煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置研制

郭明功， 張鵬偉， 于紅

（1. 平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467000；2. 鄭州慧礦智能科技有限公司，河南 鄭州 450016；3. 永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600）

0 引言

煤層瓦斯含量是衡量煤層瓦斯賦存情況的重要指標，是指導煤礦瓦斯抽采設計、瓦斯治理效果評判的重要參考依據[1-4]。隨著瓦斯治理技術的發(fā)展，尤其是定向長鉆孔鉆進技術的應用，傳統(tǒng)煤層瓦斯含量測定采用敞口式巖心管取樣，在應用過程中存在煤樣暴露時間長、煤樣易被污染、瓦斯損失量難以計量導致測量誤差較大等問題。因此，研制適合定向長鉆孔取樣的深孔密閉保壓取樣裝置，對準確測定深孔煤層瓦斯含量意義重大[5-7]。

貴宏偉等[8]研制了超深鉆孔取樣裝置，配合定向鉆孔施工最大取樣深度達595 m，實現了超長區(qū)段區(qū)域防突措施效果一次性整體評價。高明忠等[9]基于牟合方蓋幾何原理，提出了保壓保瓦斯取樣工具構想，研制了深部煤礦原位保壓保瓦斯取樣原理樣機，形成了原位保壓保瓦斯取樣作業(yè)工藝。景興鵬[10]研制了直接機械密閉取樣的瓦斯含量測試裝置，實現了孔內取樣密閉，解決了煤心暴露時間長、瓦斯逸散量大的問題。龍威成[11]研制的取樣裝置采用取樣和解吸一體化設計，使煤樣在退鉆、自然解吸全程密閉，最大限度減少煤心瓦斯逸散量，取樣深度達400 m。龍威成等[12]研制的干式密閉取樣系統(tǒng)以壓風代替壓水用于鉆孔排渣、取心鉆頭冷卻和封堵球輸送，以風和水2種介質組合打壓驅動密閉取樣裝置關閉，為碎軟煤層井下長距離測定瓦斯含量提供了一種新途徑。孫四清等[13]設計并試制了適用于地面井煤層氣含量測定的“三筒單動、球閥關閉、取心筒與解吸罐一體化”的密閉取心器和“前端小徑鉆心、后端大徑鉆井”的碎軟煤層雙徑PDC密閉取心鉆頭，最大取樣深度超過700 m，提高了煤層氣瓦斯含量的測試精度。溫志輝等[14]通過開展不同吸附平衡壓力、解吸負壓及解吸時間的顆粒煤在負壓和負壓轉常壓狀態(tài)下的瓦斯解吸規(guī)律實驗研究，得出基于負壓取樣瓦斯損失量推算方法所得的推算值與實際損失量值最大誤差為4.83%。

目前，煤礦井下密閉保壓取樣可以保證取到煤樣后將煤樣密閉在煤樣筒內，但普遍存在尺寸大需要二次擴孔、結構復雜、取樣時不能準確動作導致取樣成功率低、難以大規(guī)模工業(yè)化應用等問題[15-18]，且在實際應用時將取樣裝置送入孔底的過程中煤樣筒不能保持持續(xù)封閉，易進入孔壁掉落的渣塊，導致煤樣被污染、有效煤樣少、測量結果不準確[19-22]。鑒此，筆者研發(fā)了一種煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置，該裝置結構簡單，可實現煤樣筒取樣前密閉、取樣時開啟、取樣后再次密閉的動作，從根本上解決深孔煤層瓦斯含量測量不準確的問題。

1 裝置研制

1.1 裝置設計原則

1） 取樣過程能夠滿足密閉、保壓的基本要求，確保所取煤樣為未被污染的孔底設計點位的煤樣。

2） 不額外增加現場配套工程。現有定向鉆機施工的取樣孔一次成孔孔徑一般不超過?120 mm，取樣裝置尺寸應滿足在無需額外擴孔的基礎上能夠一次取樣成功，減輕現場勞動強度。

3） 動作靈敏、結構可靠。井下工作環(huán)境差，孔內情況復雜，取樣裝置材質及部件尺寸要能夠適應井下惡劣的工作環(huán)境，結構簡單，方便拆卸，關鍵時候“封得住、打得開、拔得出”。

1.2 裝置結構設計

深孔密閉保壓取樣裝置由外管組件、芯軸、存樣組件和驅動組件構成，結構如圖1所示。

圖1 深孔密閉保壓取樣裝置結構Fig. 1 Structure of deep borehole sealed pressure maintaining sampling device

外管組件包括鉆桿接頭、外套管。芯軸和存樣組件設置在外管組件內，芯軸和存樣組件與外套管之間設置驅動組件。

芯軸分為第一軸段、第二軸段和第三軸段3個部分。第二軸段和第三軸段之間設置第一凸臺，鉆桿接頭的右端設置第二凸臺，使得外活塞貼合鉆桿接頭的右端時，第一流通孔位于第二軸段的開口不會被外活塞封堵。芯軸的第一軸段和第二軸段內部設置第一流通孔，使得鉆桿接頭中空區(qū)域和鉆桿接頭與外活塞之間的區(qū)域被第一流通孔連通。芯軸的第二軸段內部設置第二流通孔，當外活塞接觸到第一凸臺時，鉆桿接頭與外活塞之間的區(qū)域和內活塞與第一凸臺之間的區(qū)域被第二流通孔連通。

存樣組件包括煤樣筒底座、煤樣筒和球閥。煤樣筒底座的兩端設有第一螺孔和第二螺孔，二者通過第一流通孔連通。第二螺孔內設有壓緊螺釘、壓縮彈簧和封口鋼球。

驅動組件包括外活塞、內活塞、推進套管、推進齒條管和推進齒條。第二軸段與外套管之間設置外活塞，芯軸外側套設推進套管，推進套管的一端頂靠外活塞；第二軸段與推進套管之間設置內活塞，推進齒條管套設在存樣組件外側。推進齒條管一端頂靠推進套管，推進齒條管連接推進齒條，推進齒條與齒輪嚙合，推進齒條末端與齒輪嚙合時球閥閥芯處于關閉狀態(tài)。

1.3 裝置參數

深孔密閉保壓取樣裝置關鍵部件參數見表1。筒體材質為20cr13不銹鋼。

1.4 裝置工作原理

深孔密閉保壓取樣裝置通過高壓水驅動球閥閥芯啟閉，達到封閉煤樣的目的。當取樣裝置到達孔底前，球閥密閉。取樣裝置送到孔底后，高壓水沿芯軸的第一流通孔進入鉆桿接頭和外活塞之間，推動外活塞右移，進而依次推動推進套管、推進齒條管同步右移，與推進齒條管連接的推進齒條隨之同步右移，齒輪發(fā)生旋轉，球閥閥芯開始由閉合狀態(tài)逐漸轉換為開啟狀態(tài)。經過時間t1后，外活塞向右移動距離s1，齒輪在推進齒條的作用下旋轉90°，閥芯從閉合狀態(tài)完全切換到開啟狀態(tài)，此時外活塞受到芯軸上第一凸臺的阻擋停止移動，球閥閥芯持續(xù)保持開啟。關閉高壓注水泵，啟動鉆機，鉆桿帶動取樣裝置回轉鉆進，煤樣經鉆頭破碎后進入煤樣筒內。

取樣結束后暫停鉆機，繼續(xù)注入高壓水，高壓水通過第一流通孔、第二流通孔進入內活塞左側區(qū)域，并推動內活塞向右運動，與推進套管的右端抵接，推進套管隨內活塞右移而右移，進而推動推進齒條管右移，齒輪隨即帶動球閥閥芯同步旋轉，球閥閥芯逐漸從開啟狀態(tài)切換到閉合。經過時間t2后，內活塞向右推動推進套管、推進齒條管和推進齒條一起移動距離s2，齒輪帶動球閥閥芯旋轉90°，閥芯由開啟狀態(tài)完全切換為閉合狀態(tài)，球閥閥芯截斷煤樣，煤樣被封閉在煤樣筒中，關閉高壓注水泵。

退出孔內取樣裝置，將存樣組件整體卸下，此時煤樣被密封保存在煤樣筒中，將瓦斯解吸儀量筒上的頂針從第一流通孔頂入，頂開封口鋼球，使量筒與煤樣筒連通，進行煤樣的現場瓦斯解吸工作。結束后拔出頂針，送實驗室完成室內部分的瓦斯解吸測試。

2 裝置技術特點

1） 裝置可實現煤樣筒取樣前密閉、取樣時開啟、取樣后再次密閉的準確動作，杜絕煤樣中混入孔壁渣塊被污染，盡可能防止取樣過程中瓦斯逸散，與定向鉆機結合可滿足深孔定點密閉保壓取樣要求。

2） 裝置可實現將裝有保壓煤樣的煤樣筒與瓦斯解吸儀直接連接，無須換裝煤樣罐即可進行現場瓦斯解吸，解吸后可送實驗室進行瓦斯含量測試，減少瓦斯損失量，操作簡單。

3） 裝置采用“兩級活塞+雙層套管+煤樣筒”的結構設計，以高壓水為動力控制煤樣筒密閉與開啟，無須傳輸電磁信號，結構簡單、動作更可靠。

3 現場試驗

為驗證煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置的實際效果，對平頂山某礦二1煤層開展了井下密閉取樣試驗。為驗證密閉取樣測定煤層瓦斯含量的準確性，同步采用敞口式巖心管取樣的常規(guī)取樣法作為對照組，在同鉆孔同深度處采集煤樣進行瓦斯含量測定對比分析。由于試驗鉆孔深度較大，鉆孔成孔后退鉆及下入取樣裝置過程時間較長，為減少煤樣瓦斯損失量，保證取到新鮮煤樣，在取樣裝置下入到孔底后先鉆進2 m，剝離掉已經長時間暴露的煤樣后再旋轉鉆取深部新鮮煤樣。

試驗選用ZDY5400LD型煤礦用輕型履帶式全液壓坑道定向鉆機，采用?73 mm螺旋槽通纜鉆桿和?98 mmPDC定向鉆頭組合鉆具，搭配BLY 260/10型礦用履帶式泥漿泵車提供穩(wěn)定高壓水源。

鉆孔施工至見煤后，退出孔內鉆具，通纜鉆桿前端換裝敞口式巖心管進行常規(guī)取樣，鉆進一段后退出孔內巖心管，立即取出孔內煤樣裝入煤樣罐中進行現場瓦斯解吸。之后換裝研發(fā)的煤礦井下深孔密閉保壓取樣裝置再次順入孔底，鉆進2 m后，打開高壓水，外活塞開始右移。待水壓明顯升高，此時外活塞右移距離達s1，球閥完全處于打開狀態(tài)。關閉高壓水，鉆機推動密閉保壓取樣裝置鉆進1～2 m，繼續(xù)通入高壓水，推動內活塞右移。待水壓再次明顯升高，此時內活塞右移距離達s2，球閥完全處于關閉狀態(tài)。關閉高壓水，退出孔內密閉取樣器，將瓦斯解吸儀與煤樣筒連接進行煤樣的現場瓦斯解吸。

試驗共采集4組煤樣進行對比分析，密閉保壓取樣與常規(guī)取樣下煤層瓦斯含量測試結果對比見表2。

表2 密閉保壓取樣與常規(guī)取樣下煤層瓦斯含量測試結果對比Table 2 Comparison of test results of gas content in coal seamunder sealed pressure maintaining sampling and conventional sampling

從表2可看出，深孔密閉保壓取樣裝置在深度接近350 m處仍可成功取樣。密閉保壓取樣比常規(guī)取樣測得的瓦斯含量結果偏大5.4%～37%，且隨著取樣鉆孔深度增加，偏大的程度增加。這主要是由于敞口式巖心管取樣后不能密閉，瓦斯損失量難以計量，且隨著鉆孔深度的增加，常規(guī)取樣方法采集的煤樣暴露時間更長，瓦斯損失量更大，而密閉保壓取樣裝置采集煤樣后將煤樣保壓密閉在煤樣筒內，極大減少了瓦斯損失量，提高了瓦斯含量測試結果準確性。

4 結論

1） 深孔密閉保壓取樣裝置采用“兩級活塞+雙層套管”的整體結構設計，通過井下注水壓力及注水時間的精確控制，可完成煤樣筒“取樣時由密閉到開啟，取樣后由開啟到密閉”的兩級動作，滿足密閉保壓取樣的要求。

2） 裝置配合定向鉆機使用，可實現深孔定點取樣測量瓦斯含量，確保瓦斯含量測試的準確性，為礦井工程設計與評判提供準確的參考依據。

3） 現場試驗結果表明：裝置取樣深度接近350 m；密閉保壓取樣相較于常規(guī)取樣測得的瓦斯含量偏大5.4%～37 %，且隨著取樣鉆孔深度增加，偏大的程度增加，測得的瓦斯含量結果更準確。