井下煤层长距离定点密闭取芯工程试验

崔树军

(山西晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部，山西 晋城 048006)

定向钻机施工长钻孔因具有定向钻进及钻孔轨迹可精准控制的技术特点，在煤矿瓦斯抽采中得到了广泛应用。晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿推广使用了定向长钻孔区域瓦斯抽采技术，并采用瓦斯含量指标评价区域瓦斯抽采效果。但常规采样测定瓦斯含量技术已不能满足煤层瓦斯超前精准探测和区域瓦斯抽采效果评价的需要，其存在评价范围小、取芯煤样暴露时间长损失量大、检验点轨迹偏差大、交叉作业存在安全隐患、施工效率低等问题，严重制约了矿井安全高效掘进。

景兴鹏[1]、贵宏伟[2]等研制的煤层密闭取芯测定装置可以有效地将煤芯密闭在取芯装置内，避免了因煤芯破碎、暴露时间长导致瓦斯逸散量大的问题。借鉴其研究成果，试验将密闭取芯装置与定向钻机结合使用，弥补常规采样不足，提升取芯瓦斯含量测定技术在定向长钻孔中的应用优势。

1 试验区地质概况

试验区工作面地质情况较简单，西低东高，最大倾角可达16°左右。工作面回采3号煤，煤层厚度为5.30～5.95 m，平均为5.38 m，煤层倾角为4°～16°，平均倾角7°；煤层以亮煤为主，暗煤次之，半亮型，煤层结构简单，普氏硬度1～2.煤层基本顶为细粒砂岩，平均厚度6.23 m，厚层状，岩芯完整，局部夹砂质泥岩，分选性、磨圆度一般，普氏硬度2～4、抗压强度20～40 MPa、抗剪强度2.58～4.59 MPa.直接顶为粉砂质泥岩，厚度3.45 m，灰黑色，中厚层状，岩芯完整，含植物化石，普氏硬度1～3.78、抗压强度10～37.8 MPa、抗剪强度1～2.45 MPa.伪顶为炭质泥岩，平均厚度0.69 m，灰黑色，含植物化石，随采掘脱落，普氏硬度0.5～1、抗压强度10 MPa、抗剪强度0.5～1.0 MPa.直接底为粉砂岩，1.30 m，灰色，柱状，夹薄层砂质泥岩，普氏硬度1～4.57、抗压强度10～45.7 MPa、抗剪强度1～3.6 MPa.基本底为细粒砂岩，平均厚度2.08 m，浅灰色，薄层状，以石英为主，含云母,以波状层理为主，含少量的不完整植物化石，普氏硬度1～4.5、抗压强度10～45 MPa、抗剪强度1～3.62 MPa.

2 定向长钻孔参数设计

定向长钻孔施工是长距离煤层密闭取芯瓦斯含量测定的基础。为了能顺利完成密闭取芯装置的输送和回收，要求选择煤层地质条件较好、钻孔不易缩径和塌孔的区域，此外，要求钻孔施工过程要保证钻孔孔壁的规则和平滑，并尽可能减少开分支孔。本文钻孔设计终孔孔深480 m，开孔倾角5°,方位角110°，孔深约306 m后钻孔轨迹由上向变为水平，孔深约438 m后钻孔轨迹由水平变为下向，见图1，图2.

图1 取芯钻孔设计轨迹剖面图

图2 取芯钻孔设计轨迹平面图

3 长距离密闭取芯装置结构与工艺流程

长距离密闭取芯装置采用模块化设计、三筒单动结构，解体性好、便于拆卸和维护，与各种钻机、钻具、泥浆泵、瓦斯解吸仪等设备的配套和衔接十分方便，装置(含钻头)全长约1 300 mm，外筒最大d89 mm，取芯过程操作简单，可实现完整、快速地提取高质量的煤芯样品。装置主要由取芯钻头、外筒、液压推动筒、取芯内筒、双筒单动轴承等组成。

其工作原理为当取芯内筒收集煤样完成后，取掉水尾，在孔外钻杆处投入橡胶球，再接上水尾，接上泥浆泵，泥浆泵加压将橡胶球送至装置的球座处，使得该处的导水孔被堵塞，从而在水压的作用下，动力销钉断裂并迫使推动轴承向前运动，移动过程中，转动取芯内筒的球阀和解吸阀，使煤芯密闭在取芯筒内。

利用长距离密闭取芯装置进行密闭取芯的工作流程为：首先利用定向钻机进行钻孔施工，至设计深度后，退出孔内所有钻具，然后送入取芯器至孔底，此时再进行取芯钻进。当钻进结束，拆掉水尾进行投球操作，在泵注加压的作用下，煤芯被剪断，从而阀门关闭，之后就可以退出取芯器并取出内筒，进行后续操作。

4 长距离密闭取芯情况

定向长钻孔施工至设计取芯深度，退出孔内所有钻具，即可进行密闭取芯作业，最终共获取密闭样品11个，取样孔深分别为30 m、60 m、90 m、120 m、180 m、240 m、270 m、300 m、330 m、360 m、510 m.

实验室粉碎前，进行了煤芯样品的拍照。部分煤样见图3，由图3可看出，密闭取芯样品均为钻孔实体煤，煤芯形状以短柱状、圆片状和块状为主，部分样品呈较好的圆柱状，质量满足井下瓦斯含量测试要求。

图3 部分取样样品图

密闭取芯样品均进行了瓦斯含量测定，测定结果见表1.这些数据为井下煤巷条带预抽区域抽采效果考察提供了数据支撑，保障了井下巷道安全、快速掘进。

表1 取芯煤样煤层瓦斯含量样品测定结果统计表

5 存在问题及解决措施

为确保现场工程试验顺利进行，严格按照实施方案执行，现场随时跟踪和反馈信息，针对现场遇到的问题及时提出解决方案。在试验中，主要存在剪切球阀未关闭及取芯钻头磨损严重两种异常现象。

其中，剪切球阀未关闭现象主要出现在孔深30 m和90 m处，孔深30 m处在取芯钻进结束后，投入封堵球并开启高压泵，压力出现骤然变化，判定卸压，退出密闭取芯装置并拆解后发现，封堵球陷入球座水路导致提前卸压，动力销钉未剪断，无法完成推动筒下行和球阀关闭动作。孔深90 m处，煤芯未密封主要是因为取芯钻杆内通径不均，部分钻杆公锥型扣内通径无法满足封堵球顺利通过，导致泵压上升但动力销钉无法剪断。针对上述问题，重新设计加工了投球球座(缩小水眼直径)，将d73 mm取芯钻杆更换为d89 mm内通孔钻杆，解决了剪切球阀未关闭问题。

取芯钻头磨损严重主要是由于密闭取芯装置内环空间隙和过流面积较小，导致取芯钻孔出水量不足，钻孔无法及时冷却，钻进摩擦过热导致取芯钻孔磨损和烧钻，采取优化密闭取芯装置内部结构、内筒球阀端两侧开切导水槽等措施解决。

6 结 论

将密闭取芯装置与定向钻机结合使用，充分利用了定向钻孔轨迹实时测控和长距离钻进的优点及保压密闭取样装置耐压密封的特性，既提高了井下近水平煤样的采取深度，又可精确控制采样精度，实现了单孔多次定点取样。