井下煤层长距离定点密闭取心技术及应用研究

龙威成

（中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

0 引 言

我国煤矿瓦斯地质条件复杂，长期以来，瓦斯灾害严重威胁着煤矿安全生产，且随着矿井开采条件变化和开采工艺变革，瓦斯灾害的防治难度日益增大。煤层瓦斯含量是矿井瓦斯灾害预测与防治、瓦斯资源评价与开发的重要基础参数，对其测定时常规取心使用敞开式取心管。煤层瓦斯含量包括损失气量、解吸气量和残余气量，解吸气量和残余气量均可实测获得，损失气量只能通过煤心初期解吸规律推算获得，煤心暴露时间越长，损失气量估算越不准确。为了精准测定煤层瓦斯含量，众多科技工作者做了大量研究。张宏图等［1］基于负压使煤样进入钻杆内部进行煤样输送的原理，提出深孔快速取样系统，该系统具有煤样纯度高、系统结构简单、操作方便、取样时间短等优点；邹银辉等［2］研发钻孔引射取样工艺及装置，该方法能迅速从钻孔底部取出煤层新鲜样品；陈绍杰等［3］研发的钻机反转定点取样技术及装置，可保证煤样纯度并实现定点取样；任浩洋等［4］、王兆丰等［5］研究认为，温度降低能够抑制瓦斯解吸，促进煤心吸附瓦斯，减少瓦斯逸散，并据此提出低温冷冻取心方法；为快速测定煤层瓦斯含量，安丰华等［6］提出利用解吸率初期具有一致性的特点确定煤层瓦斯含量，该方法无需选用解吸模型，减少残存瓦斯含量测试过程；隆清明［7］发明了多级喷射助力水尾，完善深孔定点快速取样技术，实现了2 min内快速定点取样，并提出煤层瓦斯含量间接快速测定方法；张帅等［8］基于实验室瓦斯解吸试验，提出一种基于钻屑瓦斯解吸规律的瓦斯含量快速测定方法；刘贺［9］研究认为，以2 min为参考暴露时间，进行损失量推算时能提高煤层瓦斯含量测定的准确度。上述研究成果较好地解决了孔口接样取心煤样不纯和不定点、钻孔岩心管取心时间长等问题，一定程度上提高了瓦斯含量测试准确度，但仍存在局限性［10-11］，其中敞开式取心瓦斯损失量估算不准的问题仍然无法解决。

为了尽可能减少煤心在装罐前的瓦斯逸散量，齐黎明等［12-13］开展了密闭液封堵条件下的煤心瓦斯解吸规律实验研究，密闭条件下的瓦斯解吸量呈现不同程度降低，并据此提出采用密封液封堵煤样的卸压密闭取样方式进行定点取样；林柏泉等［14］采用活塞密封取样通道，提出一种煤矿密封取样装置及其使用方法。石油及天然气水合物等领域较早提出了保压密闭取心技术，对于地面深孔取样起到了保形、保压作用，但技术要求和使用成本高，设备结构复杂庞大。由于煤层赋存较浅、储层压力较低、取心要求不高，在借鉴前人研究成果的基础上，笔者所在研究团队于2015年研发了基于球阀密封原理的煤层密闭取心技术，并在普通短钻孔中进行试验，试验结果表明，煤层密闭取心技术减少了损失气量估算环节，有效提高了煤层瓦斯含量测试精度［15］。近年来，在集中煤层定点密闭取心与定向钻探技术优势的基础上，将密闭取心瓦斯含量测定技术应用于定向长钻孔中，并在焦作、晋城等矿区进行试验［16-18］，取得了初步成效。煤矿井下煤层瓦斯含量测定技术正朝着智能化、多元化方向发展，加强理论研究，尽快完善装备，发展长距离、高精度的原位、保真测量技术是未来的主要研究方向［19-20］。现有煤层密闭取心装置仍存在体积和重量大，对取心条件要求高，与定向钻探设备不匹配等问题，应用受限。随着矿井钻探技术与装备的推广及矿井采掘效率的提高，长距离超前探测煤层瓦斯含量的需求越来越迫切。为此，本文研发适合于煤矿井下煤层长距离瓦斯含量测定的密闭取心装置及技术工艺，开展密闭取心测值可靠性验证和工程应用试验，以期为煤矿井下煤层钻孔精准定点、长距离瓦斯含量准确测定提供技术和装备支持。

1 井下煤层长距离定点密闭取心技 术及装置

1.1 煤层长距离密闭取心技术总体思路

煤层气（瓦斯）含量测定常用解吸法，即将瓦斯含量分为损失气量、解吸气量和残余气量分别进行测定。解吸气量和残余气量使用计量仪器准确测定，但损失气量无法实测，需据现场解吸速率估算获得。损失瓦斯量估算准确度的影响因素很多，煤心暴露时间是主控因素之一，煤心暴露时间越长，钻孔越深，损失气量估算越不准确。规避取心过程瓦斯损失量估算环节是提高瓦斯含量测试准确度的有效手段。在取心钻孔孔底原位密封煤心并防止瓦斯逸散可规避或减少损失气量估算环节，并使得瓦斯含量测值更接近真实值。基于此，采用反演思维逐步解决密闭取心过程的各个问题，以最终解决瓦斯含量测定准确度问题，问题分解与解决的思路如图1所示。由图1可知，如何在孔外远程控制孔底的煤心密封是技术的重点和难点，为此研发“三筒单动、孔底原位球阀密封、取心与解吸一体化”的密闭取心装置，借助泥浆泵的泵压，通过钻杆内通道，运用高压水作为驱动力，在取心装置收集煤样后远程控制迅速驱动取心容器（内筒）的球阀剪断煤心并关闭阀门，以保证煤心的钻割、退钻、自然解吸全程密闭，减少取心过程的损失气量估算环节，从而大幅提高煤层瓦斯含量测试的准确度。

图1 煤层长距离瓦斯含量测定问题分解与解决Fig.1 Decomposition and solution of long-distance gas content determination in coal seam

1.2 长距离定点密闭取心装置关键设计

长距离定点密闭取心装置为三筒单动结构，由取心外筒、取心内筒、推动筒、投球装置和液压推动总成等构件组成，具体结构见图2。钻取目标地点的煤层后密闭于取心内筒，防止煤心在提钻和解吸过程中逸散，最大限度减少直接测定瓦斯含量的煤心暴露时间，减少损失气量估算环节，从而提高瓦斯含量测试准确度。取心钻进时，取心外筒传递钻机动力，带动取心钻头钻取煤样，取心内筒收集煤样；打压关闭时，泥浆泵加压将封堵球送至投球装置的球座中，球座底部的导水孔被堵塞，液压缸产生推动力，剪断动力销钉并迫使推动总成向前运动，转动取心内筒的球阀和解吸阀，从而使煤心及其解吸的瓦斯密闭在取心筒内。为保证密闭取心装置实现深孔取心和孔内密闭煤心，采用可控式蓄能升压、联动关闭结构和三筒单动结构设计等关键设计技术。

1.2.1 可控式蓄能升压设计

钻取煤心时，由于取心内筒需要收集煤样，并顺利排出内部可能存在的钻井液，因此取心内筒两端保持敞开状态，取心结束要立即密封。如何在钻孔外控制钻孔孔底的取心内筒关闭是技术关键。采用可控式蓄能升压设计，即根据煤体坚硬程度估算煤心剪断力，通过选配相应的动力销钉产生相应的抗剪力；封堵球封闭水路后，持续注水使液压缸蓄能升压，当水压力大于动力销钉抗剪力时，动力销钉被切断，液压推动总成，在高压推动下下行，触发内筒球阀和解吸阀同时转动。

1.2.2 联动关闭结构设计

联动关闭是指取心内筒装样后，采用液压推动机构，实现剪切/关闭球阀与解吸阀的同时关闭。该设计既考虑了取心内筒在煤心钻取过程中顺利排液和收集煤心的需求，又保证了取心内筒在取心钻进结束后双端顺利密闭，同时也促进了取心内筒取心和解吸功能一体化。

联动关闭功能主要由液压推动头和推动筒实现，这两部分连接在一起，共同进退。在推动筒上剪切/关闭球阀旋钮和解吸阀旋钮对应位置分别增加卡件，卡件与上述旋钮接触良好，推动筒下行同时带动旋钮运动，实现取心内筒剪切/关闭球阀和解吸阀的联动。

1.2.3 三筒单动结构设计

取心内筒通过前端设计安装简易轴承，末端丝扣与投球装置连接并与上轴承相连，一并安装于液压总成内，实现取心钻进过程中取心内筒和推动筒不随外筒转动，取心钻杆带动取心装置外筒与钻头转动，从而避免煤心被旋转破坏，保持样品的完整性。

1.2.4 取心-解吸一体化设计

为了避免煤心在密闭取心装置与瓦斯罐之间移动造成瓦斯逸散，密闭取心装置内筒采用取心-解吸一体化设计，即密闭取心内筒在孔内完成取心装样并关闭，待装置退到孔外时，从装置中取出内筒即可直连解吸仪进行现场解吸测试。

1.3 长距离定点密闭取心装置及配套设备

1.3.1 长距离定点密闭取心装置

如图2所示，长距离定点密闭取心装置由悬挂总成、轴承组、取心外筒、推动筒、取心内筒、取心钻头、液压推动头、封堵球座等构件组成，其中取心内筒、推动筒、液压推动头、封堵球座等构件安装在密闭取心装置内部。密闭取心装置输送至钻孔内设计取心位置后，启动钻机开始回转钻进取心，期间泥浆泵输出的流体介质由钻杆内部进入密闭取心装置内，并通过投球球座、外筒与内筒的环空间隙，从取心钻头水孔流出，起到冷却钻头和驱排钻屑作用；取心钻头在旋转时钻齿切割破煤，钻头内孔正前方煤体因未受冲击破碎而形成柱状或块状煤心，煤心在挤压力（或煤心重力）条件下进入取心内筒空腔。

图2 长距离定点密闭取心装置结构Fig.2 Structural diagram of sealed coring device

该取心装置全长约1 300 mm，实物见图3，取心外筒最大直径仅89 mm，体积小、重量轻，保压能力可达11.5 MPa，适应于煤矿井下深孔长距离密闭取心瓦斯含量测定；配套使用直径98 mm的取心钻头，满足孔径98 mm及以上钻孔密闭取心需要。取心过程操作简单，可完整、快速地提取高质量煤心样品。

图3 长距离定点密闭取心装置实物外观Fig.3 Physical appearance drawing of coal seam sealed coring device

（1）取心外筒。如图3所示，取心外筒置于密闭取心装置的外部，一端与密闭取心钻头连接，另一端与取心钻杆相连，起到保护密闭取心装置内部结构、将钻杆扭矩传递至密闭取心钻头的作用，同时与液压推动总成配合形成液压密封缸。

（2）取心内筒。取心内筒是密闭取心装置的核心部件之一，采用取心-解吸一体化设计，起到了收集煤心和密封煤心、防止煤心瓦斯逸散、直连测试仪器的作用。取心内筒中部为储存煤心的空间，一端安装剪切关闭球阀，在煤心被挤压进入取心内筒后，剪切关闭球阀动作将煤心剪断并密封；取心内筒另一端安装解吸阀，便于在取心内筒取出后可直连瓦斯解吸仪器进行测量。此外，取心钻进时，由于煤心进入取心内筒形成挤压，取心内筒内的泥浆和气体等从解吸阀处被挤出，有利于提高煤心采取率。

（3）液压推动总成。液压推动头和推动筒是密闭取心装置在钻孔内原位密封煤心防止瓦斯逸散的动力产生和动力传递机构，液压推动头与取心外筒配合形成液压密封缸。装置采用可控式蓄能升压机构设计，连续的高压水进入液压密封缸形成蓄能升压，压力升高至剪切销钉的抗剪极限值时，剪切销钉被剪断，液压密封缸内活塞下行驱动推动筒，推动筒关闭取心内筒球阀并联动关闭解吸阀。

（4）上悬挂轴承。悬挂总成与轴承组位于取心装置与取心钻杆连接端，其与取心内筒组件相连，起到连接固定作用，与取心内筒组件入口端简易轴承配合，保证了密闭取心装置的三筒单动动作实现，有利于煤心进入内筒空腔和保持煤心完整性。

1.3.2 长距离定点密闭取心配套装备

采用煤层密闭取心技术进行瓦斯含量测定，前提是进行钻孔施工。煤矿井下煤层长距离定点密闭取心时，需要采用定向钻机实施长距离、定向钻孔，从而实现长距离定点探测煤层瓦斯赋存情况。因此，进行井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测定，除煤层密闭取心装置、密闭取心钻头外，仍需配套定向钻机、钻杆、泥浆泵、随钻测量系统等钻探装备，必要时配备实现远距离输送封堵球的通孔取心钻杆等。另外，密闭样品的瓦斯含量测定还需要配备现场解吸设备和实验室测定装备。

1.4 长距离定点密闭取心工艺

煤矿井下煤层长距离定点密闭取心既充分利用了定向孔钻孔轨迹实时测控和长距离钻进的优点，又保证了煤层密闭取心装置的保压、密封特性，从而提高了井下煤层瓦斯含量测定的采样深度和瓦斯含量测定精度，实现井下长距离、定点、精准瓦斯含量测定。长距离定点密闭取心工艺流程如图4所示。该工艺主要包括取心孔设计、取心套管（孔口）段和定向孔段施工、煤心密闭采取、取心内筒及煤心检查等环节。取心流程主要包括密闭取心装置及钻具配置、密闭取心装置组装、装置输送、取心钻进、投球封堵、泵注加压煤心密闭、装置回收及拆卸、取出取心内筒检查及现场解吸等环节。取心钻孔设计前，若取心区域煤层赋存等状况不清，应施工勘查孔了解煤层赋存等地质条件。取心内筒检查如发现漏气、煤心质量不满足测试要求等状况，应重新组装密闭取心装置，重复密闭取心步骤；取心内筒检查合格后则可直连解吸仪进行现场解吸，并判断该测点是否为最终测点，若非最终测点，则可送入钻具进行无心钻进至下一测点，之后重复密闭取心步骤。

图4 井下煤层长距离定点密闭取心工艺流程Fig.4 Long distance fixed point sealed coring technology for underground coal seam

2 工程应用

2.1 试验区地质概况

井下煤层长距离定点密闭取心工程试验选择在山西某矿一瓦斯抽放巷内，该区域主采3号煤层，总平均厚度5.72m，倾角5°～10°，结构为全煤，黑色，具似金属光泽，以亮煤为主，暗煤次之，半亮型，煤的坚固性系数为1.0～2.0。根据矿井和区域地质，以及巷道掘进揭露煤层赋存情况，绘制试验地点沿巷道掘进前方煤层预想剖面，如图5所示。由图5可知，钻场前方煤层厚度变化小，前方0～300 m煤层为上山，300～370 m煤层近水平，之后小角度下山，煤层标高最大处与钻场高差约25 m。

图5 瓦斯抽采巷钻场前方煤层预想剖面Fig.5 Prospective section of coal seam in front of drilling field of gas drainage roadway

2.2 长距离定点密闭取心可靠性验证

为了验证井下煤层长距离密闭取心装置及技术的可靠性，在试验矿井开展同一测点密闭取心和常规取心样品瓦斯含量测定对比试验，共布置5个瓦斯含量测点，每个测点均采用密闭和常规两种方式取样。试验地点选择在东区回风大巷（底板巷），考虑到深孔中采用常规取心进行瓦斯含量测定的结果可能偏差太大，基于测定条件对比需要和底板巷实际，在煤层底板的东区回风大巷布置1个定向长钻孔，其穿过岩层段进入3号煤层并在煤层中延伸，同时在东区回风大巷布置5个穿层常规短钻孔，短钻孔取样点位于定向长钻孔密闭取心取样点附近（视作同一测点），如图6所示。定向长钻孔密闭取心取样点孔深分别为150，200，300，350，400 m，取样点编号M1～M5，分别对应常规穿层钻孔的取样点编号C1～C5。对所采集的合格煤心样品均进行瓦斯含量测定，密闭取心样品瓦斯含量为7.03～7.42 m3/t，常规取心样品瓦斯含量测值为6.60～7.62 m3/t，如表1所示。就同一测点而言，密闭取心样品瓦斯含量约为常规取心样品测值的0.97～1.06倍。对比试验结果可知，井下煤层长距离定点密闭取心装置及技术用于深孔瓦斯含量测定是可靠的。

图6 煤层密闭取心与常规取心对比测定瓦斯含量测点布置示意Fig.6 Layout schematic of gas content measuring points for comparison between sealed coring and conventional coring in coal seam

表1 井下煤层同一测点不同取样方式瓦斯含量测定结果统计Tab.1 Statistics of gas content measurement results of different sampling methods at the same measuring point in underground coal seam

2.3 煤巷条带瓦斯抽采剩余瓦斯含量测定

试验矿井预抽煤巷条带效果检验采用以直接实测残余瓦斯含量为主，以钻孔竣工质量评价、间接计算、动力现象判定等作为补充的多因素评价方法，对区域瓦斯预抽效果进行评价，瓦斯含量指标临界值为8 m3/t。试验瓦斯抽放巷实施顺煤层定向长钻孔进行区域瓦斯抽采，钻孔瓦斯抽采时间达6个月以上，根据瓦斯抽采量计算残余瓦斯含量值，当低于指标临界值后进行取心实测。

2.3.1 密闭取心钻孔和测点设计

据试验瓦斯抽采条带的抽采控制要求和瓦斯抽采实际，进行密闭取心钻孔和测点设计，钻孔最终孔深分别达到510，486，456 m。依据《防治煤与瓦斯突出细则》对定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，沿煤巷条带每隔20～30 m至少布置1个检验测试点，取心钻孔中取心点（瓦斯含量测点）间隔设计为30 m，具体设计密闭取心测点为60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360，390，420，450，480，510 m。

根据煤层倾角、起伏和煤厚变化，设计取心钻孔轨迹，取心钻孔轨迹覆盖抽采影响较小的区域，同时与瓦斯抽采钻孔保持足够距离以防止串孔。钻孔施工过程中应保证钻孔孔壁的规则和平滑，并尽可能减少开分支孔，防止密闭取心装置输送不到位。

2.3.2 密闭取心施工

定向长钻孔密闭取心过程严格按照密闭取心工艺进行，在钻进至设计取心深度前1 m停钻，退出孔内所有钻具，安装并输送密闭取心装置至孔底，待取心钻进和密闭取心装置剪切关闭结束后，退出装置并取出取心内筒，之后进行无心钻进至下一个取样点，进行下一个取样点处密闭取心，如此循环直至最后一个取心测点。根据现场实际，密闭取心施工过程中取心深度做了适当调整，密闭取心深度和取样数量如表2所示。

表2 井下长距离钻孔定点密闭取心深度和数量设计Tab.2 Design of depth and quantity of fixed point closed coring for long distance borehole

2.3.3 煤层瓦斯含量测定

经检验合格的煤层密闭取心样品送至实验室进行下一步分析测定，密闭取心样品在自然解吸一段时间后，进行煤心样品的拍照，之后再粉碎，部分煤心样品照片如图7所示。本次密闭取心样品均为钻孔钻取的实体煤，煤心形状以柱状、短柱状、圆柱状和块状为主，煤心直径达到38 mm，部分样品为小块状，质量满足井下瓦斯含量测试要求。煤层密闭取心和常规取心的样品瓦斯含量测试参照《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》（GB/T23250-2009）等相关标准执行。煤层瓦斯含量样品测定结果显示，本次试验区瓦斯抽采巷煤层残余瓦斯含量为6.04～13.46 m3/t。由于部分测点煤层瓦斯含量超过了指标临界值（8 m3/t），因此，矿井对该抽采条带继续进行瓦斯抽采。

图7 井下长距离定点密闭取样部分煤心照片Fig.7 Photos of some coal cores from underground long distance fixed point closed sampling

3 结 论

（1）研制了适合于煤矿井下煤层长距离瓦斯含量测定的密闭取心装置，密封气体压力达到11.5 MPa，煤心直径达到38 mm，满足井下长距离煤层瓦斯含量测定要求。该装置体积小、重量轻，外径仅89 mm，密闭取心钻头最大外径98 mm，适用于孔径98 mm及以上的煤矿井下定向长钻孔定点长距离密闭取心精确测定瓦斯含量。

（2）提出了井下煤层长距离定点密闭取心技术工艺，实现了煤层密闭取心装置对煤心的保压与密封，提高了井下煤层瓦斯含量测定的采样深度和瓦斯含量测定精度，可满足井下长距离、定点、精准测定瓦斯含量的需求。

（3）在山西某矿进行了技术可靠性验证和煤巷瓦斯抽采条带效果考察指标测定，采用短钻孔常规取心和定向长钻孔密闭取心方式对煤层同一地点进行对比测定，结果显示长钻孔密闭取心测点瓦斯含量约为短钻孔常规取心测值的0.97～1.06倍，对比试验结果表明，井下煤层长距离定点密闭取心装置及技术用于深孔瓦斯含量测定的测值是可靠的。根据煤巷瓦斯抽采条带效果考察的测点要求，在试验区瓦斯抽采巷进行16个测点的定点密闭取心和瓦斯含量测定，取心最大孔深达到516 m，将区域瓦斯抽采效果一次考察范围扩大至400 m以上。应用研究结果表明，煤矿井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测定技术能有效提高长距离钻孔瓦斯含量测定准确度，在煤巷条带区域瓦斯抽采效果检验中的应用，扩大了单次区域瓦斯抽采效果考察范围，减少了掘进与效检交叉作业次数，有效促进矿井提能增效。

（4）井下煤层长距离定点密闭取心技术目前只在中硬煤层中开展了应用试验，并取得了显著效果，在碎软煤层中的应用效果仍有待考察，下一步将研究适用于碎软煤层、含气岩层的密闭取心技术及装备。

致谢感谢晋能控股集团寺河矿冯强总工程师、晋能技术研究院康锴工程师、重庆煤科院王士伟工程师在现场试验中给予的大力支持。