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第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY sealed coring; accurate test; sampling from long borehole; underground coalmine ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 47 卷 瓦斯煤层气含量是表征煤储层特征的关键参 数之一[1]，是煤层瓦斯灾害危险程度评价[2]、矿井瓦 斯治理工程设计[3]、矿井瓦斯储量估算和煤层瓦斯 预抽效果评估[4]的重要依据。煤矿井下煤层瓦斯含 量测定遵循 GB/T 232502009煤层瓦斯含量井下 直接测定方法 [5]，据该标准可知，煤层瓦斯含量总 体上由损失量、解吸量和脱气量煤样粉碎前脱气瓦 斯量和煤样粉碎后脱气瓦斯量3 部分构成，其中解 吸量和脱气量是由煤样实测所得，而损失量是利用 煤样井下早期解吸数据按照一定方法估算所得。为 提高煤样损失瓦斯量估算的准确性，标准要求煤样 定点采取且时间控制在 5 min 内，对取样深度较小 的钻孔一般能满足，而对取样深度较大孔深大于 100 m的钻孔就无法实现。随着煤矿采掘速率的提 升和煤矿瓦斯区域超前治理及效果检测的需要，亟 需在井下对煤层瓦斯进行大范围的超前探测。 因此， 开展煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试技术及 装置研究具有重要的现实意义。 对于煤层瓦斯含量测定前人进行了大量研究工 作。R. M. Barrer[6]研究得出煤中累计吸附量或解吸 气体量与时间的平方根成正比，Н. И. ВСТИНОВ[7] 提出了描述煤矿井下采落煤块瓦斯解吸气体量模 型。根据我国煤层实际情况国内学者[8-10]对这两种 模型进行深入研究，形成了我国煤矿井下煤层瓦斯 含量直接测定中损失量估算的理论基础。相关学者 针对煤矿井下煤层特殊取样及瓦斯参数测试也进行 了大量探索，胡千庭等[11]研究了井下双层取心管采 取煤样及瓦斯含量快速测定方法，林柏泉等[12]提出 了一种煤矿密封取样装置及使用方法，王兆丰等[13] 研制出煤与瓦斯突出定点取样器，文光才等[14]研究 了深孔瓦斯的快速取样系统，其现场应用表明最大 取样深度达 93 m[15]。 张宏图等[16]总结分析了我国煤 层瓦斯含量测定定点取样方法。中煤科工集团西安 研究院有限公司[17-19]“十一五” “十二五”期间在国 家科技重大专项的资助下开展了煤矿井下煤层瓦斯 含量测定密闭取样装置研究工作，笔者在此研究工 作的基础上，开展了煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量 精准测试技术及装置的研究和试验工作。 1 煤矿井下长钻孔煤层瓦斯密闭取心精准测试 原理 依据 GB/T 232502009煤层瓦斯含量井下直 接测定方法中关于煤层瓦斯含量构成可知，损失 量是煤样装罐密封前暴露情况下逸散丢失的气体 量，是根据煤样装罐后早期解吸气量数据采用t法 或幂函数法估算所得。因损失量估算模型本身假设 条件的局限性给损失量估算结果带来误差，导致煤 层瓦斯含量测试结果不准[20-21]；另外，井下深孔退 钻取样时间一般较长，在此过程中煤样处于开放式 岩心管中，大量吸附态瓦斯开始解吸并逸散，利用 t法或幂函数法估算的损失量与实际相差很大，估 算结果不可靠。为此，借鉴油气勘探取样方法，提 出了煤矿井下煤层瓦斯密闭取样和精准测试方法， 该方法原理是，在煤样进入取心筒后采用特殊装置 将其密封，防止煤样瓦斯解吸逸散丢失；然后逐根 退出钻杆，从钻孔中取出密闭的取心筒；将密闭的 取心筒运到地面，打开阀门进行解吸，计量瓦斯量， 实现煤矿井下长钻孔取样煤层瓦斯含量精准测试。 2 煤层瓦斯密闭取样装置设计和试制 根据煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量测定密闭取 样及测试要求，设计密闭取心器为“三筒单动、球阀 密闭”结构，装置整体上由取心外筒、取心内筒和取 心中间筒构成，密闭取样装置结构示意图如图 1 所 示。取心外筒两端分别与钻探取心钻杆和密闭取心 钻头相连，传递钻压和扭矩，确保钻进过程中煤样 能进入密闭取心装置。取心内筒是非旋转筒，是煤 样及其解吸气体量的存储容器，取心内筒容积大小 以满足煤层瓦斯含量测定煤样量采取的需要，取心 内筒上下端与密封球阀和解吸阀门连接，密封球阀 对装入取心内筒的煤样进行保压密封，解吸阀门是 测量取心内筒中煤样瓦斯量的连接口。取心中间筒 是液压推动筒，在钻杆连接端用销子与悬挂总成相 连，传递液压动力，推动取心内筒上下端球阀联动 关闭，实现煤样密封。密闭取心装置前端是密闭取 心钻头，在钻压和扭矩作用下，密闭取心钻头切削 煤层形成钻孔，煤样通过取心钻头中间的圆孔进入 取心内筒，完成取心钻进的煤样采集。 图 1 煤矿井下密闭取心装置结构 Fig.1 Structure of sealed coring device for underground coalmine ChaoXing 第 4 期 孙四清等 煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试技术及装置 3 密闭取心装置不仅要能密封住瓦斯而且还要有 一定保压能力，防止煤样解吸出的气体压力将密闭 球阀撑开，造成煤样密封失效。各个矿区煤层瓦斯 地质条件不同，煤层瓦斯压力差异也比较大，要求 密闭取心装置在密闭保压能力上要有一定富余系 数。密闭取心装置研制完成后对其密闭保压能力进 行了试验检测，检测方法是向密闭取心内筒中注入 一定量的高压氮气，注气后切断高压气源，连续观 测密闭取心内筒中气体压力变化，当观测压力表值 无明显变化后，将充有高压氮气的取心内筒置于清 水中观测是否有气泡现象。本次气密性检测试验注 入的氮气压力为 11.3 MPa，气密性检测过程中，取 心内筒气体压力随时间的变化曲线如图 2 所示，注 入初期压力有小幅度下降，然后稳定在 11 MPa 以 上，且取心内筒在清水中观测无气泡现象；初期气 体压力小幅下降，分析认为是因注气过程取心内筒 及其内部气体温度变化所致，后期监测压力稳定。 气密性检测结果表明，密闭取心装置的密闭保压能 力在 11 MPa 以上， 满足我国煤矿井下煤层瓦斯含量 测定密闭保压采样的需要。 图 2 密闭取心器密封性压力监测曲线 Fig.2 Relationship between sealing pressure and holding time of sealed coring device 3 煤层瓦斯密闭取心工艺技术与含量测试方法 3.1 煤层瓦斯密闭取心工艺技术 密闭取心前将取心内筒两端球阀置于打开状 态，便于钻进时煤样能够顺利进入取心内筒。当钻 孔钻到煤层预定深度后，利用钻杆将密闭取心装置 送到孔底，开启泥浆泵利用高压水排掉取心筒内及 周围煤粉，开始一段无心钻进后进行煤层密闭取心 钻进。在钻压的推动作用下煤样不断进入到取心内 筒，通过取心内筒末端球阀不断将其内部空气及泥 浆液排挤掉。取心钻进过程中泥浆液通过取心内筒 与取心外筒之间的间隙流入取心钻头末端的水眼， 冷却钻头，避免取心钻进中的切削、研磨导致煤样 温度升高；另外，泥浆携带取心钻头切削掉的煤粉 经过钻孔孔壁与取心外筒之间的环状间隙流出孔 底。当取心钻进长度达到设计值时，向钻杆内部放 置一定直径的轻质球，利用泥浆液将轻质球送入到 密闭取心器末端球座，堵住密闭取心器上端水眼， 使得钻杆内泥浆液压力升高，当压力升高到一定值 后切断取心中间筒与悬挂总成之间的连接销钉，依 靠销钉剪断时瞬间提供的能量推动取心中间筒向前 运动，带动取心内筒上下端球阀联动关闭，取心内 筒煤样被密封；在球阀联动关闭的同时，密闭取心 器水路再次被打开，泥浆液压力下降。煤层样取心、 密闭完成后，退钻提出密闭煤样，进行煤层瓦斯含 量的相关测试工作。 3.2 煤层瓦斯含量测试方法 取心钻杆将密闭取心装置从钻孔深部提出后， 拆卸掉密闭取心装置的外筒和取心中间液压推动 筒，检查密闭取心内筒上下端球阀的密闭性；确认 取心内筒上下端密闭球阀无漏气现象后，将瓦斯解 吸计量装置与密闭取心内筒上端的解吸阀门连接。 首先，对煤样进行井下现场解吸气测试，测量提钻 过程中取心内筒煤样解吸并封存于取心内筒中的游 离气以及煤样压力降至常压下解吸气含量 Q1，并记 录井下现场空气温度和压力；然后将密闭煤样提至 地面，测试煤样粉碎前脱出的瓦斯气含量 Q2；最后 对煤样进行粉碎，测量粉碎过程中及粉碎后脱出的 瓦斯气含量 Q3。煤样井下现场解吸气含量、煤样粉 碎前脱气含量和煤样粉碎后脱气含量之和就是煤样 瓦斯含量，即QmQ1Q2Q3。 4 现场工程试验及结果分析 4.1 现场工程试验 a. 试验矿井煤层特征 试验矿井是我国典型 高突矿区，目标煤层为二叠系下统山西组 3 号煤， 煤的镜质体最大反射率为 4.174.36，平均 4.24。煤层厚度 4.458.75 m，平均 6.31 m，煤层 含夹矸 13 层。煤体呈钢灰色，似金属光泽，煤岩 成分以亮煤为主，暗煤次之，宏观煤岩类型为半亮 型煤。井下煤壁观测煤体结构总体较好，原生结构 或碎裂结构，局部发育较薄层的碎粒煤或糜棱煤； 研究区硬煤 [22]的坚固性系数为 1.051.88，平均 1.37，构造软煤[22]的坚固性系数为 0.350.55。地面 井测得煤层 埋深 200400 m 段煤 层瓦斯含量 4.7520.89 m3/t，平均 11.32 m3/t，煤层埋深 403 695 m段煤层瓦斯含量7.6725.76 m3/t， 平均19.12 m3/t， 煤层埋深 300 m 井下测得瓦斯压力 1.81 MPa。煤层 开采前采用定向钻机对煤层瓦斯进行区域预抽，抽 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 47 卷 采效果达标后再进行巷道掘进。 b. 密闭取心工程设计及主要设备 本次试验 是利用研制的煤矿井下密闭取心装置对煤层瓦斯预 抽 36 个月后的煤层瓦斯含量进行效果检测，并采 用常规取心法在同钻孔同深度处采集煤样进行煤层 瓦斯含量测定。密闭取心钻进设备采用 ZDY12000- LD 型定向钻机，主要参数Φ89 mm 中心通缆钻杆 和 Φ89 mm 无磁钻杆， Φ120 钻头。 选用 3NB-300/12- 45型泥浆泵为煤层深孔钻进和密闭取心球阀联动关 闭的动力源。 c. 密闭取心工程试验及结果 密闭取心煤样 煤层瓦斯含量测定按照 3.2 节的测试方法进行，常 规取心方法煤层瓦斯含量测试依据 GB/T 23250 2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法执行。共 计开展了 4 个钻孔、采取 5 组样品的煤层瓦斯含量 测试对比试验，结果如表 1 所示。 表 1 煤矿井下密闭取心与常规取心煤层瓦斯含量测试结果对比 Table 1 Comparison of gas content between sealed coring and conventional coring in underground coalmine 钻孔 编号 取样 方式 取样 深度/m 球阀关闭 压力/MPa 球阀 关闭状态 煤层瓦斯 含量/m3t-1 密闭取心与常规 取心瓦斯含量之比 煤样 质量 密闭取心 120121.5 9.73 合格 1号 常规取心 120121.5 10 密闭 7.70 1.26 合格 密闭取心 180181.5 7.34 合格 常规取心 180181.5 7 密闭 3.08 2.38 合格 密闭取心 360361.5 11.18 合格 2号 常规取心 360361.5 8 密闭 6.52 1.71 合格 密闭取心 195196 14.15 合格 3号 常规取心 195196 13 密闭 4.61 3.07 合格 密闭取心 304305.2 11.68 合格 4号 常规取心 304305 14 密闭 4.16 2.81 合格 注煤样质量符合 GB/T 232502009煤层瓦斯含量井下直接测定方法要求。 4.2 试验结果分析 根据表 1 可知，4 个钻孔 5 次煤矿井下密闭取 心试验的煤样采取深度为 120361.5 m， 推动密闭球 阀关闭时的泵压达到 714 MPa，平均 10.4 MPa，现 场检查密闭取样装置球阀处于完全关闭状态，实现 了球阀密封煤样避免气体解吸逸散的目的，5 次密 闭取心和常规取心采集到的煤样质量符合煤层瓦斯 含量测试规范要求。5 组密闭取心与常规取心煤层 瓦斯含量测试结果对比试验表明，密闭取心法测得 的煤层瓦斯含量是常规取心法测得的 1.263.07 倍， 平均 2.25 倍。 煤矿井下密闭取心煤层瓦斯含量测定工程试验 结果表明 ① 采用自主研制的煤矿井下煤层密闭取 心装置能够实现煤样的定点、密闭采取和瓦斯含量 精准测试，规避了常规取心法损失量估算不准、长 钻孔煤样暴露时间过长而无法准确测定煤层瓦斯含 量的现实问题；② 长钻孔钻孔深度超过 100 m常 规取心法测得的煤层瓦斯含量较煤储层实际瓦斯含 量存在较大差异，其测试结果不能有效指导生产。 5 结 论 a. 提出了煤矿井下长钻孔煤层瓦斯密闭取心 精准测试方法和工艺技术。 b. 研制了适合于煤矿井下煤层瓦斯含量测定 “三筒单动、球阀密闭”密闭取心装置，该装置密封 气体压力达 11 MPa，取心装置外径 89 mm，煤心直 径可达 38 mm。 c. 利用密闭取心装置在我国典型矿区开展了 煤矿井下煤层密闭取心瓦斯含量测试工程试验，试 验钻孔密闭取样深度达到 361.5 m。测试结果表明， 密闭取心法测得的煤层瓦斯含量是常规取心法的 1.263.07 倍，平均 2.25 倍，密闭取心测试结果较好 地反映了检测区域煤层瓦斯抽采效果。 参考文献 [1] 张群， 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