焦繼紅，王玉杰，李 輝

（1.平頂山市平頂山天安煤業(yè)股份有限公司研究院瓦斯所，河南 平頂山 467099；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與高效清潔利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418）

0 引 言

受地質(zhì)條件復(fù)雜等因素影響，我國煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，容易誘發(fā)煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故，嚴(yán)重威脅煤礦企業(yè)的安全高效生產(chǎn)[1-3]。煤層瓦斯含量指標(biāo)是礦井瓦斯災(zāi)害防治、瓦斯治理與利用和煤層氣資源儲量評估和開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)參數(shù)[4-6]，其測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性對于預(yù)防礦井瓦斯災(zāi)害以及保障煤礦安全生產(chǎn)和職工人身安全具有重要意義。

我國主要采用解吸法對煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，而解吸所用的煤樣通常采用取芯法、孔口接樣法或其他定點(diǎn)取樣方法獲得[7-10]。其中，壓風(fēng)孔口接樣法由于結(jié)構(gòu)簡單和操作方便而普遍被煤礦井下采用。但該方法在取樣過程中容易發(fā)生“混樣”現(xiàn)象而造成瓦斯測定值誤差增加，且在松軟煤層中無法真正實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣[11-12]。

為了解決上述問題，魏建平等[13-14]采用真空泵作為動力源，基于負(fù)壓氣力輸送理論提出了負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣方法，并確定建立了可靠的負(fù)壓取樣瓦斯損失量推算模型。然而，目前針對負(fù)壓定點(diǎn)取樣技術(shù)在煤層瓦斯含量測定現(xiàn)場應(yīng)用的可行性與可靠性研究相對較少。

鑒于此，本文以河南平煤集團(tuán)一礦（簡稱平煤一礦） 為研究背景，通過自主設(shè)計(jì)研究的負(fù)壓定點(diǎn)取樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展了現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對負(fù)壓取樣效果、負(fù)壓取樣過程影響因素及負(fù)壓取樣煤層瓦斯含量測定效果進(jìn)行了對比分析，實(shí)際考察和驗(yàn)證了負(fù)壓定點(diǎn)取樣的可靠性和應(yīng)用效果，以期進(jìn)一步完善負(fù)壓定點(diǎn)取樣技術(shù)。

1 工程地質(zhì)條件

平煤一礦戊8—31200 工作面可采走向長度1 340 m，采長177 m，采高2.0 m。可采儲量69.8萬t。31200 工作面戊8 煤層厚度1.8 ～2.5 m，平均2.0 m，煤層中含有1 層夾矸，厚度0.1 ～0.4 m。煤層傾角為12°～16°，平均傾角14°。戊8 煤層下有戊9、戊10 兩個鄰近煤層，厚度分別為0.9 ～1.1 m 和1.7 ～2.4 m。其中戊8 煤層與戊9煤層相距5.1 ～7.8 m，戊9 與戊10 煤層相距0 ～0.5 m。31200 工作面地層總體為一向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層起伏較大，四周均為未開采區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料情況，煤層埋藏較深，可能存在隱伏斷層，對掘進(jìn)施工有影響。工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1 所示。

預(yù)計(jì)31200 工作面戊8 煤層原始瓦斯壓力0.8 MPa、瓦斯含量6.5 m3/t。預(yù)計(jì)工作面掘進(jìn)期間相對瓦斯涌出量10.21 m3/t，絕對瓦斯涌出量0.8 m3/min；回采期間相對瓦斯涌出量5.99 m3/t，絕對瓦斯涌出量13.9 m3/min。煤層自然發(fā)火期3 ～6 個月，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)31.74 ～39.05%；地溫36 ～45 ℃，屬地溫異常區(qū)。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣試驗(yàn)系統(tǒng)主要由取樣鉆頭、取樣鉆桿、三通、接樣裝置、參數(shù)測試裝置及動力裝置組成。其中，取樣鉆頭為直徑94 mm 的三翼PDC 鉆頭，主要用于增大風(fēng)流流通面積，減小鉆頭處局部壓降和壁面鉆頭流體孔堵塞風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)過程中，鉆頭三翼間的流體孔孔徑可以達(dá)到20 mm；取樣鉆桿為內(nèi)徑40 mm、外徑73 mm 的圓形鉆桿，具有較高的強(qiáng)度和較大的空氣流通斷面，適用于松軟煤層鉆進(jìn)；三通用于連接水辮頭和井下壓風(fēng)口，可以通過切換對應(yīng)連接管路閥門實(shí)現(xiàn)負(fù)壓取樣與正壓鉆進(jìn)的動力轉(zhuǎn)換；接樣裝置采用旋風(fēng)式除塵器，且配有相應(yīng)的布袋式除塵器用于空氣凈化。試驗(yàn)時，接樣裝置與空氣凈化裝置串聯(lián)連接，待煤屑-瓦斯氣固兩相流流出鉆桿后經(jīng)連接軟管首先流入接樣裝置實(shí)現(xiàn)煤樣的分離與收集，而含塵量較低的煤屑-瓦斯混合流體流入布袋式除塵器，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤屑的分離，可以大幅降低氣體中的含塵量，從而達(dá)到凈化空氣和避免煤塵損害動力裝置的目的；參數(shù)測量裝置主要由孔板流量計(jì)、“U”型壓差計(jì)和精度為0.4 級的精密真空表組成，可以實(shí)現(xiàn)取樣過程中實(shí)時掌握系統(tǒng)壓降與風(fēng)量的變化趨勢； 動力裝置為QXSR-125 型羅茨真空泵，升壓范圍為0 ～70 kPa，最大風(fēng)量可以達(dá)到5 m3/min。負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

2.2 試驗(yàn)布置

為了比較和驗(yàn)證負(fù)壓定點(diǎn)取樣系統(tǒng)瓦斯測定效果，在平煤一礦戊8—31200 工作面風(fēng)巷和高抽巷共布置10 個測點(diǎn)，分為5 組，組間距為45 m，可以控制戊8—31200 工作面風(fēng)巷上幫4.8 m 和下幫15 m 范圍。每個測點(diǎn)設(shè)計(jì)2 個鉆孔，孔間距1 m，分別采用常規(guī)取樣方法和負(fù)壓定點(diǎn)取樣方法取樣?，F(xiàn)場試驗(yàn)取樣鉆孔布置平面圖如圖3 所示，取樣鉆孔參數(shù)如表1 所示。

表1 取樣鉆孔參數(shù)Table 1 Sampling borehole parameters

圖3 工作面現(xiàn)場測點(diǎn)布置示意Fig.3 Working face site measuring point layout diagram

2.3 試驗(yàn)步驟

負(fù)壓取樣測定煤層瓦斯含量現(xiàn)場試驗(yàn)過程依次為：①壓風(fēng)鉆進(jìn)。連接試驗(yàn)系統(tǒng)，切換三通閥門，使水辮頭接入井下壓風(fēng)接頭進(jìn)行壓風(fēng)排渣鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度前1 m，采用壓風(fēng)吹刷疏通取樣鉆頭流體孔并減少鉆孔沿程堆積的鉆屑。②負(fù)壓取樣。在每一循環(huán)設(shè)計(jì)深度的最后1 m，切換三通閥門，使水辮頭與真空泵連接并開啟真空泵，勻速向前推進(jìn)，記錄鉆進(jìn)用時、讀取系統(tǒng)壓降及風(fēng)量值。鉆進(jìn)至該循環(huán)深度后，測定空載時系統(tǒng)壓降及風(fēng)量值。負(fù)壓取樣過程結(jié)束后，對取樣稱重。③現(xiàn)場解吸。為了對比分析負(fù)壓取樣測定煤層瓦斯含量的效果和精度，在同一取樣深度分別采用負(fù)壓法和與壓風(fēng)排渣法取得煤樣。其中，在鉆進(jìn)至鉆孔設(shè)計(jì)深度前l(fā) m，按照壓風(fēng)排渣定點(diǎn)測定煤層瓦斯含量方法取樣進(jìn)行現(xiàn)場解吸。為盡量避免取樣段瓦斯逸散，提高煤樣新鮮度，在完成壓風(fēng)排渣定點(diǎn)取樣后，再壓風(fēng)鉆進(jìn)0.2 m 后切換至負(fù)壓鉆進(jìn)取樣并完成負(fù)壓取樣過程。負(fù)壓取樣完成后，迅速裝樣并進(jìn)行現(xiàn)場常壓解吸。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 負(fù)壓取樣結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，測試和記錄不同測點(diǎn)負(fù)壓取樣過程中的取樣質(zhì)量、取樣用時和系統(tǒng)壓降等參數(shù)見表2。本文采用的負(fù)壓取樣系統(tǒng)在進(jìn)行現(xiàn)場定點(diǎn)取樣時，系統(tǒng)壓降穩(wěn)定在-60 kPa 左右，取樣速度變化范圍為0.97~1.82 kg/min，平均取樣速度約為1.32 kg/min。根據(jù)GB/T 23250-2009 要求，煤層瓦斯含量測定時單個煤樣罐所需最低煤樣量最低400 g。因此，通過采用負(fù)壓取樣方法只需在30 s內(nèi)即可滿足要求，取樣時間大幅縮短，從而實(shí)現(xiàn)快速定點(diǎn)取樣。此外，根據(jù)負(fù)壓取樣系統(tǒng)工作原理，煤屑從孔壁脫落后立即在負(fù)壓風(fēng)流作用下向鉆桿內(nèi)部運(yùn)移并輸送至與之相連的接樣裝置內(nèi)，有效保證了煤樣純度。

表2 負(fù)壓取樣結(jié)果Table 2 Negative pressure sampling results

3.2 系統(tǒng)壓降與風(fēng)量

通過測量和記錄負(fù)壓取樣過程中不同鉆孔深度條件下負(fù)壓取樣系統(tǒng)對應(yīng)的壓降及風(fēng)量變化規(guī)律，可以對動力裝置即真空泵的工作效果進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步地為今后負(fù)壓取樣系統(tǒng)的優(yōu)化提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。選取Q1、Q2、Q3、Q4 和Q5 五個測點(diǎn)鉆孔，得到鉆進(jìn)取樣和空載兩種條件下負(fù)壓取樣系統(tǒng)壓降及風(fēng)量隨鉆孔深度的變化趨勢，分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 鉆進(jìn)時鉆孔深度與系統(tǒng)壓降、風(fēng)量之間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between drilling depth and system pressure drop and air volume during drilling

圖5 空載時鉆孔深度與系統(tǒng)壓降、風(fēng)量之間的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between drilling depth and system pressure drop and air volume under no-load condition

從圖4、圖5 中可以看出，無論是鉆進(jìn)取樣還是空載條件下，隨著鉆孔深度的增加，取樣系統(tǒng)壓降均逐漸增加，而系統(tǒng)風(fēng)量則逐漸減小。通過對比圖4（a） 圖5（a） 發(fā)現(xiàn)，與空載條件下相比，鉆進(jìn)取樣時，取樣系統(tǒng)壓降略有上升，但變化幅度較小，在1.67%~3.89%。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于，空載條件下，鉆桿內(nèi)部的空氣摩擦造成的壓力損失是形成系統(tǒng)壓降的主要原因[15]。真空泵提供的較高風(fēng)量使得風(fēng)流在鉆桿內(nèi)部流速較大，摩擦壓降增加。而孔深較大時，由于煤層松軟，從而造成鉆孔穩(wěn)定性變差。而鉆進(jìn)取樣過程與空載過程相隔時間較短，從而使得鉆孔失穩(wěn)引起的壓力變化進(jìn)一步造成系統(tǒng)壓降增加，但增加幅度不大。

相反地，對于系統(tǒng)風(fēng)量而言，相同鉆孔深度時，鉆進(jìn)取樣條件下的系統(tǒng)風(fēng)量與空載條件下相對較小。換言之，相同風(fēng)量時，試驗(yàn)系統(tǒng)去取樣深度較低且系統(tǒng)壓降相對較高。這主要是因?yàn)橐环矫婀ぷ髅娴默F(xiàn)場條件限制了取樣系統(tǒng)管路的布置，導(dǎo)致局部阻力損失較高，且試驗(yàn)系統(tǒng)各構(gòu)件尚需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面，通過理論模型對試驗(yàn)系統(tǒng)取樣深度進(jìn)行研究時，假定鉆孔為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)且不發(fā)生鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象，而在實(shí)際應(yīng)用時，試驗(yàn)系統(tǒng)在松軟煤層進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時將不可避免地發(fā)生鉆孔失穩(wěn)，從而造成一定的局部阻力損失[16-17]。

3.3 煤層瓦斯含量測定效果

通過負(fù)壓取樣系統(tǒng)完成取樣工作后，采用目前煤礦通用的鉆屑解吸法對煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，即煤層瓦斯含量由負(fù)壓取樣瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和殘存瓦斯含量（實(shí)驗(yàn)室解吸量） 三部分構(gòu)成[18-19]。其中，負(fù)壓取樣過程中的瓦斯損失量依據(jù)式（1） 進(jìn)行推算，所求得的瓦斯損失量見表3。

式中：QP為推算得到的負(fù)壓取樣瓦斯損失量，mL/g；QJ為常壓解吸對應(yīng)的瓦斯損失量值，mL/g；a、b 為待定常數(shù)；t為解解吸時間，s。

為了驗(yàn)證負(fù)壓取樣煤層瓦斯含量測定效果，分別從瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量、實(shí)驗(yàn)室解析量和殘存瓦斯量四個方面同壓風(fēng)排渣取樣法進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果如圖6 所示。其中，壓風(fēng)排渣取樣法瓦斯損失量根據(jù)巴雷爾模型推算得到[20-21]。

圖6 負(fù)壓取樣與壓風(fēng)取樣煤層瓦斯含量測定效果對比Fig.6 Comparison of the effect of negative pressure sampling and pressure air sampling on the determination of gas content in coal seam

從圖6 中可以看出，除Q2鉆孔現(xiàn)場解吸量相對于壓風(fēng)取樣較小外，其他鉆孔采用負(fù)壓取樣所測的瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和實(shí)驗(yàn)室解吸量相對于壓風(fēng)取樣均較高，其中，負(fù)壓取樣所測的瓦斯損失量相較于壓風(fēng)取樣增加5.8~17.6 倍，現(xiàn)場解吸量相較于增加17.3%~45.7%，實(shí)驗(yàn)室解吸量（殘存瓦斯量） 相較于增加19.1%~24.7%。因此，采用負(fù)壓取樣所測的煤層瓦斯含量相較于壓風(fēng)取樣均明顯增加，如圖6（d） 所示，增加幅度均在45%以上，最大可以達(dá)到80.3%。這是因?yàn)?，平煤一礦煤質(zhì)在瓦斯解吸初期具有較高的瓦斯解吸速度，處于快速解吸階段。當(dāng)采用壓風(fēng)取樣時，煤屑自煤壁脫落后直至采集完全，煤中瓦斯大多處于快速解吸過程，且取樣過程中容易發(fā)生“混樣”現(xiàn)象，即所取得煤樣中容易混入較多鉆孔沿程煤屑，導(dǎo)致煤樣純度降低。另外，沿程煤屑大多已經(jīng)歷過快速解吸過程后處于緩慢解吸階段。因此，當(dāng)依據(jù)純度較低且大多處于緩慢解吸過程的煤樣顆粒進(jìn)行瓦斯含量測定時，必然會造成瓦斯含量測值偏低，測定效果較差。而與之對比的是，當(dāng)采用負(fù)壓取樣方法時，新鮮煤樣可以快速從鉆孔內(nèi)部運(yùn)移至接樣裝置內(nèi)，可以大幅降低“混樣”現(xiàn)象發(fā)生，從而使瓦斯含量測值大幅提高。

綜上所述，通過負(fù)壓定點(diǎn)取樣對煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，不僅可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)快速取樣，而且有利于提高煤樣純度，提升煤層瓦斯含量測值，保證良好的瓦斯測定效果。

4 結(jié) 論

為了解決松軟煤層定點(diǎn)取樣難、瓦斯含量測值誤差較大，設(shè)計(jì)了負(fù)壓定點(diǎn)取樣試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用可行性和測定結(jié)果可靠性驗(yàn)證。

（1） 負(fù)壓取樣系統(tǒng)現(xiàn)場平均取樣速度為1.32 kg/min，在30 s 內(nèi)所取煤樣量即可滿足煤層瓦斯含量測定所需煤樣量要求，可以實(shí)現(xiàn)快速取樣。

（2） 負(fù)壓取樣系統(tǒng)壓降和系統(tǒng)風(fēng)量是影響負(fù)壓取樣系統(tǒng)工作的主要因素。隨著鉆孔深度的增加，負(fù)壓取樣系統(tǒng)壓降和系統(tǒng)風(fēng)量均逐漸減小。

（3） 相較于壓風(fēng)取樣，采用負(fù)壓取樣得到的煤層瓦斯損失量、現(xiàn)場解吸量和實(shí)驗(yàn)室解吸量均明顯增加，煤層瓦斯含量增加幅度在45%以上，最大可以達(dá)到80.3%。

（4） 負(fù)壓取樣方法有利于新鮮煤樣快速從鉆孔內(nèi)部運(yùn)移至接樣裝置內(nèi)，大幅降低“混樣”現(xiàn)象發(fā)生，不僅可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)快速取樣，而且有利于提高煤樣純度和提升煤層瓦斯含量測值。