煤礦井下長鉆孔保壓取樣器研制與應用

摘要：針對煤礦井下長鉆孔取樣過程中存在的瓦斯損失量大、孔內條件復雜、煤樣鉆取率低等技術難點，設計了以高壓水為驅動力、以活塞為驅動裝置、以球閥為密封裝置的保壓取樣器。該取樣器通過鉆桿傳遞水壓的變化控制球閥的開啟和關閉，實現煤樣的高效鉆取和密封保壓。采用該取樣器分別進行了3 組常規鉆孔和18 組長鉆孔取樣試驗，最大取樣深度為297 m，取樣過程煤層暴露時間均控制在5 min 內，所取煤樣瓦斯含量測定結果表明：在同一工作面，采用保壓取樣器取樣比常規取樣方式取樣測試的煤層瓦斯含量大0.01～1.34 m3/t，且長鉆孔取樣深度對煤層瓦斯含量測試數值無明顯影響，表明保壓取樣器在取樣成功后具有良好的密封保壓性能，達到了煤礦井下長鉆孔取樣測試煤層瓦斯含量的目的。

關鍵詞：煤層瓦斯含量測定；長鉆孔取樣；保壓取樣器；球閥密封；活塞驅動

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A

0 引言

準確測定煤層原始瓦斯含量是精準開展區域防突措施設計、瓦斯治理效果評判、瓦斯涌出量預測的前提[1-5]。目前煤層瓦斯含量測定主要是采用孔口接粉取樣+井下直接解吸法，但該取樣方式混樣嚴重，無法實現定點取樣。煤心管取樣方法雖然可以實現定點取樣，但由于退鉆過程中瓦斯損失量較大，目前只適用于淺孔取樣[6-9]。

為解決上述問題，相關學者從取樣技術和瓦斯損失量推算等方面開展了大量研究。陳紹杰等[10]基于“正轉取樣，反轉密封”的思想，研制了密封取樣裝置，成功實現了密閉取樣。朱家鋅[11]根據瓦斯在低溫狀態下逸散低的特點，研制了冰凍密閉保壓瓦斯含量測定取心器，為瓦斯含量測定取樣提供了新思路。龍威成等[12]研制了干式密閉取樣裝置，該裝置取樣過程中采用壓風進行排渣、鉆頭冷卻和封堵球輸送作業，以壓風和高壓水2 種動力驅動取樣裝置密閉，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]、鄭凱歌等[14]研制了用于地面井煤層氣含量測定的密閉取心器和密閉取心鉆頭，最大取樣深度超過700 m，提高了地面煤層氣井煤層含氣量的測試精度。上述研究一定程度上降低了井下煤層瓦斯含量測定取樣過程中的瓦斯損失量，但由于取樣器結構復雜、取樣過程繁瑣、技術要求高等問題，導致其應用門檻相對較高[15-18]。針對上述問題，本文研發了一種煤礦井下長鉆孔保壓取樣器，該裝置結構簡單、性能可靠，設計的球閥密封系統以水壓為驅動，可實現煤樣筒取樣前密閉、取樣時開啟、取樣后退鉆前再次密閉的動作，一定程度上解決了長鉆孔取樣煤層瓦斯含量測試結果不準確的問題。

1 井下長鉆孔取樣難點

井下長鉆孔取樣是指通過千米定向鉆機施工取樣鉆孔后，采用取樣器獲取煤樣。其優點是可以擴大井下煤樣采集的范圍，減少參數測試過程中因取樣需要而開展的巖巷掘進，大幅度降低井下瓦斯治理成本。但相對于常規鉆孔取樣，井下長鉆孔取樣具有以下難點：

1） 取樣后退鉆時間過長，瓦斯損失量大。完成煤樣鉆取工作后，需經過長時間的退鉆工作，煤樣暴露時間遠超過相關標準要求，在此期間煤樣瓦斯大量逸散，無法滿足瓦斯含量測試要求。

2） 孔內條件復雜，鉆孔內積水、積渣容易污染煤樣。目前井下長鉆孔多采用千米定向鉆機鉆進，鉆進期間孔內傾角起伏變化，孔內積水、積渣現象較為普遍，需防止在取樣器送至孔底的過程中或在取樣前剝離暴露煤層時誤取鉆孔內的積水、積渣及暴露時間過長的煤層，導致瓦斯含量測試結果不準確。

3） 鉆孔傾角小，煤樣鉆取率低。進行長鉆孔取樣時，由于軌跡設計需要，取樣角度往往較小，甚至部分情況為負角度，所以取樣時煤樣無法靠自重落入取樣器內，導致取樣率低，取樣量無法滿足相關標準要求。

2 煤礦井下長鉆孔保壓取樣器設計

2.1 總體結構設計

根據井下千米定向鉆孔施工所采用的鉆機、泵車、鉆桿、定向鉆孔的軌跡特點，以及GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》中的取樣要求，設計了煤礦井下長鉆孔保壓取樣器。取樣器外筒材質選用42CrMo 合金鋼，能夠適應孔內壓、扭、拉等機械載荷，保壓取樣器的主要技術參數見表1。

保壓取樣器主要包括取樣鉆頭、球閥密封系統、內筒、外筒、活塞驅動系統，如圖1 所示。剝離暴露煤樣時采用壓風排渣，壓風通過壓風閥、活塞內部、內外筒縫隙從鉆頭流出進行排渣、降溫工作。取樣作業時停止壓風，接入高壓水，水壓通過鉆桿向取樣器傳遞；活塞在高壓水的作用下向前滑動推動內筒筒體，同時壓縮復位彈簧；內筒筒體向前滑動的同時，筒體內部球閥通過兩端齒輪與外筒齒輪導向板的嚙合驅動球閥開啟，保持水壓順時針鉆進取樣；取樣鉆頭收集切削下的煤樣，煤樣從鉆頭中部煤樣通道經過球閥進入取樣器內筒；完成取樣工作后關閉泵車卸壓，復位彈簧驅動活塞和內筒筒體向后移動，球閥關閉。

2.2 活塞驅動系統

活塞驅動系統以通過密封鉆桿傳遞的水壓為動力，在復位彈簧的配合下實現軸向往復運動，進一步驅動球閥的開啟和關閉，其驅動參數主要包括彈簧回彈力和驅動水壓。

完成煤樣收集后，復位彈簧通過彈力驅動球閥旋轉，切斷煤心，完成密封。因此在忽略摩擦阻力的情況下，彈簧驅動齒輪所產生的扭矩應大于球閥切斷完整煤心所需的扭矩，即

F1r1 gt; F2r2 （1）

F2 = σc s （2）

式中：F1 為彈簧回彈力，N；r1 為齒輪半徑，m；F2 為剪斷煤柱所需的剪切力，N；r2 為球閥半徑，m；σc為煤心抗剪強度，Pa；s 為煤心截面積，m2。

煤巖在無軸向應力載荷的情況下，其抗剪強度一般不超過2.5 MPa。根據取樣器設計參數，齒輪半徑取20 mm，球閥半徑取22 mm，煤心直徑取36 mm。將參數代入式（1）、式（2）計算可得球閥在取樣期間所需的最小扭矩為116.73 N·m，對應的彈簧回彈力應不低于5 836 N。據此對復位彈簧進行選型，彈簧材質為AISI304，相關參數見表2。

根據設計參數，取樣前彈簧需被壓縮至88.6 mm才能將球閥完全打開，此時彈簧彈力為6 266 N，因此，高壓水對活塞導向桿的驅動力不應小于該值，活塞的設計直徑為61.5 mm，計算得到最低驅動水壓為2.12 MPa。

2.3 球閥密封系統

2.3.1 系統結構

球閥總成位于內筒前段，主要提供煤樣進入取樣內筒的通道，并在煤樣進入取樣內筒后對內筒進行密封。球閥總成主要由球閥閥體、固定閥座、活動閥座、空心推軸、驅動齒輪等構成，形成一個獨立且完整的可旋轉球閥結構，通過驅動齒輪的旋轉實現球閥開合，如圖2 所示。球閥執行開啟動作時，尾部的活塞驅動系統推動內筒整體向前產生軸向位移，驅動齒輪與外筒上的齒輪槽嚙合后產生旋轉，實現開啟動作；完成取樣后，關閉活塞驅動系統的水壓供給，活塞驅動系統內部復位彈簧驅動內筒整體向后產生軸向位移，使球閥關閉。

2.3.2 球閥密封性能分析

球閥密封的基本原理是通過不同方式阻止介質在閥體和閥座密封面上的滲漏。影響球閥密封性的因素主要有4 種：① 密封面的質量；② 流體介質的物理性質；③ 密封面上的比壓；④ 密封副的結構和尺寸。

1） 閥座受力分析。球閥密封力Q 是作用于密封面的沿介質流動方向的合力，其大小決定球閥的密封性、可靠性和使用壽命。閥座受力分析如圖3 所示，整體力學關系為[19-20]

Q = Qp +QT -Qf -QJ （3）

式中：Qp為由流體介質工作過程中對球座背面的推力；QT為閥座預緊力；Qf為閥座滑動摩擦力；QJ為流體靜壓力作用在密封面余隙上的力。

取樣器在井下環境工作，壓力較小，且閥座與其他結構無摩擦接觸，因此計算中可認為Qp和Qf為0。

2） 密封比壓計算。球閥的密封比壓分為許用比壓[q]、必需比壓qb、設計比壓q，三者關系應滿足qblt;qlt;[q]。其中許用比壓表示密封面單位面積上允許承受的最大壓力，其值由閥座密封材料決定。本裝置閥座材料為聚四氟乙烯，許用比壓為8.75 MPa[21]。必需比壓為滿足密封要求的最小比壓，其值與密封面的表面質量、尺寸、工作壓力和溫度相關，可通過經驗公式計算[22]：

式中： m為與流體性質有關的系數（對于常溫水，m=1；對于高溫液體和氣體，m=1.4）；a，c 為與密封材料相關的系數；P 為流體介質工作壓力，MPa；b 為密封面在垂直流體流動方向上的投影寬度，mm。

取樣器選用聚四氟乙烯作為密封材料，a 和c 分別取1.8 和0.9[23]，m 取1.4，b 取4 mm，經計算，取樣器球閥密封必需比壓為3.15 MPa。取樣器球閥設計比壓應滿足3.15 MPalt;qlt;8.75 MPa。

3） 閥座預緊力計算。根據式（3），閥座預緊力為

式中：DMW 為閥座密封面外徑，mm；DMN 為閥座密封面內徑，mm；Dm 為密封面平均直徑，mm。

根據取樣器球閥密封座設計尺寸，DMW 取44 mm，DMN 取36 mm，P 取值區間為0～3 MPa，經計算，取樣過程中QJ 的極限變化區間為0～1 503.15 N，球閥預緊力區間為3 085.15～4 396 N。為保證球閥結構的密封性能，同時防止球閥密封墊損壞，對球閥預緊力的要求相對苛刻，因此設置球閥預緊力時應進行嚴格、準確的測試與驗算。

2.4 取樣鉆頭

由于長鉆孔取樣時傾角較低，煤屑靠自重無法進入取樣器，所以取樣鉆頭應具備主動收集煤屑的功能。同時為避免送鉆和剝離暴露煤層時巖屑進入鉆頭內部，堵塞或污染新鮮煤樣，取樣鉆頭應具備開閉設計。據此設計了四翼內旋開閉式PDC 取樣鉆頭。送鉆和剝離暴露煤樣時輔助切削齒處于關閉狀態（圖2（a）、圖4（a）），以阻止巖屑進入鉆頭內部；取新鮮煤樣時，高壓水驅動活塞向前產生軸向運動，驅動球閥開啟的同時，空心推軸向前進入空心鉆頭內部，推動輔助切削齒處于開啟狀態（圖2（b）、圖4（b）），旋轉取樣時內旋式切削齒將新鮮煤樣向鉆頭中部推送，進而收集至取樣器內筒中。

3 取樣工藝流程及技術優勢

1） 定向鉆孔揭煤后，退出所有鉆桿，將取樣器連接鉆桿送入孔底。送鉆過程中密封球閥保持關閉，防止孔內積水、雜物進入取樣器內筒，影響瓦斯正常解吸。取樣器送至孔底后，保持球閥和輔助切削齒關閉狀態，旋轉鉆進0.5 m 剝離已暴露的煤樣。

2） 打開定向鉆機配套泵車，通過鉆桿向取樣器尾部驅動活塞施加水壓。水壓驅動活塞帶動取樣器內筒向前移動，移動過程中齒輪裝置與齒輪導向板嚙合，帶動球閥閥體打開，同時空心推軸推動輔助切削齒打開，保持水壓，向前鉆進。取樣鉆頭切削下的煤屑通過取樣鉆頭進入取樣器內筒，鉆進行程約為1 m。

3） 關閉水壓，此時取樣器內筒在復位彈簧的回彈力驅動下移動復位，復位過程中齒輪裝置帶動球閥閥體關閉，完成密封。

密閉取樣過程如圖5 所示。

保壓取樣器采用大通徑球閥對鉆取的煤樣進行密封，并根據球閥的密封理論，結合取樣條件對相關力學參數、密封材料進行計算、優選。在實際取樣過程中通過控制水壓變化和復位彈簧的彈力，實現取樣裝置在取樣前關閉球閥、取樣時開啟球閥、取樣后關閉球閥，確保所取煤樣為未受污染的新鮮煤樣，長鉆孔保壓取樣器與常規密閉取樣裝置技術對比見表3。

4 現場應用

為驗證長鉆孔保壓取樣器的井下應用效果，本文選取義煤集團云頂煤礦13030 工作面進行實際取樣。試驗工作面位于13 采區東翼，開采二1 煤層，二1煤層埋深+550～+580 m，平均埋深565 m，平均煤厚5.87 m，工作面外段寬210 m，內段寬385 m，呈“刀把”形。該工作面未布置底板巖石巷，開展區域預測工作時無法通過常規取樣方式取樣并測試煤層瓦斯含量，因此計劃在相鄰的13050 工作面機巷底抽巷采用定向長鉆孔配合保壓取樣器取樣，測試煤層瓦斯含量。

為確保瓦斯含量數據取樣測試的準確性，先在13050 工作面機巷底抽巷施工3 組短鉆孔，分別采用孔口接粉取樣和保壓取樣采樣，對比2 種取樣方式實測瓦斯含量值，驗證保壓取樣器的可靠性，然后進一步進行長鉆孔取樣應用。

4.1 取樣對比試驗

在13050 工作面機巷底抽巷施工取樣鉆孔，預計見煤孔深56.50～58.20 m，在鉆孔施工至見煤后采用孔口接粉進行常規取樣，記錄取樣深度，井下環境氣壓、溫度，煤樣暴露時間，煤樣開始解吸時間等。常規取樣完成后，退出鉆桿，將鉆桿連接保壓取樣器，通過鉆機推送至孔底，鉆進約1 m，將暴露煤樣剝離后打開水泵，升壓至8 MPa，調整鉆機轉速為120 r/min，進給速度為30～40 cm/min，開始取樣鉆進，鉆進距離超過90 cm 后停止鉆進，停泵卸壓，此過程為煤樣暴露時間。保壓取樣完成后退出鉆桿，卸下取樣器，用解吸氣嘴連接解吸儀，開始煤樣井下解吸量測定。瓦斯含量測定按照GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》進行，3 組煤樣的解吸數據見表4。

由表4 可看出，采用保壓取樣時，煤層瓦斯含量測定值比采用常規取樣時高0.01～1.34 m3/t，表明保壓取樣器成功鉆取煤樣后，在約30 min 的退鉆時間內瓦斯含量基本無損失，驗證了保壓取樣器密封的可靠性。

4.2 長鉆孔取樣工程應用

在13050 工作面機巷底抽巷和13050 工作面切抽巷采用ZDY?12000LD 定向鉆機施工長鉆孔取樣試驗孔，鉆孔在二1 煤底板巖層中延伸至指定位置后，上調角度，穿煤取樣。共施工定向鉆孔18 個，定向鉆進總進尺為4 365 m，采用保壓取樣器成功取出干煤樣18 個，取樣成功率為100%。現場取樣過程如圖6 所示，鉆孔施工軌跡如圖7 所示。

密閉取樣煤樣瓦斯含量測定參數見表5。可看出，長鉆孔保壓取樣器在深度接近297 m 處仍可成功取樣，取樣瓦斯含量測試結果與常規鉆孔密閉取樣測試結果一致，表明在長鉆孔取樣中保壓取樣器保壓效果良好，避免了退鉆過程中瓦斯逸散損失，提高了瓦斯含量測試結果準確性。

5 結論

1） 設計了以高壓水為動力、通過活塞驅動球閥開閉的保壓取樣器，通過控制水壓變化使取樣器在孔內執行一系列取樣動作，實現了長鉆孔保壓取煤樣，避免長鉆孔定點取樣時退鉆時間過長導致瓦斯損失量過大，滿足了煤層瓦斯含量測試取樣要求。

2） 常規鉆孔中，采用保壓取樣器與常規取樣方法進行對比測試，結果表明，采用保壓取樣器取樣比常規取樣方式取樣時測定的煤層瓦斯含量大0.01～1.34 m3/t，整體相差不大，表明保壓取樣器取樣后具有良好的密封保壓性能。

3） 長鉆孔取樣應用結果表明，保壓取樣器可實現超200 m 孔深定點保壓取樣，取樣過程煤層暴露時間均控制在5 min 以內；采用保壓取樣器取樣測定的瓦斯含量值隨取樣孔深變化無明顯變化，表明在長鉆孔取樣退鉆過程中瓦斯基本無漏失，保壓取樣器能夠實現長鉆孔取樣。但保壓取樣器的煤樣收集量偏低，在后續工作中需要對取樣器內筒容積和煤樣通道進行優化。

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基金項目：河南省重點研發專項資助項目（241111320700）；河南工程學院博士基金資助項目（Dkj2018020）。