陳學(xué)習(xí)

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)“富煤、貧油、少氣”的國(guó)家,能源結(jié)構(gòu)一直以煤炭為主。2022年我國(guó)煤炭生產(chǎn)總量為45.6億噸,占一次性能源消費(fèi)總量的54.5%,預(yù)計(jì)到2025年,煤炭消費(fèi)量在41億噸左右,占比約為52%[1]。中國(guó)工程院《中國(guó)能源中長(zhǎng)期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》報(bào)告提出:到2050年我國(guó)煤炭產(chǎn)量控制在30億噸,煤炭仍然將是我國(guó)的主導(dǎo)能源。由于我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜多變、煤質(zhì)松軟、透氣性差,瓦斯難以有效抽采,是瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家。煤層瓦斯壓力與含量是進(jìn)行瓦斯防治最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù),其測(cè)定值的準(zhǔn)確性如何,直接關(guān)系到瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治效果評(píng)價(jià)。

幾十年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞煤層瓦斯壓力與含量的準(zhǔn)確測(cè)定,開展了大量的研究,提出的測(cè)定方法可分為間接法和直接法兩大類。間接法測(cè)定煤層瓦斯壓力與含量的基礎(chǔ)是Langmuir公式,通過這個(gè)公式建立起煤層瓦斯壓力與含量互為依賴的聯(lián)系,即煤層瓦斯壓力的計(jì)算結(jié)果主要取決于煤層含量的準(zhǔn)確測(cè)定,反之亦然;計(jì)算時(shí)還要測(cè)定煤的水分、揮發(fā)份等工業(yè)參數(shù),過程繁瑣,誤差較大。目前,間接測(cè)定方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí),獲得的參數(shù)只能作為直接法的參考,不能獨(dú)立使用。根據(jù)鉆孔開口位置在井上下的不同,直接法又可分為地勘鉆孔法和井下鉆孔法。地勘鉆孔法主要應(yīng)用于新井田或煤田地質(zhì)勘探階段,從地面向下打勘探鉆孔了解煤巖層及其瓦斯賦存狀況,以便為礦井開拓開采設(shè)計(jì)提供必要依據(jù)。地勘鉆孔法需穿過多層煤巖,鉆孔深度大,施工技術(shù)要求高、設(shè)備復(fù)雜、操作繁瑣,盡管近年來技術(shù)有進(jìn)步,但成功率和準(zhǔn)確性仍然不理想。井下鉆孔法所需鉆孔長(zhǎng)度一般較短,鉆孔傾角多為水平或上仰,與幾百米甚至上千米的垂直地勘鉆孔比,技術(shù)難度相對(duì)較小,已成為目前應(yīng)用最廣泛的方法[2]。本文著重對(duì)井下鉆孔法直接測(cè)定煤層瓦斯壓力與含量技術(shù)現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展方向進(jìn)行分析。

1 井下煤層瓦斯壓力直接測(cè)定技術(shù)

1.1 直接法測(cè)定煤層壓力分類

直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力是通過巖巷或煤巷用鉆機(jī)向需要測(cè)定瓦斯壓力地點(diǎn)打鉆,然后用封孔材料或裝置將測(cè)壓點(diǎn)外端鉆孔密封住,待測(cè)壓點(diǎn)瓦斯壓力平衡后直接讀出數(shù)值。直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的歷史可以追溯到19世紀(jì),俄國(guó)曾于1879～1881年間在博爾東礦井的若干煤層進(jìn)行過瓦斯壓力測(cè)定。《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》(AQ/T1047-2007)按封孔后是否向測(cè)壓室注入補(bǔ)償惰性氣體,將直接測(cè)定法分為主動(dòng)測(cè)壓法和被動(dòng)測(cè)壓法;按封孔材料的不同,分為膠囊(膠圈)—密封黏液封孔測(cè)壓法和注漿封孔測(cè)壓法。

關(guān)于主被動(dòng)式測(cè)壓法的分類,我國(guó)著名瓦斯防治專家周世寧院士認(rèn)為,傳統(tǒng)采用黃泥粘土、注漿(無機(jī)與有機(jī)化學(xué)材料)封孔、膠囊(膠圈)等固體封孔方法,對(duì)測(cè)壓鉆孔周邊微裂隙缺少主動(dòng)動(dòng)態(tài)封堵能力,是被動(dòng)式封孔;而采用膠囊(膠圈)—密封黏液(三相泡沫)封孔、聚氨酯—密封黏液(三相泡沫)封孔,測(cè)壓過程中密封黏液對(duì)鉆孔周邊微裂隙是帶壓動(dòng)態(tài)密封,因而稱之為主動(dòng)式封孔[3]。本文根據(jù)鉆孔裂隙封堵能力劃分主被動(dòng)式測(cè)壓法,并按測(cè)壓孔封孔材料的不同,將直接測(cè)壓法分為固體封孔法和液體封孔法兩大類。

1.2 固體封孔法

固體封孔法最早所用材料為黃泥、粘土,材料必須軟硬適當(dāng),封孔時(shí)每充填1m左右需打入一個(gè)木塞并用堵棒搗實(shí),只適用于圍層比較堅(jiān)硬致密的穿層孔,操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力且封孔長(zhǎng)度有限,目前該方法已被淘汰。膠囊、膠圈固體封孔雖然簡(jiǎn)便,但對(duì)鉆孔周邊圍巖條件要求高、封孔較短,一般不單獨(dú)使用。

注漿封孔測(cè)壓法目前應(yīng)用比較廣泛,封孔材料為有機(jī)或無機(jī)化學(xué)材料等。有機(jī)材料多為聚氨酯類,即A、B類混合后發(fā)泡膨脹凝固,此材料由于耐壓強(qiáng)度有限,目前多用于封孔堵頭。無機(jī)材料最常用的為水泥基封孔材料,此封孔方法最初只適用于具有一定仰角的上向穿層鉆孔。該方法優(yōu)點(diǎn)是封孔材料便宜,操作方便,封孔長(zhǎng)度較深,但對(duì)注漿壓力控制和對(duì)注漿停止時(shí)機(jī)控制要求比較高,注漿材料凝固后有收縮,對(duì)周圍微裂隙封堵能力有限。

針對(duì)測(cè)壓鉆孔角度多變,注漿封孔法衍生出了布囊兩堵一注帶壓封孔裝置、膠囊—水泥漿—聚氨酯帶壓注漿封孔裝置等。布囊兩堵一注帶壓封孔裝置如圖1所示,主要由2個(gè)尼龍布囊封孔器、導(dǎo)氣管、布囊注漿管、空間注漿管、排氣管、瓦斯壓力表、補(bǔ)氣接口等組成。注漿封孔時(shí),兩段尼龍布囊在漿液壓力下先膨脹,形成一個(gè)封閉注漿空間,帶壓在此空間注入水泥漿,通過導(dǎo)氣管排出空間內(nèi)的空氣與水,對(duì)鉆孔周圍裂隙、孔隙進(jìn)行封堵,杜絕漏氣通道形成[4]。

膠囊—水泥漿—聚氨酯聯(lián)合帶壓注漿封孔測(cè)壓原理如圖2所示。其操作方法為:①先將注水管和壓力管線與膠囊連接,將四分管與膠囊上焊接的管箍連接,用四分管將膠囊送入鉆孔至一定深度,若鉆孔為仰角孔,送膠囊的四分管作為返漿管留在鉆孔內(nèi),然后,再塞入一段四分管作為注漿管;若鉆孔為俯角孔,送膠囊的四分管則作為注漿管,再塞入的一段四分管作為返漿管,接著將聚氨酯混合均勻快速塞入孔口。②待孔口聚氨酯膨脹固定后,將注水管與儲(chǔ)能罐、儲(chǔ)能罐與手動(dòng)試壓泵連接,用手動(dòng)試壓泵向膠囊內(nèi)注水,保證膠囊始終處于膨脹狀態(tài)。③根據(jù)封孔深度確定注漿材料用量,用注漿泵將水泥漿注入鉆孔中聚氨酯和膠囊之間的封閉空間;返漿管有水泥漿流出時(shí),關(guān)閉返漿管球閥繼續(xù)注漿,待水泥漿壓力達(dá)到需求時(shí)關(guān)閉注漿管球閥,停止注漿。④待水泥漿凝固后即可開始測(cè)壓。

圖2 膠囊—水泥漿—聚氨酯聯(lián)合帶壓注漿封孔測(cè)壓原理

在某些煤層賦存條件下,測(cè)壓鉆孔周邊圍巖裂隙發(fā)育且通過含水層,或者穿過多煤層需要將非測(cè)壓煤層屏蔽掉,可以采用套管封孔法,如圖3所示[5]。該方法為:①先用直徑φ127mm鉆頭開孔,鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度(視具體情況而定)后退鉆,清除孔內(nèi)鉆屑,將一級(jí)套管(φ108mm)送入至孔底處固定,實(shí)施首次注漿固管操作。②水泥漿凝固后,用直徑φ94mm鉆頭沿原鉆孔中心繼續(xù)鉆進(jìn)至目標(biāo)煤層底板,換壓風(fēng)吹凈鉆屑,退出鉆桿,將二級(jí)套管(φ83mm)送入至孔底處固定,然后進(jìn)行高壓注漿。③等二次注漿水泥漿凝固后,再用直徑φ75mm鉆頭掃孔鉆進(jìn),鉆進(jìn)至設(shè)定位置停止,然后采用膠囊—水泥漿—聚氨酯聯(lián)合帶壓注漿封孔法進(jìn)行煤層瓦斯壓力的測(cè)定。套管封孔法可以有效封堵測(cè)壓鉆孔周邊圍巖裂隙及含水層,屏蔽掉其他煤層從而準(zhǔn)確測(cè)定本煤層原始瓦斯壓力。

在無條件施工穿層鉆孔的煤層,為準(zhǔn)確測(cè)定煤層原始瓦斯壓力,楊宏偉等[6]提出利用定向鉆機(jī)施工“煤—巖—煤”弧形穿層鉆孔,鉆孔先由本煤層巷道開口上向或下向進(jìn)入煤層頂?shù)装鍘r層,再由巖層進(jìn)入煤層預(yù)定測(cè)壓點(diǎn),將測(cè)壓鉆孔分成3段,即第1段煤孔段、第2段巖孔段、第3段煤孔段,如圖4所示。封孔時(shí),將第1段煤孔段、第2段部分巖孔段進(jìn)行水泥漿封孔(封孔要到煤巖交界處,長(zhǎng)度大于50m),第3段煤孔段作為測(cè)壓室。該方法能夠避開本煤層的卸壓范圍,創(chuàng)造穿層鉆孔密封條件,保障了測(cè)壓氣室的氣密性。

圖4 “煤—巖—煤”弧形穿層鉆孔封孔測(cè)壓原理

1.3 液體封孔法

當(dāng)鉆孔封孔段巖層松軟破碎、裂隙較發(fā)育,或需要在本煤層直接封孔測(cè)壓時(shí),采用固體封孔方法均不能有效封堵,結(jié)果會(huì)使測(cè)壓結(jié)果失真。為此,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)周世寧院士于20世紀(jì)80年代發(fā)明了一種新型封孔方法—液體封孔法,其基本原理是“固體封液體,液體封氣體”。即采用膠囊(膠圈)作為封閉高壓黏液的密封端,在兩段膠囊(膠圈)之間注入黏液,測(cè)壓期間使兩段膠囊(膠圈)密封壓力始終大于密封黏液壓力、密封黏液壓力始終大于預(yù)計(jì)瓦斯壓力,形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的密封系統(tǒng)?！睹旱V井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》(AQ/T1047-2007)對(duì)膠囊(膠圈)—密封黏液封孔測(cè)壓法設(shè)備、材料、儀表及工具作了明確規(guī)定。

近十多年來,在周世寧院士指導(dǎo)下,筆者所在課題組對(duì)液體封孔法進(jìn)行了大量的改進(jìn),研制了MWYZ-H型系列主動(dòng)式煤層瓦斯壓力測(cè)定儀,其組成原理及實(shí)物如圖5所示[7]。為適應(yīng)鉆孔內(nèi)表面凸凹不平的情況,兩段固體封孔裝置由三層材料構(gòu)成:流變體層、彈性體層、鋼層膠囊層。流變體層位于固體封孔裝置最外面,具有一定的徑向和軸向流變形能,能夠與凸凹不平鉆孔內(nèi)表面緊密接觸;中間層為彈性體層,通過彈性變形可以填充接觸煤巖表面上微小溝槽;而最內(nèi)部的鋼絲膠囊層具有膨脹和耐壓作用。

常用的密封黏液由骨料、填料和黏液混合而成,骨料為不同粒徑的粉煤灰和膨潤(rùn)土,填料為不同粒徑的鋸末,黏液則由化學(xué)糨糊粉、添加劑和水混合制成。在裂隙比較發(fā)育煤巖煤孔中測(cè)壓時(shí),一般的黏液在壓力作用下會(huì)從裂隙中大量流失,無法有效密封鉆孔。因此,密封黏液必須具有自我堵漏功能,在注入鉆孔密封段后,能將鉆孔周邊裂隙堵塞并防止黏液泄漏,確保測(cè)壓工作順利進(jìn)行。為此,20世紀(jì)90年代周世寧院士和林柏泉教授一起發(fā)明了三相泡沫密封液。該密封液由氣、固、液三相組成,氣相為N2或CO2等惰性氣體,固相由剛性和塑性兩種顆粒物組成,液相為發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑混合水溶液。筆者課題組在此基礎(chǔ)上,采用均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化了針對(duì)不同鉆孔裂隙性質(zhì)的三相泡沫配方,氣相采用空氣,固相由不同粒徑的粉煤灰、爐渣、膨脹土、鋸末等混合而成,液相由一定比例的發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、懸浮劑和保水劑等水溶液混合制成[8]。經(jīng)過泡沫發(fā)生器形成的三相泡沫密封液,在壓力作用下進(jìn)入鉆孔密封段,通過Plateau邊界攜帶的固體橋堵作用和氣體賈敏效應(yīng),首先是大顆粒固體堵塞鉆孔周邊大裂隙通道,然后細(xì)小顆粒堵塞大顆粒之間的縫隙,塑性固體充填和加固剛性顆粒之間的咬合作用,從而保證密封液就不致漏失,黏液壓力得以保持。

基于“固體封液體,液體封氣體”的封孔原理,有人采用兩條毛巾及黑白料聚氨酯混合膨脹取代兩段膠囊,其它結(jié)構(gòu)與膠囊—密封黏液封孔類似。此測(cè)壓封孔方法成本低、操作簡(jiǎn)單,經(jīng)在康家灘煤礦等地的應(yīng)用實(shí)踐表明,準(zhǔn)確性與可靠性較好;但由于聚氨酯混合后膨脹速度快、耐壓強(qiáng)度有限,只適用于煤層瓦斯壓力較低和鉆孔較短的場(chǎng)所。禹增一[9]在膠囊黏液封孔器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出了一種基于氧燭的膠囊粘液自升壓封孔器,主要由固體氧燭升壓裝置、黏液儲(chǔ)存裝置、膨脹膠囊和自動(dòng)控制及測(cè)壓模塊組成。固體氧燭升壓裝置是壓力源,通過電觸發(fā)的方式使氧燭分解,產(chǎn)生大量高壓氧氣給裝置自動(dòng)加壓;粘液儲(chǔ)存裝置內(nèi)部充滿粘液,氧燭分解產(chǎn)生的氣體進(jìn)入該裝置并達(dá)到一定壓力后,其兩端的爆破閥會(huì)自動(dòng)打開并釋放粘液密封鉆孔封孔;自動(dòng)控制系統(tǒng)控制氧燭觸發(fā)裝置、膨脹膠囊和粘液儲(chǔ)存裝置增壓管路的開閉等。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)封孔測(cè)壓過程的自動(dòng)控制,簡(jiǎn)化了操作過程,提高了封孔測(cè)壓效率。

為解決本煤層測(cè)壓鉆孔易變形、塌孔及有水影響問題,擴(kuò)大膠囊—密封黏液封孔法應(yīng)用范圍,田世祥等[10]提出了仿巖孔瓦斯壓力測(cè)定方法。為避免采動(dòng)及巷道卸壓圈影響,仿巖孔長(zhǎng)度要大于50m。為先施工大直徑鉆孔至煤層中25m處,固定孔口后高壓注漿,待漿液凝固后掃孔至 煤層中50m處,再進(jìn)行第2次高壓注漿。兩次注漿壓力要求大于當(dāng)?shù)氐牡叵滤畨?以保證高壓水泥漿能夠可靠封堵煤孔周邊裂隙及地下水。第2次注漿凝固后采用75mm直徑鉆孔掃孔至50m處,再深入煤層1～2m作為測(cè)壓氣室,完成鉆孔工作,即可放入膠囊—密封黏液封孔裝置進(jìn)行測(cè)壓。

隨著定向鉆進(jìn)和信息技術(shù)的進(jìn)步,通過膠囊—密封黏液封孔裝置實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離連續(xù)記錄測(cè)壓有望得以發(fā)展。使用千米定向鉆機(jī)鉆進(jìn)到目標(biāo)煤層后,退出鉆桿,送入膠囊—密封黏液封孔裝置,通過控制水壓實(shí)現(xiàn)兩段封孔膠囊的膨脹和密封黏液的注入,封孔完成后通過有線或無線傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)煤層瓦斯壓力,并通過遠(yuǎn)程通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至外部的信號(hào)接收裝置[11]。

2 井下煤層瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)

2.1 直接法測(cè)定瓦斯含量分類

直接法測(cè)定煤層瓦斯含量通過在井下打鉆采集煤樣,根據(jù)煤樣井下瓦斯解吸規(guī)律推算取樣過程中的損失瓦斯量,然后結(jié)合井下和地面瓦斯解吸量、殘存瓦斯量,計(jì)算煤層瓦斯含量?！睹簩油咚购烤轮苯訙y(cè)定方法》(GB/T 23250-2009)按取樣方式將測(cè)定方法分為兩大類:鉆屑法和取芯法。鉆屑取樣法可分為普通鉆屑法、定點(diǎn)鉆屑法。普通鉆屑法通過麻花鉆桿螺旋排粉,在孔口直接取樣,特點(diǎn)是操作方便、效率較高,但易發(fā)生孔內(nèi)壁殘留煤樣和新鮮煤樣 “混樣”現(xiàn)象,采集的不是預(yù)定深度煤樣,不符合《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019)定樣取樣要求,目前已不推薦使用;定點(diǎn)鉆屑法通過正壓或負(fù)壓排渣、孔內(nèi)密閉鉆屑取樣器等,能夠快速采集到預(yù)定地點(diǎn)的煤樣。

取芯法按照能否避免或減少煤芯瓦斯損失,可分為敞口巖芯管取樣、密閉巖芯管取樣和冷凍巖芯管取樣。敞口巖芯管可分為單雙層,單層巖芯管取樣時(shí)巖芯管和鉆頭一起轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)煤樣擾動(dòng)大;雙層巖芯管結(jié)構(gòu)包含內(nèi)管和外管,鉆進(jìn)時(shí)外管隨鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng),內(nèi)管不轉(zhuǎn),盡可能保證煤樣原始狀態(tài)。由于敞口巖芯管退鉆、取芯過程繁瑣,操作時(shí)間長(zhǎng),不符合《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》(GB/T 23250-2009)規(guī)定的采樣時(shí)間要求,已逐步被淘汰。密閉巖芯管取樣將鉆取的煤芯通過特殊裝置密閉在取樣器中,避免煤芯瓦斯損失;冷凍巖芯管取樣通過冷凍裝置使所取煤芯處于低溫狀態(tài),從而抑制煤芯瓦斯解吸,減少瓦斯損失量。

2.2 負(fù)壓定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)

負(fù)壓定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)通過真空泵或氣體引射裝置產(chǎn)生的負(fù)壓,在鉆進(jìn)過程中將取樣鉆頭處脫落的煤屑,連續(xù)由取樣鉆桿內(nèi)部運(yùn)動(dòng)至煤屑收集器完成收集,從而實(shí)現(xiàn)快速定點(diǎn)取樣。張宏圖等[12]提出負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣系統(tǒng)如圖6 所示,包括取樣鉆頭、大內(nèi)徑中空鉆桿、采樣裝置、羅茨真空泵等。從煤層內(nèi)部向鉆頭、取樣鉆桿及鉆機(jī)依次連接,在鉆機(jī)后端的取樣鉆桿與采樣裝置之間設(shè)有三通閥門,閥門另一端連接井下壓風(fēng),采樣裝置的輸出端通過軟管連接真空泵。負(fù)壓排渣定點(diǎn)取樣過程如下:取樣前,旋轉(zhuǎn)三通閥門,接入壓風(fēng)系統(tǒng),斷開采樣裝置,正常排渣鉆進(jìn);當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定位置需要取樣時(shí),再次旋轉(zhuǎn)三通閥門,斷開壓風(fēng)系統(tǒng),接入采樣裝置,然后啟動(dòng)真空泵并按照合適速度鉆進(jìn)采集新鮮煤樣,直至采樣完成后停泵。

取樣過程中為減少因鉆頭發(fā)熱增加煤樣瓦斯損失量,王登科等[13]在負(fù)壓定點(diǎn)取樣系統(tǒng)中接入渦流冷風(fēng)機(jī)構(gòu)并將其通過供風(fēng)管與中空鉆桿的內(nèi)腔相連通,能夠在鉆進(jìn)時(shí)同時(shí)冷卻煤屑并快速取出,從而提高煤層瓦斯含量測(cè)定準(zhǔn)確性。

文光才等[14]采用 “螺旋泵—噴射器—雙壁鉆桿” 特制結(jié)構(gòu)三級(jí)送料方式進(jìn)行負(fù)壓取樣。淺孔取樣時(shí),可依靠噴射器產(chǎn)生的負(fù)壓使煤屑在鉆桿內(nèi)流動(dòng)到取樣裝置;深孔取樣時(shí),可依靠噴射器產(chǎn)生的負(fù)壓和螺旋泵的輸送共同作用使煤屑流動(dòng)到取樣裝置。袁亮、薛生[15]采用負(fù)壓氣動(dòng)控制法,分兩種方式采取煤屑,一種是內(nèi)管直徑較大的鉆桿,通過在內(nèi)管內(nèi)插入不易彎曲的軟管連接負(fù)壓泵吸取煤樣;另一種是內(nèi)管直徑較小的鉆桿,直接連接負(fù)壓泵吸取煤樣。

負(fù)壓定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、取樣時(shí)間短,所取煤樣為預(yù)定深度的煤樣,純度較高;缺點(diǎn)是取樣時(shí)依靠負(fù)壓作為動(dòng)力,對(duì)負(fù)壓環(huán)境中的鉆桿及各連接部位密封要求高,在取樣深度較大時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓數(shù)值難以滿足取樣需要。

2.3 正壓逆流定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)

正壓逆流定點(diǎn)取鉆屑技術(shù),采用雙層鉆桿,正常鉆進(jìn)時(shí),外部壓風(fēng)從內(nèi)管及內(nèi)外管間隙進(jìn)入流向鉆頭,從外管與鉆孔內(nèi)壁間攜帶煤屑從孔口排出;取樣時(shí),通過轉(zhuǎn)換接頭,外部壓風(fēng)由內(nèi)外管之間縫隙流向鉆頭,攜帶煤屑從內(nèi)管排出。因此,取樣方法和常規(guī)的氣流鉆屑流動(dòng)方向相反,故稱“逆流法”“反循環(huán)技術(shù)”。袁亮院士和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織薛生教授合作研發(fā)了雙管正壓逆流取樣裝置(復(fù)式管變壓流取樣設(shè)備),如圖7所示[15]。該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn):①可以在鉆孔任意位置定點(diǎn)取樣,最大取樣深度與鉆孔長(zhǎng)度一致;②可以在同一鉆孔不同深度多次取樣,無需反復(fù)退進(jìn)鉆桿;③可以在較松軟煤層取樣;④取樣速度快,一般不超過幾分鐘,滿足取樣時(shí)間要求。該裝置在淮南礦區(qū)顧橋礦、謝一礦等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,與傳統(tǒng)鉆屑取樣法相比,煤樣瓦斯損失量顯著減少,最大取樣深度可達(dá)65m,但取樣深度增加后有鉆桿阻塞現(xiàn)象。

圖7 雙管正壓逆流取樣裝置

2.4 正負(fù)壓聯(lián)合定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)

該技術(shù)將噴射器、反循環(huán)鉆進(jìn)和氣力輸送技術(shù)相結(jié)合,和正壓逆流取樣技術(shù)類似,也采用雙層鉆桿,但不同的是在鉆頭上內(nèi)嵌環(huán)形噴射器(圖8)。正常鉆進(jìn)時(shí),礦井壓風(fēng)由雙層鉆桿內(nèi)管和內(nèi)外管環(huán)形空間進(jìn)入,孔底切削脫落的煤屑由外管和鉆孔內(nèi)壁的間隙排出;取樣時(shí),壓風(fēng)由雙通道取樣尾辮的側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入雙層鉆桿環(huán)形空間,到達(dá)取樣鉆頭后風(fēng)流分成兩路:一部分風(fēng)流由鉆頭上內(nèi)嵌環(huán)形噴射器噴嘴進(jìn)入鉆桿中心,形成高速引射射流,從而對(duì)鉆頭正前方產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)流作用,使孔底鉆屑?xì)怏w混合流進(jìn)入鉆桿內(nèi)管通道,形成反循環(huán);另一部分風(fēng)流經(jīng)鉆頭外壁噴孔進(jìn)入孔底,遇鉆孔壁后與部分鉆屑反壓入鉆桿內(nèi)管通道,與流經(jīng)噴射器的風(fēng)流混合,共同攜帶鉆屑排出鉆桿[16]。中煤科工集團(tuán)重慶研究院在此技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)了系列SDQ深孔定點(diǎn)取樣裝置,解決了取樣粒度、取樣時(shí)間、煤樣純度和定點(diǎn)取樣的問題。此技術(shù)取樣時(shí)無需反復(fù)進(jìn)退鉆桿,操作簡(jiǎn)便,所取煤樣為預(yù)定位置新鮮煤樣,提高了瓦斯含量測(cè)定精度,但當(dāng)煤層較硬時(shí)或取樣深度較大時(shí),仍然會(huì)發(fā)生鉆頭及取樣內(nèi)管阻塞的問題,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)煤層實(shí)際條件調(diào)整取樣裝置及參數(shù)。

圖8 正負(fù)壓聯(lián)合定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)裝置圖

2.5 孔內(nèi)密閉式定點(diǎn)取鉆屑技術(shù)

為避免取樣過程中煤樣瓦斯漏失,林柏泉等[17]發(fā)明了一種取樣筒內(nèi)置活塞的密封取樣裝置。取樣時(shí),壓風(fēng)通過氣室通道驅(qū)動(dòng)彈簧頂開滑塊,使滑塊、鉆頭與取樣通道互相連通,活塞置于取樣筒后端,此時(shí)取樣筒進(jìn)口處于打開狀態(tài)可以進(jìn)行正常取樣;取樣完畢后,加大風(fēng)壓使活塞前移至取樣筒開口并使其密封。該裝置能夠一定程度減少煤樣瓦斯逸散,但對(duì)風(fēng)壓控制要求較高。王兆豐等[18]設(shè)計(jì)了一種雙層鉆桿定點(diǎn)取樣器,該取樣器設(shè)置在鉆頭后方,外層鉆桿設(shè)置取樣腔室。正常鉆進(jìn)時(shí),內(nèi)層鉆桿使取樣腔室口閉合;取樣時(shí),鉆機(jī)反轉(zhuǎn)打開取樣腔室并繼續(xù)鉆進(jìn),新鮮煤樣被刮入取樣腔室內(nèi),取樣結(jié)束后正轉(zhuǎn)鉆機(jī),內(nèi)層鉆桿再次使取樣腔室口完成封閉。該方法可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣并對(duì)所取煤樣具有一定的密封性,可以提高瓦斯含量測(cè)定精度;但取樣腔室較小,所取煤樣量有限,煤質(zhì)較硬時(shí)腔室口閉合性不好。

李全貴等[19]發(fā)明了一種煤層鉆孔定點(diǎn)取樣裝置,在取樣管筒內(nèi)壁空心部設(shè)有取樣腔,取樣腔管壁上開有孔口,取樣完成時(shí)通過磁性擋塊吸引鐵環(huán)片密封取樣腔內(nèi)煤樣。

筆者課題組發(fā)明了一種反轉(zhuǎn)密封取樣器(圖9),采用外擴(kuò)、內(nèi)鉆組合鉆頭與取樣筒上端密封盤連接,密封盤上開設(shè)有入煤孔,鉆機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)取樣時(shí)入煤孔打開使煤屑進(jìn)入取樣筒,取樣完成后鉆機(jī)逆時(shí)針反轉(zhuǎn),內(nèi)置密封頭在彈簧力作用下堵住密封盤的入煤孔,完成煤樣密封[20]。該裝置反轉(zhuǎn)密封后耐壓達(dá)到1.5MPa,退鉆過程不用考慮煤樣瓦斯漏失,取樣筒兼作解吸煤樣罐,井下無需轉(zhuǎn)移煤樣,可直接通過煤樣筒后端快接裝置進(jìn)行井下瓦斯解吸,操作便捷,但取樣器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,煤質(zhì)較硬和下向取樣鉆孔時(shí)效果不理想。

圖9 反轉(zhuǎn)密封取樣器

2.6 密閉式取芯技術(shù)

密閉式取芯技術(shù)采用特殊密封機(jī)構(gòu),在孔底鉆取煤芯后通過觸發(fā)機(jī)構(gòu)使煤芯嚴(yán)密地封閉在煤芯管內(nèi),避免煤芯瓦斯漏失,然后保持密封狀態(tài)送到實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定。我國(guó)最早在20世紀(jì)50年代在煤礦應(yīng)用過該技術(shù),但由于當(dāng)時(shí)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、取芯成功率較低而沒有廣泛推廣應(yīng)用。近年來,為提高煤層瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確性,密閉式取芯技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。筆者課題組借鑒石油鉆井取芯密封思想,發(fā)明了雙管單動(dòng)卸壓密閉取芯裝置(圖10),該裝置在煤芯筒內(nèi)設(shè)置一個(gè)密封液腔,取芯前空腔內(nèi)注滿密封液,取芯結(jié)束時(shí)通過壓風(fēng)將密封液擠壓到鉆頭前方將煤芯筒開口密封住。為增強(qiáng)密封液的封閉效果,在煤芯筒后方設(shè)計(jì)一個(gè)真空卸壓室,隨著煤芯逐漸進(jìn)入煤芯筒,煤芯筒中的特殊活塞機(jī)構(gòu)會(huì)連通真空卸壓室,從而使煤芯中的帶壓瓦斯迅速向真空室中卸壓釋放,降低煤芯瓦斯壓力。該裝置密封效果好壞取決于密封液的恰當(dāng)選擇和真空卸壓室的適時(shí)打開,操作技術(shù)要求高,適用于中硬以上煤層取樣。

隨著煤礦井下千米定向鉆進(jìn)裝備及技術(shù)的日益成熟,長(zhǎng)距離深孔密閉取芯技術(shù)已越來越引起關(guān)注。龍威成等[21]研制了一套 “三筒單動(dòng)、孔底原位球閥密封、取芯解吸一體化”密閉取心裝置,由取芯內(nèi)外筒、推動(dòng)筒、投球裝置和液壓推動(dòng)總成等構(gòu)件組成(圖11)。取芯鉆進(jìn)時(shí),外筒帶動(dòng)鉆頭鉆取煤樣,內(nèi)筒收集煤樣;取芯完成后,泥漿泵加壓通過水力驅(qū)動(dòng)將封堵球取芯裝置末端的球座,堵上水眼后加壓切斷銷釘,將取芯內(nèi)筒上下端聯(lián)動(dòng)球閥關(guān)閉從而完成密封工作。柴建祿[22]提出了基于梳狀定向鉆孔的取樣分支孔密閉取芯技術(shù),在祁東煤礦碎軟煤層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大取樣深度達(dá)484m,密閉取樣成功率67%,查明了目標(biāo)煤層瓦斯含量及賦存情況。

圖11 定點(diǎn)密閉取芯裝置

劉東等[23]研制的深孔定點(diǎn)密閉取樣裝置主要由取芯鉆頭、薄壁鉆頭(取芯)、取芯外中內(nèi)三套筒、球閥開關(guān)、截?cái)噤N、截?cái)嚅y、止回閥等組成。取芯外筒前端與鉆頭連接,取芯中筒前端有球閥開關(guān),后端有截?cái)嚅y,通過調(diào)節(jié)過水?dāng)嗝娈a(chǎn)生推力剪斷截?cái)噤N,從而實(shí)現(xiàn)球閥閉合密封;取芯內(nèi)筒收集煤心,其底座安裝有解吸氣嘴,可與解吸儀直接相連進(jìn)行煤樣井下解吸。該裝置在永夏礦區(qū)定向多分支長(zhǎng)鉆孔能夠完成632m孔深的密封取樣,提高了瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確率。盧宗瑋[24]為避免投球式密封由于投球位置不當(dāng)或煤屑造成球閥關(guān)閉失敗等問題,將加壓方式改為水力推動(dòng)活塞型結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了一種徑向錯(cuò)位密封結(jié)構(gòu),在水壓的作用下錯(cuò)位閥徑向旋轉(zhuǎn)與取芯內(nèi)筒緊密接觸密封,可以避免密封處煤屑影響并具有良好的保壓效果。謝和平、高明忠等[25-26]研發(fā)了一種保壓保瓦斯取芯器(圖12),主要外管總成和內(nèi)管總成組成,外管總成主要用于傳遞取芯動(dòng)力,內(nèi)管總成核心部件保壓控制器,采用牟合方蓋密封結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)孔底原位自觸發(fā)式保壓密封取芯。該裝置能夠?qū)⒚簩釉粯悠芳巴咚狗獯嬗诒喝⌒酒髦?通過密閉轉(zhuǎn)移及一體化破碎裝置,解決取芯與樣品轉(zhuǎn)移過程中瓦斯漏失,大大提高瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確性。

圖12 保壓保瓦斯取芯器

2.7 冷凍取芯技術(shù)

冷凍取芯技術(shù)起源于天然氣水合物領(lǐng)域,針對(duì)煤層的冷凍取芯器研究較少。王兆豐等[27]研究表明,冷凍低溫取芯可以有效降低煤樣環(huán)境溫度和瓦斯壓力,顯著減少取芯過程中煤芯瓦斯損失量。王俏等[28]研究了不同瓦斯吸附平衡壓力下冷凍取芯過程煤樣的溫度實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)冷凍效果與瓦斯吸附平衡壓力、煤變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系,含瓦斯煤冷凍效果優(yōu)于不含瓦斯煤。

當(dāng)前冷凍取芯主要制冷方式有相變制冷和機(jī)械制冷兩類,前者通過冷源相變吸熱進(jìn)行制冷,后者采用壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器進(jìn)行制冷。祁晨君[29]通過冷凍取芯模擬測(cè)試裝置,研究了干冰接觸冷凍和干冰—乙醇接觸冷凍兩種方式下煤芯溫度和壓力變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)后者制冷效果要優(yōu)于前者。羅永江等[30]發(fā)明了一種空氣鉆進(jìn)用煤瓦斯冰凍取樣器,以液氮作為冷源并儲(chǔ)存在液氮室,取芯管預(yù)先注滿清水,取樣時(shí)煤樣進(jìn)入取芯管后頂開其末端閥門并與清水混合,當(dāng)煤樣充滿取樣器時(shí)內(nèi)置頂針會(huì)打開冷凍室與取芯管之間的止回閥,液氮流入冷凍室快速凍結(jié)煤樣,從而獲得冷凍樣品。

以干冰—乙醇制冷方式的煤樣降低溫度能力有限,液氮制冷方式能有效增大煤樣最低溫度但冷源消耗快。為此,王法凱[31]以R410a為制冷劑和載冷劑,以微型壓縮機(jī)為制冷動(dòng)力,發(fā)明了一種電動(dòng)壓縮蒸發(fā)直冷式冰封保壓取芯器,主要包括:微型壓縮機(jī)、冷凝機(jī)構(gòu)、蒸發(fā)機(jī)構(gòu)、冰凍控制機(jī)構(gòu)。正常鉆進(jìn)取芯時(shí),鉆頭、外管、巖芯管、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取芯,取樣器總成不承受軸向壓力,控制機(jī)構(gòu)不動(dòng)作,微型壓縮機(jī)不動(dòng)作(圖13a)。煤芯充滿取芯管后,碰觸控制機(jī)構(gòu)行程開關(guān),取芯鉆進(jìn)停止,微型壓縮機(jī)開機(jī)運(yùn)行,制冷劑沿著冰凍管路進(jìn)行液—?dú)饨换パh(huán)流動(dòng)(圖13b),開始循環(huán)往復(fù)氣液相變,并將蒸發(fā)機(jī)構(gòu)處煤芯熱量相變帶走,如此反復(fù)連續(xù)不斷即可實(shí)現(xiàn)煤芯冷凍。等煤芯完全冰凍后將其取出并密封保存,以待下一步實(shí)驗(yàn)分析。

圖13 冰凍取芯鉆具工作示意圖

冷凍取芯技術(shù)在一定程度上能夠起到對(duì)煤芯瓦斯保壓密封作用,最大限度抑制煤芯瓦斯解吸漏失,但冷凍取芯器設(shè)計(jì)精密而復(fù)雜,操作過程繁瑣,價(jià)格昂貴,目前仍處于不斷改進(jìn)完善階段。

2.8 損失瓦斯量推算方法

3 存在問題及發(fā)展方向

(1) 煤層瓦斯壓力測(cè)定大多集中于封孔技術(shù)研發(fā),對(duì)封孔后測(cè)壓室周邊煤體瓦斯解吸滲流規(guī)律、瓦斯室壓力動(dòng)態(tài)平衡規(guī)律、封孔時(shí)間長(zhǎng)短及補(bǔ)氣壓力大小對(duì)最終測(cè)壓值影響等理論研究不深入,需要加強(qiáng)測(cè)壓基礎(chǔ)理論研究以指導(dǎo)測(cè)壓裝置及技術(shù)的研發(fā)。固體封孔測(cè)壓法優(yōu)點(diǎn)是封孔長(zhǎng)度可調(diào),特別適合超長(zhǎng)鉆孔密封,但封堵嚴(yán)密性受限;液體封孔測(cè)壓法可以動(dòng)態(tài)可靠封堵鉆孔煤巖裂隙,但封孔深度有限;隨著定向長(zhǎng)鉆孔和信息技術(shù)的發(fā)展,將兩者結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)超深鉆孔定點(diǎn)定位封孔、連續(xù)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)煤層瓦斯壓力是發(fā)展方向。

(2) 負(fù)壓排渣和正壓逆流定點(diǎn)取樣方法具有煤樣純度高、操作簡(jiǎn)便、取樣時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),但動(dòng)力源、鉆具與取樣裝置的結(jié)構(gòu)與選型不當(dāng),將直接影響排渣效果和取樣深度,定點(diǎn)取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是研究重點(diǎn);同時(shí),負(fù)壓和正壓逆流排渣時(shí)顆粒煤瓦斯解吸環(huán)境比較復(fù)雜,需要開展類似環(huán)境下顆粒煤瓦斯解吸規(guī)律研究以確定取樣過程中瓦斯損失量計(jì)算模型。

(3) 密閉取樣可以最大限度避免煤樣瓦斯損失,但仍存在鉆頭破碎煤體摩擦升溫而加快煤樣瓦斯解吸速度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、取樣不穩(wěn)定、取樣量少、密閉效果差、重量大等問題,需要研發(fā)能夠減少取樣過程摩擦升溫度和收集瓦斯逸散量的裝置,并簡(jiǎn)化密閉取樣裝置結(jié)構(gòu),提高密閉取樣可靠性;同時(shí),需要開展鉆孔施工完畢至取樣裝置鉆取煤樣時(shí)間段內(nèi),孔底煤壁至取樣長(zhǎng)度段內(nèi)瓦斯逸散規(guī)律研究,以更精確計(jì)算瓦斯損失量。冷凍取芯通過降溫使煤芯瓦斯凍結(jié)保壓密封,抑制瓦斯解吸,但裝置結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜,操作繁瑣,凍結(jié)前煤芯瓦斯隨溫度解吸規(guī)律復(fù)雜,需要建立冷凍煤芯瓦斯時(shí)變擴(kuò)散模型,以推算凍結(jié)保壓密封前煤芯瓦斯損失量。

(4) 密閉和冷凍取樣,均需要在鉆進(jìn)到預(yù)定取樣深度后退鉆、孔口更換取樣器后重新推送到孔底取樣,該過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,同時(shí)孔底煤樣段瓦斯在鉆取前已滲流逸失一部分,因此最大限度降低對(duì)煤樣擾動(dòng)、無需退鉆隨鉆快速“保真”取樣將是發(fā)展趨勢(shì),特別是近幾年正在嘗試探索的鉆孔內(nèi)原位測(cè)定技術(shù),可以隨鉆到預(yù)定位置后實(shí)時(shí)取樣,直接在孔內(nèi)進(jìn)行原位瓦斯含量測(cè)定。

4 結(jié)論

(1) 煤層瓦斯壓力與含量作為最基本的兩個(gè)瓦斯參數(shù),在煤礦瓦斯賦存與分布規(guī)律、瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)、瓦斯抽采與災(zāi)害防治效果評(píng)價(jià)等方面具有重要的作用。

(2) 前期的大量研究與應(yīng)用,為我國(guó)瓦斯壓力與含量測(cè)定技術(shù)的發(fā)展積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。隨著基礎(chǔ)理論研究的不斷深入、工藝技術(shù)水平的不斷提高、信息化與智能化的不斷發(fā)展,針對(duì)不同地質(zhì)條件的固液耦合隨鉆動(dòng)態(tài)智能封孔、可視化實(shí)時(shí)測(cè)壓和取樣智能化密閉、隨鉆孔內(nèi)原位測(cè)定瓦斯含量等技術(shù)將會(huì)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

(3) 基于地球物理方法的非接觸式的反演技術(shù)在井下煤層瓦斯壓力與含量測(cè)定領(lǐng)域的應(yīng)用,將會(huì)為技術(shù)提供新的發(fā)展方向。