反循環取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削試驗

張 睿

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

由GB/T 23250—2009“煤層瓦斯含量井下直接測定方法”可知，煤層井下取樣是瓦斯含量井下直接測定的首要環節[1]。不同取樣方式及煤層硬度條件決定了所取煤樣的粒度特征各不相同。研究表明，煤樣粒度對瓦斯解吸擴散規律存在影響[2-3]，且存在一個極限粒度，范圍為 0.5～6 mm[4]，在小于極限粒度范圍內，瓦斯解吸強度、衰減系數隨著煤樣粒度的增大而減小，而大于極限粒度時，瓦斯解吸強度、衰減系數隨著煤樣粒度的增大而減小的趨勢不再明顯。因此，為減少取樣環節中煤樣顆粒的瓦斯損失量，進而提高瓦斯含量測定結果的準確性，應在取樣時盡量選取超過極限粒度范圍的煤樣顆粒。目前，井下反循環定點取樣技術因其符合瓦斯含量井下直接測定標準中5 min內定點取樣的要求，在國內煤礦得到廣泛應用。但因該工藝鉆取煤樣均為顆粒狀，為滿足用于瓦斯含量直接測定的大顆粒煤樣的質量要求，因此進行取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒度試驗考察具有重要意義。

1 反循環取樣鉆頭結構

按照鉆齒的排列形式，常用的礦山深孔鉆頭一般有三翼（或四翼）的內凹式鉆頭及三翼的錐式鉆頭。前者鉆齒切削孔底呈一內凹面，適合于巖體較硬、保直性較高的鉆孔；后者鉆齒切削孔底呈一凸出錐形面，適合于對鉆屑破壞程度要求高、鉆進速度要求快的鉆孔，但受鉆頭前方巖體硬度分布不均的影響，鉆孔保直性較差[5-6]。根據井下反循環定點取樣技術的要求，所取煤樣應為鉆頭前方新鮮剝落的煤樣顆粒，因此，在以上2類成熟鉆齒結構鉆頭的基礎上，設計了內嵌環形噴射器且鉆頭胚體前端開設有與噴射器貫通取樣口的內凹式和錐式取樣鉆頭[7-9]，鉆齒材質均采用復合片金剛石，反循環取樣鉆頭結構形式如圖1。為了防止進入取樣口的鉆屑顆粒過大從而堵塞鉆頭內部通道無法實現取樣，在內凹式鉆頭前部取樣口處焊接小號鉆齒，覆蓋圓形入口約1/4面積，從而在鉆頭轉動切削煤巖壁時，進入不規則圓形入口的鉆屑粒徑始終小于規則圓形的面積，錐式鉆頭采用以圓形入口為中心的放射密集型鉆齒布局方式，鉆齒覆蓋在取樣口前方，可使鉆屑首先經鉆齒充分粉碎后進入取樣口。

圖1 反循環取樣鉆頭結構形式

2 考察方案

1）在煤礦井下采煤工作面使用取樣鉆頭進行本煤層長鉆孔施工，嚴格控制鉆進速度為1 m/min，在相同鉆孔深度位置分別采用反循環定點和孔口排渣2種取樣工藝各接取鉆進段全煤樣4 kg，沿鉆孔深度共采集若干個位置處的2種煤樣。

2）將各取樣點處的2種煤樣均進行煤的堅固性系數f值測定，對比不同取樣工藝所取煤樣f值的差異。

3）在實驗室使用振動篩將各取樣點采取的2種全煤樣篩分為≤1、1<～2、2<～3、3<～4、4<～5、5<～6、6<～7、＞7 mm的8種粒度的樣品，并對每種粒度的樣品進行稱重。

4）統計分析煤樣粒徑分布與煤的堅固性系數f值、取樣深度之間的關系。

3 取樣工藝對取樣點煤樣f值測定結果的影響

選取貴州水城礦業那羅寨煤礦7號煤層、大河邊煤礦7號煤層，兗礦集團貴州能化小屯煤礦6中煤層，國投新集二礦1號煤層，昔陽坪上煤業15號煤層，山西天地王坡煤業3號煤層作為現場試驗煤層，均采用φ95 mm取樣鉆頭（內凹式和錐式）、φ73 mm雙壁螺旋鉆桿進行取樣。在每個試驗煤層均布置2個順層鉆孔，分別采用內凹式和錐式反循環取樣鉆頭鉆進，鉆孔間距2 m，傾角和方位角均相同，每個鉆孔在同一深度時分別采用反循環定點和孔口排渣取樣工藝同時取樣，在實驗室測定同一深度所取煤樣的f值，以那羅寨和大河邊煤礦為例分析，那羅寨和大河邊煤礦7號煤層不同取樣深度f值見表1。

表1 那羅寨和大河邊煤礦7號煤層不同取樣深度f值

分析表1中數據可以得到以下結論：

1）采用反循環定點取樣裝置進行取樣，同一鉆孔由淺到深的鉆進過程中f值的變化較大，而同一深度情況下孔口排渣取樣所測的f值則較為接近，分析可能的原因是煤層煤質分布不均勻，不同區域的煤體硬度存在差別，反循環定點取樣所取煤樣的f值為鉆頭切削位置煤層區域的實際f值，而孔口排渣取樣所測的f值為孔底鉆屑與孔壁殘粉混合煤樣的平均f值。

2）受f值測定工藝的影響[10]，實驗室測定孔口排渣所取樣品的f值時，需要將較細的煤粉篩除，而孔底鉆屑經過鉆桿與孔壁之間的研磨后已變為粒徑較小的粉狀，因此采用落錘法測定f值所選取的煤樣已經將大部分孔底煤樣篩除，更多的是來自靠近孔口的還未被完全碾碎的孔壁煤樣，隨著鉆孔深度的增加，測定f值時選取的煤樣中實際來自孔底的煤樣所占比重越低。表1中表現出當取樣深度在20 m時，2種取樣工藝取樣所測的f值相近，說明此時孔口排渣取樣受孔壁殘粉影響較小，可等同孔底煤樣，而隨著鉆孔深度增加，反循環定點取樣所測f值呈現煤體局部特性，而孔口排渣取樣所測f值呈現為孔口煤樣代表性。其余試驗煤層均符合上述規律，由此可說明在巷道走向煤壁上相鄰較近的煤層硬度變化較小，但在煤體內部縱深方向變化較大，通過反循環定點取樣測定f值可揭示此現象。

4 不同取樣深度所取煤樣粒徑分布

由于反循環定點取樣所測f值更能真實的反映出取樣點位置煤層的硬度，因此，在實驗室將每個反循環定點取樣深度所取的全煤樣進行篩分，考察在不同硬度的煤層中采用2種鉆齒結構形式的鉆頭時，不同深度鉆屑的粒徑分布規律。實驗室測得現場采用反循環取樣工藝取得樣品的f值區間分別為：那羅寨煤礦0.23～0.44，大河邊煤礦0.22～0.45，新集二礦0.59～0.62，小屯煤礦0.77～0.88，王坡煤礦0.87～0.91，坪上煤礦0.90～0.95。那羅寨、新集、小屯和坪上煤礦不同硬度煤體切削煤樣的粒徑分布見表2～表5。

表2 那羅寨不同結構取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

表3 新集二礦不同結構取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

表4 小屯煤礦不同結構取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

表5 坪上煤礦不同結構取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒徑分布

分析數據得出以下結論：

1）取樣樣品中，小顆粒煤屑（≤1 mm）所占質量百分比最大，且煤層f值越小，占比越大，這一規律不受取樣鉆頭鉆齒結構類型和取樣深度的影響。

2）取樣粒徑的分布規律與取樣深度無關，即在同一鉆孔、同一取樣鉆頭、同一煤層f值范圍時，不同取樣深度的煤樣粒徑分布規律近似相同，如那羅寨煤礦，無論是采用內凹式鉆頭還是錐式鉆頭，其各自取樣鉆孔中 20、30、40、50、60 m 處的煤樣粒徑質量占比并未因取樣深度的不同而發生較大變化。

3）取樣粒徑的分布規律與取樣鉆頭鉆齒結構類型相關。對于使用相同類型取樣鉆頭鉆取不同f值的煤層時，煤樣粒徑的分布規律大致相同，如那羅寨煤礦，使用內凹式取樣鉆頭時，不同粒徑的煤樣質量分數隨粒徑的減小表現出先減小后增大的規律，而使用錐式取樣鉆頭時，不同粒徑的煤樣質量分數隨粒徑的減小表現為單調增大的規律，即使試驗煤層的f值不同，但上述規律并未受f值的影響。

4）對于不同鉆齒結構的鉆頭來說，內凹式取樣鉆頭鉆取大顆粒煤屑（＞7 mm）顯著多于錐式鉆頭，而且煤層f值越大，大顆粒鉆屑所占質量分數越大。

5 結語

采用井下反循環定點取樣工藝對不同硬度的煤層進行了現場取樣試驗，試驗結果表明：反循環定點取樣工藝可取得鉆頭前方煤體樣品，且不受孔壁殘粉的影響，以此煤樣進行煤的堅固性系數f值的測定可真實反映取樣位置處煤層硬度情況，通過該取樣工藝可為探索煤體內部硬度分布提供一種新的思路。同時，對比了內凹式和錐式2種反循環取樣鉆頭對不同硬度煤體的切削粒度分布情況，結果表明：反循環取樣工藝所取煤樣的粒徑分布規律與取樣深度無關，但與取樣鉆頭鉆齒的結構相關；針對不同f值的煤層，同一種取樣鉆頭鉆取的不同粒徑的煤樣質量分數稍有差異，但粒徑的分布規律大致相同。為了使煤層瓦斯含量井下直接測定中取樣環節瓦斯損失量更小，宜選取超出極限粒度范圍的煤樣顆粒，根據2種取樣鉆頭鉆取4 kg煤樣中粒徑＞6 mm的質量占比，內凹式鉆頭所取6 mm以上粒徑的煤樣質量均在400 g以上，滿足瓦斯含量井下直接測定的煤樣質量要求。因此，將反循環取樣工藝用于瓦斯含量測定時，宜選取內凹式取樣鉆頭；而用于煤體內部f值的測定時，2種鉆頭均適用。