述。

1) 第一階段：K1值隨取樣深度變化趨勢考察。在仲恒煤礦20-1號煤層、灣田煤礦17號煤層選定一采煤工作面，礦方施工抽采鉆孔孔深分別在6 m、8 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m時采用深孔定點快速取樣技術取樣測試K1值，總體上掌握K1值隨孔深變化趨勢，并初步確定采用深孔定點快速取樣技術取樣測試鉆屑瓦斯解吸指標K1值的合理深度。仲恒煤礦施工鉆孔編號為Z1～Z8，灣田煤礦施工鉆孔編號為W1～W8。

2) 第二階段：相同位置不同循環K1值測定。根據第一階段中初步確定的K1值合理測試深度，在仲恒煤礦20-1號煤層和灣田煤礦17號煤層掘進工作面現有測試深度(10 m)基礎上加大K1值測定深度，并在加大段每隔2 m測定一次K1值，隨著巷道的掘進，對掘進工作面前方固定(相同)位置處K1值在不同循環內進行多次測定，并進行對比分析，通過分析得到合理的K1值測試深度。

2.2 試驗地點概況

1) 仲恒煤礦第一階段試驗地點為1320-11工作面；第二階段試驗地點為1320-11運輸巷掘進工作面。11320-11回采工作面20-1煤層厚度2.0～2.4 m，平均厚度為2.2 m，平均傾角32°，頂板為粉砂巖或泥質粉砂巖，底板為泥巖。

2) 灣田煤礦第一階段試驗地點為11701工作面；第二階段試驗地點為11701機巷掘進工作面。11701工作面17號煤層平均厚度3 m，煤層平均傾角20°。頂板為粉砂巖或泥質粉砂巖，底板為泥巖。

3 試驗結果分析

3.1 第一階段：K1值隨孔深變化趨勢考察

在仲恒煤礦20-1號煤層所施工鉆孔Z1～鉆孔Z8和灣田煤礦17號煤層所施工鉆孔W1～鉆孔W8在不同深度處K1值，測試結果如圖3所示。

圖3 不同取樣深度處K1值測定結果Fig.3 Determination results of K1 values at different sampling depths

1) 分析試驗結果(圖3(a))可知，仲恒煤礦20-1號煤層在深孔快速定點取樣條件下K1值與孔深關系為：取樣深度6～20 m范圍內K1值增長速度較快；取樣深度20～30 m內K1值孔增長的速度減小；取樣深度超過30 m時，鉆屑瓦斯解吸指標K1值出現隨取樣深度增加而減小的趨勢。

2) 分析試驗結果(圖3(b))可知，灣田煤礦17號煤層在深孔定點快速取樣條件下，取樣深度6～10 m范圍內K1值增長速度較快；取樣深度10～30 m內K1值增長速度減小；取樣深度超過30 m時，鉆屑瓦斯解吸指標K1值出現隨取樣深度增加而減小的趨勢。

綜合兩個礦井不同煤層采用深孔定點快速取樣技術所測得K1值隨取樣深度變化情況分析，當取樣深度在30 m范圍內時，采用深孔定點快速取樣裝置取樣所測的鉆屑解吸指標K1值隨取樣深度增加而增大，符合圖1中K1值理論值隨取樣深度變化趨勢；取樣深度超過30 m時，K1值開始隨取樣深度的增大出現逐漸減小趨勢，不符合圖1中K1值理論值隨取樣深度變化趨勢，且測值偏差變大。因此，初步確定采用定點快速取樣裝置取樣進行K1值測試的有效取樣深度為30 m。

3.2 第二階段：相同位置不同循環K1值測定

按照第二階段試驗方案在不同掘進循環內施工40 m鉆孔，并在不同掘進循環內對距初始掘進工作面距離相同處測點的K1值進行至少2次測定，仲恒煤礦20-1號煤層和灣田煤礦17號煤層的測定結果如圖4所示。

圖4 不同循環距初始掘進工作面距離相同處測點的K1值Fig.4 K1 values of measuring points at the same distance between different cycles and the initial driving facee

1) 分析試驗結果(圖4)可知，每一循環中前30 m測試范圍內K1值隨取樣深度增加而增大，當取樣深度超過30 m時，K1值出現隨取樣深度增大而減小的趨勢。

2) 從第二循環開始，本循環取樣深度4～12 m范圍與上一循環取樣深度12～20 m范圍為煤巷中相同位置，在此段煤巷范圍內，上一循環測值大于本循環測值，其測值更加準確。即本循環前10 m范圍內K1值較上一循環在相同位置處測值偏小，上一循環測值更準確。主要原因是相對本循環，上一循環中同一位置距離暴露煤壁較遠，瓦斯賦存受采動影響小。

3) 從第二循環開始，本循環取樣深度12～22 m范圍與上一循環取樣深度20～30 m范圍為煤巷中相同位置，在此段煤巷范圍內，本循環測值與上一循環測值基本一致。

4) 從第二循環開始，本循環取樣深度22～30 m范圍與上一循環取樣深度30～38 m范圍為煤巷中相同位置，在此段煤巷范圍內，本循環測值大于上一循環測值，本循環測值更加準確。

綜合兩個階段考察的試驗數據及考察結果可知，在不同礦井不同煤層內采用深孔定點快速取樣技術可增加鉆屑解吸指標K1值有效測試深度，但最大測試深度不應超過30 m。

4 結 論

1) 當取樣深度在30 m范圍內時，采用深孔定點快速取樣技術所測的鉆屑解吸指標K1值隨取樣深度增加而增大，成正相關關系，符合K1值理論值隨取樣深度變化趨勢；取樣深度超過30 m時，K1值開始隨取樣深度的增大出現逐漸減小趨勢，不符合K1值理論值隨取樣深度變化趨勢，測值偏差變大。采用深孔定點快速取樣技術可增加鉆屑解吸指標K1值有效測試深度至30 m。

2) 深孔定點快速取樣技術利用雙壁鉆桿的中心管將鉆孔底部煤樣快速排出，既可以更加準確的確定孔底煤樣的暴露時間，又有效降低了煤樣暴露時間，同時避免鉆孔壁殘留煤粉對目的煤樣的摻混，可以有效提高時K1值的有效測定深度及測定結果的準確性。