反循环取样钻头对不同硬度煤体的切削试验

张 睿

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

由GB/T 23250—2009“煤层瓦斯含量井下直接测定方法”可知，煤层井下取样是瓦斯含量井下直接测定的首要环节[1]。不同取样方式及煤层硬度条件决定了所取煤样的粒度特征各不相同。研究表明，煤样粒度对瓦斯解吸扩散规律存在影响[2-3]，且存在一个极限粒度，范围为 0.5～6 mm[4]，在小于极限粒度范围内，瓦斯解吸强度、衰减系数随着煤样粒度的增大而减小，而大于极限粒度时，瓦斯解吸强度、衰减系数随着煤样粒度的增大而减小的趋势不再明显。因此，为减少取样环节中煤样颗粒的瓦斯损失量，进而提高瓦斯含量测定结果的准确性，应在取样时尽量选取超过极限粒度范围的煤样颗粒。目前，井下反循环定点取样技术因其符合瓦斯含量井下直接测定标准中5 min内定点取样的要求，在国内煤矿得到广泛应用。但因该工艺钻取煤样均为颗粒状，为满足用于瓦斯含量直接测定的大颗粒煤样的质量要求，因此进行取样钻头对不同硬度煤体的切削粒度试验考察具有重要意义。

1 反循环取样钻头结构

按照钻齿的排列形式，常用的矿山深孔钻头一般有三翼（或四翼）的内凹式钻头及三翼的锥式钻头。前者钻齿切削孔底呈一内凹面，适合于岩体较硬、保直性较高的钻孔；后者钻齿切削孔底呈一凸出锥形面，适合于对钻屑破坏程度要求高、钻进速度要求快的钻孔，但受钻头前方岩体硬度分布不均的影响，钻孔保直性较差[5-6]。根据井下反循环定点取样技术的要求，所取煤样应为钻头前方新鲜剥落的煤样颗粒，因此，在以上2类成熟钻齿结构钻头的基础上，设计了内嵌环形喷射器且钻头胚体前端开设有与喷射器贯通取样口的内凹式和锥式取样钻头[7-9]，钻齿材质均采用复合片金刚石，反循环取样钻头结构形式如图1。为了防止进入取样口的钻屑颗粒过大从而堵塞钻头内部通道无法实现取样，在内凹式钻头前部取样口处焊接小号钻齿，覆盖圆形入口约1/4面积，从而在钻头转动切削煤岩壁时，进入不规则圆形入口的钻屑粒径始终小于规则圆形的面积，锥式钻头采用以圆形入口为中心的放射密集型钻齿布局方式，钻齿覆盖在取样口前方，可使钻屑首先经钻齿充分粉碎后进入取样口。

图1 反循环取样钻头结构形式

2 考察方案

1）在煤矿井下采煤工作面使用取样钻头进行本煤层长钻孔施工，严格控制钻进速度为1 m/min，在相同钻孔深度位置分别采用反循环定点和孔口排渣2种取样工艺各接取钻进段全煤样4 kg，沿钻孔深度共采集若干个位置处的2种煤样。

2）将各取样点处的2种煤样均进行煤的坚固性系数f值测定，对比不同取样工艺所取煤样f值的差异。

3）在实验室使用振动筛将各取样点采取的2种全煤样筛分为≤1、1<～2、2<～3、3<～4、4<～5、5<～6、6<～7、＞7 mm的8种粒度的样品，并对每种粒度的样品进行称重。

4）统计分析煤样粒径分布与煤的坚固性系数f值、取样深度之间的关系。

3 取样工艺对取样点煤样f值测定结果的影响

选取贵州水城矿业那罗寨煤矿7号煤层、大河边煤矿7号煤层，兖矿集团贵州能化小屯煤矿6中煤层，国投新集二矿1号煤层，昔阳坪上煤业15号煤层，山西天地王坡煤业3号煤层作为现场试验煤层，均采用φ95 mm取样钻头（内凹式和锥式）、φ73 mm双壁螺旋钻杆进行取样。在每个试验煤层均布置2个顺层钻孔，分别采用内凹式和锥式反循环取样钻头钻进，钻孔间距2 m，倾角和方位角均相同，每个钻孔在同一深度时分别采用反循环定点和孔口排渣取样工艺同时取样，在实验室测定同一深度所取煤样的f值，以那罗寨和大河边煤矿为例分析，那罗寨和大河边煤矿7号煤层不同取样深度f值见表1。

表1 那罗寨和大河边煤矿7号煤层不同取样深度f值

分析表1中数据可以得到以下结论：

1）采用反循环定点取样装置进行取样，同一钻孔由浅到深的钻进过程中f值的变化较大，而同一深度情况下孔口排渣取样所测的f值则较为接近，分析可能的原因是煤层煤质分布不均匀，不同区域的煤体硬度存在差别，反循环定点取样所取煤样的f值为钻头切削位置煤层区域的实际f值，而孔口排渣取样所测的f值为孔底钻屑与孔壁残粉混合煤样的平均f值。

2）受f值测定工艺的影响[10]，实验室测定孔口排渣所取样品的f值时，需要将较细的煤粉筛除，而孔底钻屑经过钻杆与孔壁之间的研磨后已变为粒径较小的粉状，因此采用落锤法测定f值所选取的煤样已经将大部分孔底煤样筛除，更多的是来自靠近孔口的还未被完全碾碎的孔壁煤样，随着钻孔深度的增加，测定f值时选取的煤样中实际来自孔底的煤样所占比重越低。表1中表现出当取样深度在20 m时，2种取样工艺取样所测的f值相近，说明此时孔口排渣取样受孔壁残粉影响较小，可等同孔底煤样，而随着钻孔深度增加，反循环定点取样所测f值呈现煤体局部特性，而孔口排渣取样所测f值呈现为孔口煤样代表性。其余试验煤层均符合上述规律，由此可说明在巷道走向煤壁上相邻较近的煤层硬度变化较小，但在煤体内部纵深方向变化较大，通过反循环定点取样测定f值可揭示此现象。

4 不同取样深度所取煤样粒径分布

由于反循环定点取样所测f值更能真实的反映出取样点位置煤层的硬度，因此，在实验室将每个反循环定点取样深度所取的全煤样进行筛分，考察在不同硬度的煤层中采用2种钻齿结构形式的钻头时，不同深度钻屑的粒径分布规律。实验室测得现场采用反循环取样工艺取得样品的f值区间分别为：那罗寨煤矿0.23～0.44，大河边煤矿0.22～0.45，新集二矿0.59～0.62，小屯煤矿0.77～0.88，王坡煤矿0.87～0.91，坪上煤矿0.90～0.95。那罗寨、新集、小屯和坪上煤矿不同硬度煤体切削煤样的粒径分布见表2～表5。

表2 那罗寨不同结构取样钻头对不同硬度煤体的切削粒径分布

表3 新集二矿不同结构取样钻头对不同硬度煤体的切削粒径分布

表4 小屯煤矿不同结构取样钻头对不同硬度煤体的切削粒径分布

表5 坪上煤矿不同结构取样钻头对不同硬度煤体的切削粒径分布

分析数据得出以下结论：

1）取样样品中，小颗粒煤屑（≤1 mm）所占质量百分比最大，且煤层f值越小，占比越大，这一规律不受取样钻头钻齿结构类型和取样深度的影响。

2）取样粒径的分布规律与取样深度无关，即在同一钻孔、同一取样钻头、同一煤层f值范围时，不同取样深度的煤样粒径分布规律近似相同，如那罗寨煤矿，无论是采用内凹式钻头还是锥式钻头，其各自取样钻孔中 20、30、40、50、60 m 处的煤样粒径质量占比并未因取样深度的不同而发生较大变化。

3）取样粒径的分布规律与取样钻头钻齿结构类型相关。对于使用相同类型取样钻头钻取不同f值的煤层时，煤样粒径的分布规律大致相同，如那罗寨煤矿，使用内凹式取样钻头时，不同粒径的煤样质量分数随粒径的减小表现出先减小后增大的规律，而使用锥式取样钻头时，不同粒径的煤样质量分数随粒径的减小表现为单调增大的规律，即使试验煤层的f值不同，但上述规律并未受f值的影响。

4）对于不同钻齿结构的钻头来说，内凹式取样钻头钻取大颗粒煤屑（＞7 mm）显著多于锥式钻头，而且煤层f值越大，大颗粒钻屑所占质量分数越大。

5 结语

采用井下反循环定点取样工艺对不同硬度的煤层进行了现场取样试验，试验结果表明：反循环定点取样工艺可取得钻头前方煤体样品，且不受孔壁残粉的影响，以此煤样进行煤的坚固性系数f值的测定可真实反映取样位置处煤层硬度情况，通过该取样工艺可为探索煤体内部硬度分布提供一种新的思路。同时，对比了内凹式和锥式2种反循环取样钻头对不同硬度煤体的切削粒度分布情况，结果表明：反循环取样工艺所取煤样的粒径分布规律与取样深度无关，但与取样钻头钻齿的结构相关；针对不同f值的煤层，同一种取样钻头钻取的不同粒径的煤样质量分数稍有差异，但粒径的分布规律大致相同。为了使煤层瓦斯含量井下直接测定中取样环节瓦斯损失量更小，宜选取超出极限粒度范围的煤样颗粒，根据2种取样钻头钻取4 kg煤样中粒径＞6 mm的质量占比，内凹式钻头所取6 mm以上粒径的煤样质量均在400 g以上，满足瓦斯含量井下直接测定的煤样质量要求。因此，将反循环取样工艺用于瓦斯含量测定时，宜选取内凹式取样钻头；而用于煤体内部f值的测定时，2种钻头均适用。