氣水可切換式深孔定點快速取樣裝置在西馬煤礦的應用

黃 鶴，袁勇猛，張東旭

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.平頂山天安煤業股份有限公司 六礦，河南 平頂山 467000）

煤層瓦斯含量是突出危險性區域預測、區域防突措施效果檢驗和煤礦瓦斯危險程度評價的主要指標，同時也是煤層氣資源勘探開發不可或缺的基礎參數，瓦斯含量測值的準確性不但制約礦井瓦斯危險程度預測的可靠性，而且影響以瓦斯危險程度預測為依據而制定的瓦斯防治措施的有效性，甚至可能危及礦井安全生產[1-2]。而目前在瓦斯含量測定時大部分礦井采用鉆屑法取樣，操作簡單但易混樣，無法保證煤樣的純凈，其測定結果的可靠性難以保證[3-4]。2019年頒布實施的《防治煤與瓦斯突出細則》中明確要求用直接法測定瓦斯含量時應當實現定點取樣，由此可見能夠快速精準采集煤樣是今后煤礦在進行瓦斯含量測定時的前提條件，也是煤礦進行突出危險行預測時必不可少的技術與裝備。目前我國煤礦執行GB/T 23250—2009煤層瓦斯含量井下直接測定方法國家標準要求定點取樣的煤樣暴露時間不大于5 min，采用煤心采集器取樣，取心過程主要存在取樣時間長、煤心溫度高、瓦斯耗散速度快等問題，造成煤心損失瓦斯量計算誤差隨鉆孔取心深度和取心時間的增加而加大，瓦斯含量測值可靠性難以滿足生產要求[5-9]。基于此，研發了氣水可切換式深孔定點快速取樣裝置，通過設計單、雙通道短接實現雙通道取樣龍頭的進風通道的手動控制，實現同一個取樣龍頭既能通過水力排渣打鉆，又能通過接入壓風實現取樣。

1 氣水可切換式深孔定點快速取樣裝置

1.1 取樣鉆頭

取樣鉆頭四翼為無芯剛體鉆頭，鉆頭頂面外緣布置出風斜孔，頂面中間布置進風口，壓風氣流沿鉆桿外管到達鉆頭出風斜孔，從進風口攜帶煤屑返出。該取樣鉆頭分3翼和4翼，3翼鉆頭每個刀翼鑲2個金剛石復合片，中間鑲1個金剛石復合片；4翼鉆頭每個刀翼鑲1個金剛石復合片，中間鑲3個金剛石復合片。鉆頭內管和鉆桿內管采用插接密封環密封，鉆頭內管設置引射斜孔使鉆頭頂端至引射斜孔范圍形成負壓環境，對煤屑產生抽吸作用。

1.2 取樣鉆桿

取樣鉆桿分內外2個壁。外壁的作用是承受鉆機動力頭轉動并連接鉆頭，實現鉆進動力持續傳遞，推動鉆頭前進，是鉆進的受力載體，同時支撐鉆孔；內壁的作用是將外管內部空間隔離為2部分，一部分為內管空間，該空間為排渣和取樣的通道，另一部分為外管和內管的環形空間，該空間是水力排渣及壓風取樣時進水和進風的主要通道[10]。同時內管設計2個引射孔，取樣過程中有利于反循環的形成，提高取樣效率。取樣鉆桿設計圖如圖1。

1.3 氣水可切換式取樣氣水龍頭

氣水可切換式取樣氣水龍頭包括心管、外管、取樣接頭、流體輸入組件和短接接頭等，其中外管套裝在心管的外部，外管的尾部和心管外環面固定密封連接，短接接頭可拆卸的安裝在心管的前端，取樣接頭安裝在心管的后端，外管的內環面和心管的外環面以及短接接頭的外環面之間形成環形空間，外管上具有通道，流體輸入組件安裝在外管上，且流體輸入組件內部輸送管路通過外管上的通道與環形空間連通，短接接頭為單通道短接或雙通道短接。氣水可切換式取樣氣水龍頭設計圖如圖2。

圖2 氣水可切換式取樣氣水龍頭設計結構圖Fig.2 Design structure drawing of air water swappable sampling air faucet

2 快速取樣裝置的取樣工藝

氣水可切換式深孔定點快速取樣裝置采用氣流反循環原理，氣水可切換式深孔定點快速取樣裝置結構圖如圖3，取樣原理圖如圖4。

圖3 氣水可切換式深孔定點取樣裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of gas-water switchable deep hole fixed-point sampling device

圖4 取樣裝置取樣原理圖Fig.4 Sampling schematic diagram of sampling device

介質通過可切換式單、雙通道水變從取樣鉆桿外管輸入，氣體介質到達取樣鉆孔頂端后，攜帶煤屑從取樣鉆桿內管向外排出，避免孔壁脫落煤屑與其混雜，保證取樣過程煤樣純凈性。

鉆機正常鉆進狀態時，雙通道短接與心管采用插接連接，雙通道短接留有進水孔，打鉆過程中能夠實現環形空間和內管空間同時進風水，同時尾端留有插槽與O型圈插接后密封連接，將外管和進氣接頭或水接頭座分別與軸承進行焊接，接頭與取樣鉆桿絲扣連接處安裝O型密封圈，2個軸承之間安裝2個斯特封，進氣接頭或水接頭焊接在進氣座或水接頭座上，扣壓管體與進氣座或水接頭座通過安裝螺栓進行密封連接。

取樣狀態時，單通道短接尾端裝有O型圈與心管插接后密封，取樣過程中能夠實現環形空間單獨進風，內管空間回風。渦輪促排裝置利用渦輪增壓原理是當達到啟動風壓時渦輪葉片旋轉加大風流排除速度，促進煤粉隨風流排出，濾網阻止粒度較大煤粉隨風流通過渦輪促排裝置排出，有利于煤粉進入煤樣收集裝置，收集器底部留有排氣口，排氣口上裝有加密鐵紗網，可以將大部分細小煤粉過濾在收集器內部，完成取樣。

3 反循環取樣瓦斯解吸過程模擬測試

該模擬裝置由真空脫氣系統、恒溫控制系統、高壓瓦斯注氣系統、超常壓恒溫解吸系統、煤樣溫度監測系統、數據采集系統6大系統構成。實驗測試原理為：變壓罐中預充入氮氣模擬反循環取樣鉆孔孔底環境壓力，然后通過電動小流量調節閥自動調控閥門開度，緩慢釋放氮氣，變壓罐內的氣壓逐漸降至大氣壓，該過程模擬鉆孔孔底至孔口沿程的環境壓力變化規律。氮氣釋放時間長短代表反循環取樣鉆孔深度，改變氮氣釋放速度可模擬測試反循環取樣不同深度的煤屑瓦斯解吸規律。

實驗模擬了傳統麻花鉆桿取樣工藝和反循環壓風取樣工藝，取樣風壓0 MPa代表鉆孔內部無外加氣流，煤屑處于常壓環境，與傳統麻花鉆桿取樣所形成的環境類同。超常壓環境通過變壓罐中N2壓力和N2釋放速度實現，當取樣風壓N2大于0 MPa時，取樣風壓越大，煤屑運移速度越快，取樣時間越短。本次反循環壓風取樣模擬實驗設定的N2壓力為0.5 MPa和0.8 MPa，實驗煤樣均在相同瓦斯吸附平衡壓力下進行。不同風壓取樣過程煤屑瓦斯解吸規律如圖5。

圖5 不同風壓取樣過程煤屑瓦斯解吸規律Fig.5 Desorption law of coal dust gas in sampling process with different wind pressures

由圖5可知，實驗模擬了西馬煤礦3#、7-2#、12#、13#煤層分別采用傳統麻花鉆桿取樣和反循環壓風取樣工藝，在此基礎上測試了2種取樣工藝取樣過程中煤屑瓦斯解吸規律。傳統麻花鉆桿取樣依靠螺紋排屑，鉆孔內部氣壓為大氣壓環境。實驗測試4種煤樣在常壓環境的瓦斯解吸規律相同，均隨著時間延長，瓦斯累計解吸量逐漸增大，而增長速度呈單調遞減趨勢，取樣時間越短，瓦斯損失量越小。

實驗結果表明，傳統麻花鉆桿取樣工藝還是反循環壓風取樣工藝，取樣過程中煤屑瓦斯解吸量均隨時間的延長而增加，唯有縮短取樣時間才能降低損失量。反觀反循環壓風取樣工藝能在取樣鉆孔內形成超常壓環境，抑制煤屑瓦斯解吸，減緩瓦斯解吸速度，減少取樣過程中的瓦斯損失量，有利于煤層瓦斯含量的直接測定。

4 現場應用情況

根據西馬礦生產及巷道掘進情況，本次應用地點選擇在12#煤北二采區1216回風巷進行施工，4個測點施工4個鉆孔測定12#煤層瓦斯含量。1216回風巷為新掘巷道，本區域內12#煤為中厚煤層，是礦井主采煤層，全井田發育，僅有個別點不可采，分析均為后期構造所致，煤層結構為復合煤層，煤層上煤1.29～2.03 m。測定地點確定后將氣水可切換式深孔定點快速取樣裝置運到井下指定位置，本次打鉆使用的是SGZ-ⅢA型鉆機，能夠夾持φ73 mm取樣鉆桿，其能力能夠滿足測壓鉆孔長度的要求，鉆頭直徑95 mm。

井下直接測定煤層瓦斯含量的準確性和效率取決于井下取樣技術和瓦斯含量測試方法。通過試驗測試，分別從取樣效果和瓦斯含量測定結果2方面評價傳統工藝和新工藝。取樣結果評價指標對比見表1，瓦斯含量測定結果對比見表2。

表1 取樣結果評價指標對比Table 1 Comparison of evaluation indexes of sampling results

表2 瓦斯含量測定結果對比Table 2 Comparison of gas content determination results

由表1可以看出，隨著取樣深度增加，普通鉆桿孔口接粉取樣工藝取樣深度超過70 m時取樣時間已將超過5 min，且定點取樣率均沒有達到100%，定點取樣率隨著取樣深度的增加而降低。相比之下定點快速取樣裝置壓風取樣工藝取樣時間均沒有超過2 min，定點取樣率均為100%。

從瓦斯測定結果來看，隨著取樣深度的增加瓦斯含量測定結果均成上升趨勢，這主要去取決于隨著取樣深度的增加煤層瓦斯排放強度降低，相比之下定點快速取樣裝置壓風取樣工藝瓦斯含量測試結果增長幅度較大，且同一取樣深度瓦斯含量測定值也較大，說明定點快速取樣裝置壓風取樣工藝取樣時間短，且正壓條件下不利于瓦斯解吸，瓦斯損失量較小，瓦斯含量測定結果較大。現場取樣效果圖如圖6。

圖6 現場取樣效果圖Fig.6 Field sampling effect drawing

5 結 語

1）研發了氣水可切換式深孔定點快速取樣技術與裝備，該裝置通過設計單、雙通道短接實現雙通道取樣龍頭的進風通道的手動控制，實現同一個取樣龍頭既能通過水力排渣打鉆，又能通過接入壓風實現取樣，克服了以往取樣過程中需配備2個氣水龍頭的弊端，同時避免孔壁脫落煤屑與其混雜，保證了取樣過程煤樣純凈性。

2）氣水可切換式深孔定點快速取樣技術和普通鉆桿孔口接粉取樣工藝測定煤層瓦斯含量技術分別從定點快速取樣時間、定點取樣率、瓦斯含量測值準確率等考核技術指標進行了評價。結果表明：氣水可切換式深孔定點快速取樣技術工藝克服了普通鉆桿孔口接粉取樣缺陷，實現定點快速取樣，提高了瓦斯含量測定準確性。

3）通過裝置在西馬煤礦的現場應用，有效解決了西馬煤礦在瓦斯含量測定過程中巖心管取心法取樣過程煩瑣、取樣時間長，孔口接粉方式取樣受鉆孔內殘粉的影響，無法對取樣位置做出準確標定，測值誤差較大等問題。該技術與裝備為提高煤層瓦斯含量測值準確率奠定了基礎，為西馬煤礦準確掌握各煤層瓦斯含量提供了技術支持和裝備保障。