井下煤層長距離定點密閉取芯工程試驗

崔樹軍

(山西晉能控股煤業集團 晉城煤炭事業部，山西 晉城 048006)

定向鉆機施工長鉆孔因具有定向鉆進及鉆孔軌跡可精準控制的技術特點，在煤礦瓦斯抽采中得到了廣泛應用。晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦推廣使用了定向長鉆孔區域瓦斯抽采技術，并采用瓦斯含量指標評價區域瓦斯抽采效果。但常規采樣測定瓦斯含量技術已不能滿足煤層瓦斯超前精準探測和區域瓦斯抽采效果評價的需要，其存在評價范圍小、取芯煤樣暴露時間長損失量大、檢驗點軌跡偏差大、交叉作業存在安全隱患、施工效率低等問題，嚴重制約了礦井安全高效掘進。

景興鵬[1]、貴宏偉[2]等研制的煤層密閉取芯測定裝置可以有效地將煤芯密閉在取芯裝置內，避免了因煤芯破碎、暴露時間長導致瓦斯逸散量大的問題。借鑒其研究成果，試驗將密閉取芯裝置與定向鉆機結合使用，彌補常規采樣不足，提升取芯瓦斯含量測定技術在定向長鉆孔中的應用優勢。

1 試驗區地質概況

試驗區工作面地質情況較簡單，西低東高，最大傾角可達16°左右。工作面回采3號煤，煤層厚度為5.30～5.95 m，平均為5.38 m，煤層傾角為4°～16°，平均傾角7°；煤層以亮煤為主，暗煤次之，半亮型，煤層結構簡單，普氏硬度1～2.煤層基本頂為細粒砂巖，平均厚度6.23 m，厚層狀，巖芯完整，局部夾砂質泥巖，分選性、磨圓度一般，普氏硬度2～4、抗壓強度20～40 MPa、抗剪強度2.58～4.59 MPa.直接頂為粉砂質泥巖，厚度3.45 m，灰黑色，中厚層狀，巖芯完整，含植物化石，普氏硬度1～3.78、抗壓強度10～37.8 MPa、抗剪強度1～2.45 MPa.偽頂為炭質泥巖，平均厚度0.69 m，灰黑色，含植物化石，隨采掘脫落，普氏硬度0.5～1、抗壓強度10 MPa、抗剪強度0.5～1.0 MPa.直接底為粉砂巖，1.30 m，灰色，柱狀，夾薄層砂質泥巖，普氏硬度1～4.57、抗壓強度10～45.7 MPa、抗剪強度1～3.6 MPa.基本底為細粒砂巖，平均厚度2.08 m，淺灰色，薄層狀，以石英為主，含云母,以波狀層理為主，含少量的不完整植物化石，普氏硬度1～4.5、抗壓強度10～45 MPa、抗剪強度1～3.62 MPa.

2 定向長鉆孔參數設計

定向長鉆孔施工是長距離煤層密閉取芯瓦斯含量測定的基礎。為了能順利完成密閉取芯裝置的輸送和回收，要求選擇煤層地質條件較好、鉆孔不易縮徑和塌孔的區域，此外，要求鉆孔施工過程要保證鉆孔孔壁的規則和平滑，并盡可能減少開分支孔。本文鉆孔設計終孔孔深480 m，開孔傾角5°,方位角110°，孔深約306 m后鉆孔軌跡由上向變為水平，孔深約438 m后鉆孔軌跡由水平變為下向，見圖1，圖2.

圖1 取芯鉆孔設計軌跡剖面圖

圖2 取芯鉆孔設計軌跡平面圖

3 長距離密閉取芯裝置結構與工藝流程

長距離密閉取芯裝置采用模塊化設計、三筒單動結構，解體性好、便于拆卸和維護，與各種鉆機、鉆具、泥漿泵、瓦斯解吸儀等設備的配套和銜接十分方便，裝置(含鉆頭)全長約1 300 mm，外筒最大d89 mm，取芯過程操作簡單，可實現完整、快速地提取高質量的煤芯樣品。裝置主要由取芯鉆頭、外筒、液壓推動筒、取芯內筒、雙筒單動軸承等組成。

其工作原理為當取芯內筒收集煤樣完成后，取掉水尾，在孔外鉆桿處投入橡膠球，再接上水尾，接上泥漿泵，泥漿泵加壓將橡膠球送至裝置的球座處，使得該處的導水孔被堵塞，從而在水壓的作用下，動力銷釘斷裂并迫使推動軸承向前運動，移動過程中，轉動取芯內筒的球閥和解吸閥，使煤芯密閉在取芯筒內。

利用長距離密閉取芯裝置進行密閉取芯的工作流程為：首先利用定向鉆機進行鉆孔施工，至設計深度后，退出孔內所有鉆具，然后送入取芯器至孔底，此時再進行取芯鉆進。當鉆進結束，拆掉水尾進行投球操作，在泵注加壓的作用下，煤芯被剪斷，從而閥門關閉，之后就可以退出取芯器并取出內筒，進行后續操作。

4 長距離密閉取芯情況

定向長鉆孔施工至設計取芯深度，退出孔內所有鉆具，即可進行密閉取芯作業，最終共獲取密閉樣品11個，取樣孔深分別為30 m、60 m、90 m、120 m、180 m、240 m、270 m、300 m、330 m、360 m、510 m.

實驗室粉碎前，進行了煤芯樣品的拍照。部分煤樣見圖3，由圖3可看出，密閉取芯樣品均為鉆孔實體煤，煤芯形狀以短柱狀、圓片狀和塊狀為主，部分樣品呈較好的圓柱狀，質量滿足井下瓦斯含量測試要求。

圖3 部分取樣樣品圖

密閉取芯樣品均進行了瓦斯含量測定，測定結果見表1.這些數據為井下煤巷條帶預抽區域抽采效果考察提供了數據支撐，保障了井下巷道安全、快速掘進。

表1 取芯煤樣煤層瓦斯含量樣品測定結果統計表

5 存在問題及解決措施

為確保現場工程試驗順利進行，嚴格按照實施方案執行，現場隨時跟蹤和反饋信息，針對現場遇到的問題及時提出解決方案。在試驗中，主要存在剪切球閥未關閉及取芯鉆頭磨損嚴重兩種異常現象。

其中，剪切球閥未關閉現象主要出現在孔深30 m和90 m處，孔深30 m處在取芯鉆進結束后，投入封堵球并開啟高壓泵，壓力出現驟然變化，判定卸壓，退出密閉取芯裝置并拆解后發現，封堵球陷入球座水路導致提前卸壓，動力銷釘未剪斷，無法完成推動筒下行和球閥關閉動作?？咨?0 m處，煤芯未密封主要是因為取芯鉆桿內通徑不均，部分鉆桿公錐型扣內通徑無法滿足封堵球順利通過，導致泵壓上升但動力銷釘無法剪斷。針對上述問題，重新設計加工了投球球座(縮小水眼直徑)，將d73 mm取芯鉆桿更換為d89 mm內通孔鉆桿，解決了剪切球閥未關閉問題。

取芯鉆頭磨損嚴重主要是由于密閉取芯裝置內環空間隙和過流面積較小，導致取芯鉆孔出水量不足，鉆孔無法及時冷卻，鉆進摩擦過熱導致取芯鉆孔磨損和燒鉆，采取優化密閉取芯裝置內部結構、內筒球閥端兩側開切導水槽等措施解決。

6 結 論

將密閉取芯裝置與定向鉆機結合使用，充分利用了定向鉆孔軌跡實時測控和長距離鉆進的優點及保壓密閉取樣裝置耐壓密封的特性，既提高了井下近水平煤樣的采取深度，又可精確控制采樣精度，實現了單孔多次定點取樣。