气水可切换式深孔定点快速取样装置在西马煤矿的应用

黄 鹤，袁勇猛，张东旭

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.平顶山天安煤业股份有限公司 六矿，河南 平顶山 467000）

煤层瓦斯含量是突出危险性区域预测、区域防突措施效果检验和煤矿瓦斯危险程度评价的主要指标，同时也是煤层气资源勘探开发不可或缺的基础参数，瓦斯含量测值的准确性不但制约矿井瓦斯危险程度预测的可靠性，而且影响以瓦斯危险程度预测为依据而制定的瓦斯防治措施的有效性，甚至可能危及矿井安全生产[1-2]。而目前在瓦斯含量测定时大部分矿井采用钻屑法取样，操作简单但易混样，无法保证煤样的纯净，其测定结果的可靠性难以保证[3-4]。2019年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》中明确要求用直接法测定瓦斯含量时应当实现定点取样，由此可见能够快速精准采集煤样是今后煤矿在进行瓦斯含量测定时的前提条件，也是煤矿进行突出危险行预测时必不可少的技术与装备。目前我国煤矿执行GB/T 23250—2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法国家标准要求定点取样的煤样暴露时间不大于5 min，采用煤心采集器取样，取心过程主要存在取样时间长、煤心温度高、瓦斯耗散速度快等问题，造成煤心损失瓦斯量计算误差随钻孔取心深度和取心时间的增加而加大，瓦斯含量测值可靠性难以满足生产要求[5-9]。基于此，研发了气水可切换式深孔定点快速取样装置，通过设计单、双通道短接实现双通道取样龙头的进风通道的手动控制，实现同一个取样龙头既能通过水力排渣打钻，又能通过接入压风实现取样。

1 气水可切换式深孔定点快速取样装置

1.1 取样钻头

取样钻头四翼为无芯刚体钻头，钻头顶面外缘布置出风斜孔，顶面中间布置进风口，压风气流沿钻杆外管到达钻头出风斜孔，从进风口携带煤屑返出。该取样钻头分3翼和4翼，3翼钻头每个刀翼镶2个金刚石复合片，中间镶1个金刚石复合片；4翼钻头每个刀翼镶1个金刚石复合片，中间镶3个金刚石复合片。钻头内管和钻杆内管采用插接密封环密封，钻头内管设置引射斜孔使钻头顶端至引射斜孔范围形成负压环境，对煤屑产生抽吸作用。

1.2 取样钻杆

取样钻杆分内外2个壁。外壁的作用是承受钻机动力头转动并连接钻头，实现钻进动力持续传递，推动钻头前进，是钻进的受力载体，同时支撑钻孔；内壁的作用是将外管内部空间隔离为2部分，一部分为内管空间，该空间为排渣和取样的通道，另一部分为外管和内管的环形空间，该空间是水力排渣及压风取样时进水和进风的主要通道[10]。同时内管设计2个引射孔，取样过程中有利于反循环的形成，提高取样效率。取样钻杆设计图如图1。

1.3 气水可切换式取样气水龙头

气水可切换式取样气水龙头包括心管、外管、取样接头、流体输入组件和短接接头等，其中外管套装在心管的外部，外管的尾部和心管外环面固定密封连接，短接接头可拆卸的安装在心管的前端，取样接头安装在心管的后端，外管的内环面和心管的外环面以及短接接头的外环面之间形成环形空间，外管上具有通道，流体输入组件安装在外管上，且流体输入组件内部输送管路通过外管上的通道与环形空间连通，短接接头为单通道短接或双通道短接。气水可切换式取样气水龙头设计图如图2。

图2 气水可切换式取样气水龙头设计结构图Fig.2 Design structure drawing of air water swappable sampling air faucet

2 快速取样装置的取样工艺

气水可切换式深孔定点快速取样装置采用气流反循环原理，气水可切换式深孔定点快速取样装置结构图如图3，取样原理图如图4。

图3 气水可切换式深孔定点取样装置结构图Fig.3 Structure diagram of gas-water switchable deep hole fixed-point sampling device

图4 取样装置取样原理图Fig.4 Sampling schematic diagram of sampling device

介质通过可切换式单、双通道水变从取样钻杆外管输入，气体介质到达取样钻孔顶端后，携带煤屑从取样钻杆内管向外排出，避免孔壁脱落煤屑与其混杂，保证取样过程煤样纯净性。

钻机正常钻进状态时，双通道短接与心管采用插接连接，双通道短接留有进水孔，打钻过程中能够实现环形空间和内管空间同时进风水，同时尾端留有插槽与O型圈插接后密封连接，将外管和进气接头或水接头座分别与轴承进行焊接，接头与取样钻杆丝扣连接处安装O型密封圈，2个轴承之间安装2个斯特封，进气接头或水接头焊接在进气座或水接头座上，扣压管体与进气座或水接头座通过安装螺栓进行密封连接。

取样状态时，单通道短接尾端装有O型圈与心管插接后密封，取样过程中能够实现环形空间单独进风，内管空间回风。涡轮促排装置利用涡轮增压原理是当达到启动风压时涡轮叶片旋转加大风流排除速度，促进煤粉随风流排出，滤网阻止粒度较大煤粉随风流通过涡轮促排装置排出，有利于煤粉进入煤样收集装置，收集器底部留有排气口，排气口上装有加密铁纱网，可以将大部分细小煤粉过滤在收集器内部，完成取样。

3 反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试

该模拟装置由真空脱气系统、恒温控制系统、高压瓦斯注气系统、超常压恒温解吸系统、煤样温度监测系统、数据采集系统6大系统构成。实验测试原理为：变压罐中预充入氮气模拟反循环取样钻孔孔底环境压力，然后通过电动小流量调节阀自动调控阀门开度，缓慢释放氮气，变压罐内的气压逐渐降至大气压，该过程模拟钻孔孔底至孔口沿程的环境压力变化规律。氮气释放时间长短代表反循环取样钻孔深度，改变氮气释放速度可模拟测试反循环取样不同深度的煤屑瓦斯解吸规律。

实验模拟了传统麻花钻杆取样工艺和反循环压风取样工艺，取样风压0 MPa代表钻孔内部无外加气流，煤屑处于常压环境，与传统麻花钻杆取样所形成的环境类同。超常压环境通过变压罐中N2压力和N2释放速度实现，当取样风压N2大于0 MPa时，取样风压越大，煤屑运移速度越快，取样时间越短。本次反循环压风取样模拟实验设定的N2压力为0.5 MPa和0.8 MPa，实验煤样均在相同瓦斯吸附平衡压力下进行。不同风压取样过程煤屑瓦斯解吸规律如图5。

图5 不同风压取样过程煤屑瓦斯解吸规律Fig.5 Desorption law of coal dust gas in sampling process with different wind pressures

由图5可知，实验模拟了西马煤矿3#、7-2#、12#、13#煤层分别采用传统麻花钻杆取样和反循环压风取样工艺，在此基础上测试了2种取样工艺取样过程中煤屑瓦斯解吸规律。传统麻花钻杆取样依靠螺纹排屑，钻孔内部气压为大气压环境。实验测试4种煤样在常压环境的瓦斯解吸规律相同，均随着时间延长，瓦斯累计解吸量逐渐增大，而增长速度呈单调递减趋势，取样时间越短，瓦斯损失量越小。

实验结果表明，传统麻花钻杆取样工艺还是反循环压风取样工艺，取样过程中煤屑瓦斯解吸量均随时间的延长而增加，唯有缩短取样时间才能降低损失量。反观反循环压风取样工艺能在取样钻孔内形成超常压环境，抑制煤屑瓦斯解吸，减缓瓦斯解吸速度，减少取样过程中的瓦斯损失量，有利于煤层瓦斯含量的直接测定。

4 现场应用情况

根据西马矿生产及巷道掘进情况，本次应用地点选择在12#煤北二采区1216回风巷进行施工，4个测点施工4个钻孔测定12#煤层瓦斯含量。1216回风巷为新掘巷道，本区域内12#煤为中厚煤层，是矿井主采煤层，全井田发育，仅有个别点不可采，分析均为后期构造所致，煤层结构为复合煤层，煤层上煤1.29～2.03 m。测定地点确定后将气水可切换式深孔定点快速取样装置运到井下指定位置，本次打钻使用的是SGZ-ⅢA型钻机，能够夹持φ73 mm取样钻杆，其能力能够满足测压钻孔长度的要求，钻头直径95 mm。

井下直接测定煤层瓦斯含量的准确性和效率取决于井下取样技术和瓦斯含量测试方法。通过试验测试，分别从取样效果和瓦斯含量测定结果2方面评价传统工艺和新工艺。取样结果评价指标对比见表1，瓦斯含量测定结果对比见表2。

表1 取样结果评价指标对比Table 1 Comparison of evaluation indexes of sampling results

表2 瓦斯含量测定结果对比Table 2 Comparison of gas content determination results

由表1可以看出，随着取样深度增加，普通钻杆孔口接粉取样工艺取样深度超过70 m时取样时间已将超过5 min，且定点取样率均没有达到100%，定点取样率随着取样深度的增加而降低。相比之下定点快速取样装置压风取样工艺取样时间均没有超过2 min，定点取样率均为100%。

从瓦斯测定结果来看，随着取样深度的增加瓦斯含量测定结果均成上升趋势，这主要去取决于随着取样深度的增加煤层瓦斯排放强度降低，相比之下定点快速取样装置压风取样工艺瓦斯含量测试结果增长幅度较大，且同一取样深度瓦斯含量测定值也较大，说明定点快速取样装置压风取样工艺取样时间短，且正压条件下不利于瓦斯解吸，瓦斯损失量较小，瓦斯含量测定结果较大。现场取样效果图如图6。

图6 现场取样效果图Fig.6 Field sampling effect drawing

5 结 语

1）研发了气水可切换式深孔定点快速取样技术与装备，该装置通过设计单、双通道短接实现双通道取样龙头的进风通道的手动控制，实现同一个取样龙头既能通过水力排渣打钻，又能通过接入压风实现取样，克服了以往取样过程中需配备2个气水龙头的弊端，同时避免孔壁脱落煤屑与其混杂，保证了取样过程煤样纯净性。

2）气水可切换式深孔定点快速取样技术和普通钻杆孔口接粉取样工艺测定煤层瓦斯含量技术分别从定点快速取样时间、定点取样率、瓦斯含量测值准确率等考核技术指标进行了评价。结果表明：气水可切换式深孔定点快速取样技术工艺克服了普通钻杆孔口接粉取样缺陷，实现定点快速取样，提高了瓦斯含量测定准确性。

3）通过装置在西马煤矿的现场应用，有效解决了西马煤矿在瓦斯含量测定过程中岩心管取心法取样过程烦琐、取样时间长，孔口接粉方式取样受钻孔内残粉的影响，无法对取样位置做出准确标定，测值误差较大等问题。该技术与装备为提高煤层瓦斯含量测值准确率奠定了基础，为西马煤矿准确掌握各煤层瓦斯含量提供了技术支持和装备保障。