韓承強(qiáng)

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值是綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度大小的指標(biāo)，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法作為確定煤層局部范圍突出危險(xiǎn)性的方法廣泛應(yīng)用于我國突出煤層區(qū)域的驗(yàn)證、工作面突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)及工作面措施效果檢驗(yàn)，對(duì)我國煤與瓦斯突出災(zāi)害防治起到了重要作用。但該指標(biāo)的測(cè)試方法存在一定局限性[2-4]，主要問題是目前我國煤礦主要采用的麻花鉆桿機(jī)械排渣取樣方法，不屬于定點(diǎn)取樣方法，所取煤樣無法準(zhǔn)確確定取樣位置和暴露時(shí)間，造成鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)值與實(shí)際情況誤差較大，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)使用該取樣方法所測(cè)試的K1值有效深度不超過10 m，否則測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性大大降低，測(cè)定結(jié)果無法準(zhǔn)確指導(dǎo)礦井的防治煤與瓦斯突出工作。當(dāng)測(cè)定值確定局部煤層無突出危險(xiǎn)的情況下需保留2 m安全距離，有效掘進(jìn)進(jìn)尺較短，導(dǎo)致測(cè)試次數(shù)頻繁。針對(duì)上述問題，本文利用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司依托“十二五”科技支撐計(jì)劃研發(fā)的深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)及裝置，在提高鉆屑瓦斯指標(biāo)K1值測(cè)試準(zhǔn)確度的同時(shí)，對(duì)其有效測(cè)試深度進(jìn)行了進(jìn)一步探索，為礦井準(zhǔn)確高效測(cè)試K1值進(jìn)而有效指導(dǎo)防突作業(yè)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 定點(diǎn)取樣技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 K1值主要影響因素分析

研究成果表明，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值的理論分析值與實(shí)測(cè)值并不相符，隨著鉆孔深度的增加，存在實(shí)際測(cè)值偏離并小于理論測(cè)值的情況，如圖1所示。造成這個(gè)問題的主要原因是煤礦所采用的麻花鉆桿機(jī)械排渣取樣不屬于定點(diǎn)取樣方法，在取樣過程中摻混了從鉆孔壁上切削下來的煤粉，混合煤樣代表性較差，K1值測(cè)定結(jié)果與實(shí)際情況誤差較大。另外，每次測(cè)定K1值的取樣時(shí)間要控制在2 min內(nèi)，整個(gè)測(cè)定過程不得超過5 min，取樣時(shí)間增長(zhǎng)對(duì)K1值實(shí)測(cè)值與理論值的偏離也產(chǎn)生了較大影響。

圖1 K1值理論值與實(shí)測(cè)值隨取樣深度變化曲線Fig.1 Variation curve of K1 value between theoreticalvalue and measured value with sampling depth

1.2 定點(diǎn)取樣技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

1.2.1 技術(shù)原理

SDQ深孔定點(diǎn)快速取樣裝置采用世界先進(jìn)的航天噴射技術(shù)和多級(jí)引射技術(shù)，其原理與反循環(huán)鉆進(jìn)原理相似，由雙壁鉆孔、雙通道水尾、噴射取樣鉆頭組成。雙壁鉆桿內(nèi)設(shè)計(jì)2個(gè)通道，即內(nèi)管與環(huán)形空間；噴射取樣鉆頭融合了環(huán)形噴射技術(shù)和正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，在氣體流道優(yōu)化的基礎(chǔ)上將噴射器內(nèi)置于鉆頭內(nèi)部[8]。壓風(fēng)由雙壁鉆桿環(huán)形空間進(jìn)入，將鉆頭切割的煤樣從雙壁空間內(nèi)管引射出來，從而實(shí)現(xiàn)深孔定點(diǎn)快速取樣，其原理見圖2。

圖2 深孔定點(diǎn)快速取樣裝置原理示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of principle of deep hole fixed-point fast sampling device

1.2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

深孔定點(diǎn)快速取樣裝置通過雙壁鉆桿中心管，在不停鉆的情況下，采用氣力輸送的方式可連續(xù)不間斷地將孔底的鉆屑快速輸送至鉆桿尾部，隨鉆隨取，所取煤樣中未摻混鉆孔壁上的煤粉，達(dá)到定點(diǎn)取樣的要求，保證了測(cè)定煤樣的有效性。同時(shí)，該技術(shù)具備取樣速度快的特點(diǎn)，按取樣深度為60 m、最小允許輸送速度18 m/s，僅需3.4 s即可將孔底鉆屑輸送至孔口完成取樣，取樣時(shí)間不超過2 min，解決了煤樣暴露時(shí)間過長(zhǎng)的問題，相比麻花鉆桿機(jī)械排渣取樣具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，詳見表1。

表1 定點(diǎn)取樣與麻花鉆取樣技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of technical indexes betweenfixed point sampling and twist drill sampling

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)地點(diǎn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)進(jìn)行鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值合理測(cè)試深度的考察如下所述。

1) 第一階段：K1值隨取樣深度變化趨勢(shì)考察。在仲恒煤礦20-1號(hào)煤層、灣田煤礦17號(hào)煤層選定一采煤工作面，礦方施工抽采鉆孔孔深分別在6 m、8 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m時(shí)采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)取樣測(cè)試K1值，總體上掌握K1值隨孔深變化趨勢(shì)，并初步確定采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)取樣測(cè)試鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值的合理深度。仲恒煤礦施工鉆孔編號(hào)為Z1～Z8，灣田煤礦施工鉆孔編號(hào)為W1～W8。

2) 第二階段：相同位置不同循環(huán)K1值測(cè)定。根據(jù)第一階段中初步確定的K1值合理測(cè)試深度，在仲恒煤礦20-1號(hào)煤層和灣田煤礦17號(hào)煤層掘進(jìn)工作面現(xiàn)有測(cè)試深度(10 m)基礎(chǔ)上加大K1值測(cè)定深度，并在加大段每隔2 m測(cè)定一次K1值，隨著巷道的掘進(jìn)，對(duì)掘進(jìn)工作面前方固定(相同)位置處K1值在不同循環(huán)內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)定，并進(jìn)行對(duì)比分析，通過分析得到合理的K1值測(cè)試深度。

2.2 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

1) 仲恒煤礦第一階段試驗(yàn)地點(diǎn)為1320-11工作面；第二階段試驗(yàn)地點(diǎn)為1320-11運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面。11320-11回采工作面20-1煤層厚度2.0～2.4 m，平均厚度為2.2 m，平均傾角32°，頂板為粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，底板為泥巖。

2) 灣田煤礦第一階段試驗(yàn)地點(diǎn)為11701工作面；第二階段試驗(yàn)地點(diǎn)為11701機(jī)巷掘進(jìn)工作面。11701工作面17號(hào)煤層平均厚度3 m，煤層平均傾角20°。頂板為粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，底板為泥巖。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 第一階段：K1值隨孔深變化趨勢(shì)考察

在仲恒煤礦20-1號(hào)煤層所施工鉆孔Z1～鉆孔Z8和灣田煤礦17號(hào)煤層所施工鉆孔W1～鉆孔W8在不同深度處K1值，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同取樣深度處K1值測(cè)定結(jié)果Fig.3 Determination results of K1 values at different sampling depths

1) 分析試驗(yàn)結(jié)果(圖3(a))可知，仲恒煤礦20-1號(hào)煤層在深孔快速定點(diǎn)取樣條件下K1值與孔深關(guān)系為：取樣深度6～20 m范圍內(nèi)K1值增長(zhǎng)速度較快；取樣深度20～30 m內(nèi)K1值孔增長(zhǎng)的速度減??；取樣深度超過30 m時(shí)，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值出現(xiàn)隨取樣深度增加而減小的趨勢(shì)。

2) 分析試驗(yàn)結(jié)果(圖3(b))可知，灣田煤礦17號(hào)煤層在深孔定點(diǎn)快速取樣條件下，取樣深度6～10 m范圍內(nèi)K1值增長(zhǎng)速度較快；取樣深度10～30 m內(nèi)K1值增長(zhǎng)速度減??；取樣深度超過30 m時(shí)，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值出現(xiàn)隨取樣深度增加而減小的趨勢(shì)。

綜合兩個(gè)礦井不同煤層采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)所測(cè)得K1值隨取樣深度變化情況分析，當(dāng)取樣深度在30 m范圍內(nèi)時(shí)，采用深孔定點(diǎn)快速取樣裝置取樣所測(cè)的鉆屑解吸指標(biāo)K1值隨取樣深度增加而增大，符合圖1中K1值理論值隨取樣深度變化趨勢(shì)；取樣深度超過30 m時(shí)，K1值開始隨取樣深度的增大出現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，不符合圖1中K1值理論值隨取樣深度變化趨勢(shì)，且測(cè)值偏差變大。因此，初步確定采用定點(diǎn)快速取樣裝置取樣進(jìn)行K1值測(cè)試的有效取樣深度為30 m。

3.2 第二階段：相同位置不同循環(huán)K1值測(cè)定

按照第二階段試驗(yàn)方案在不同掘進(jìn)循環(huán)內(nèi)施工40 m鉆孔，并在不同掘進(jìn)循環(huán)內(nèi)對(duì)距初始掘進(jìn)工作面距離相同處測(cè)點(diǎn)的K1值進(jìn)行至少2次測(cè)定，仲恒煤礦20-1號(hào)煤層和灣田煤礦17號(hào)煤層的測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同循環(huán)距初始掘進(jìn)工作面距離相同處測(cè)點(diǎn)的K1值Fig.4 K1 values of measuring points at the same distance between different cycles and the initial driving facee

1) 分析試驗(yàn)結(jié)果(圖4)可知，每一循環(huán)中前30 m測(cè)試范圍內(nèi)K1值隨取樣深度增加而增大，當(dāng)取樣深度超過30 m時(shí)，K1值出現(xiàn)隨取樣深度增大而減小的趨勢(shì)。

2) 從第二循環(huán)開始，本循環(huán)取樣深度4～12 m范圍與上一循環(huán)取樣深度12～20 m范圍為煤巷中相同位置，在此段煤巷范圍內(nèi)，上一循環(huán)測(cè)值大于本循環(huán)測(cè)值，其測(cè)值更加準(zhǔn)確。即本循環(huán)前10 m范圍內(nèi)K1值較上一循環(huán)在相同位置處測(cè)值偏小，上一循環(huán)測(cè)值更準(zhǔn)確。主要原因是相對(duì)本循環(huán)，上一循環(huán)中同一位置距離暴露煤壁較遠(yuǎn)，瓦斯賦存受采動(dòng)影響小。

3) 從第二循環(huán)開始，本循環(huán)取樣深度12～22 m范圍與上一循環(huán)取樣深度20～30 m范圍為煤巷中相同位置，在此段煤巷范圍內(nèi)，本循環(huán)測(cè)值與上一循環(huán)測(cè)值基本一致。

4) 從第二循環(huán)開始，本循環(huán)取樣深度22～30 m范圍與上一循環(huán)取樣深度30～38 m范圍為煤巷中相同位置，在此段煤巷范圍內(nèi)，本循環(huán)測(cè)值大于上一循環(huán)測(cè)值，本循環(huán)測(cè)值更加準(zhǔn)確。

綜合兩個(gè)階段考察的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及考察結(jié)果可知，在不同礦井不同煤層內(nèi)采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)可增加鉆屑解吸指標(biāo)K1值有效測(cè)試深度，但最大測(cè)試深度不應(yīng)超過30 m。

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)取樣深度在30 m范圍內(nèi)時(shí)，采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)所測(cè)的鉆屑解吸指標(biāo)K1值隨取樣深度增加而增大，成正相關(guān)關(guān)系，符合K1值理論值隨取樣深度變化趨勢(shì)；取樣深度超過30 m時(shí)，K1值開始隨取樣深度的增大出現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，不符合K1值理論值隨取樣深度變化趨勢(shì)，測(cè)值偏差變大。采用深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)可增加鉆屑解吸指標(biāo)K1值有效測(cè)試深度至30 m。

2) 深孔定點(diǎn)快速取樣技術(shù)利用雙壁鉆桿的中心管將鉆孔底部煤樣快速排出，既可以更加準(zhǔn)確的確定孔底煤樣的暴露時(shí)間，又有效降低了煤樣暴露時(shí)間，同時(shí)避免鉆孔壁殘留煤粉對(duì)目的煤樣的摻混，可以有效提高時(shí)K1值的有效測(cè)定深度及測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。