深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索 高明，息1 ’2 ’3 ⋯，陈领5 ，凡 田东庄6 ，李 东6 ，杨明庆3 ⋯，刘程6 ，李佳南5 ，赵 聪3 ⋯，王瑞泽6 ，谢和平1 ’2 ’3 ’4 乐1 ’2 ， 1 ．深圳大学广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，广东深圳5 1 8 0 6 0 ；2 ．深圳大学深地科学与绿色能源研究院，广东深圳5 1 8 0 6 0 ； 3 ．四川大学水利水电学院，四川成都6 1 0 0 6 5 ；4 ．四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都6 1 0 0 6 5 ；5 ．四川大学机械 工程学院，四川成都6 1 0 0 6 5 ；6 ．中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要煤矿瓦斯灾害防治是矿井安全生产的重点和难点，其核心是煤层瓦斯含量与压力的精准测 定。目前含瓦斯煤层 或煤矿 取样普遍采用开放式或球阀密闭式取芯技术，取芯效率低，且瓦斯 容易损失、测量时效性差，难以保证瓦斯含量与压力数据的准确性与有效性，不能有效评估煤层风 险特征指标以指导工程实践。首先深入剖析了深部煤层原位压力内涵，阐明了原位保压保瓦斯取 芯的基本目标，建议了原位瓦斯压力及含量的测定与计算方法。其次，基于牟合方盖几何原理，提 出了保压保瓦斯取芯工具构想，采用多重防转的取芯结构设计和连续导管作业工艺，能够实现煤样 低扰动取芯，确保所取样品瓦斯含量与原位煤层一致；设计了5 种构型的自触发式保压控制器，基 于自主研发的实验室保压特性试验平台开展了保压能力相关参数测试，结果表明随着保压控制器 锥形角度的增加，边缘的有效支撑面增大，极限强度增加。同时，开展了连续导管抗扭特性实验，在 扭矩、管长、外径一定时，连续导管扭转角随壁厚的增加逐渐变小、抗扭性能增强，岩芯受到的扰动 降低。最后，研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理样机，由煤矿坑道钻机、连续导管装备、保压 保瓦斯取芯器等组成，基于仿真模拟和室内试验数据，选定了马鞍形保压控制器 保压能力最高可 达1 0 0 ．9M P a ，C T 9 0 钢的连续导管 直径3 8 ．1m m 、壁厚3 ．1 8m m 。基于此，形成了原位保压保 瓦斯取芯作业工艺，在现场测试过程中系统整体运行平稳并取得保压样品，初步验证了原理样机设 计合理、装配精密可靠。该取芯系统具备保压能力强、取芯扰动小、取芯效率高、随钻随测等作业优 势，有望突破测定煤层原位瓦斯含量与压力的技术瓶颈。 关键词煤层瓦斯；取芯；保压；保瓦斯；连续导管；低扰动；瓦斯含量；瓦斯压力 中图分类号T U 4 5 ；T D 7 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 8 8 5 1 3 P r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo fc o r i n gw i t hi n - s i t up r e s s u r ea n dg a s m a i n t a i n i n gi nd e e pc o a lm i n e G A OM i n g z h o n 9 1 2 ，3 ⋯，C H E NL i n 9 5 ，F A ND o n 9 6 ，Y A N GM i n g q i n 9 3 ⋯，L I UC h e n 9 6 ，L IJ i a n a n 5 ， Z H A OL e l 一，T I A ND o n g z h u a n 9 6 ，L IC o n 9 3 ⋯，W A N GR u i z e 6 ，X I EH e p i n 9 1 ’2 ，3 ’4 1 ．G u a n g d o n gP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo f D e e pE a r t hS c i e n c e sa n dG e o t h e r m a lE n e r g yE x p l o i t a t i o na n dU t i l i z a t i o n ，S h e n z h e nU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n 5 1 8 0 6 0 收稿日期2 0 2 1 - 0 2 - 1 6修回日期2 0 2 1 0 3 - 0 1 责任编辑黄小雨D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 1 ．0 2 9 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 2 7 9 0 1 ，U 2 0 1 3 6 0 3 ；广东省珠江人才计划引进创新创业团队计划资助项 目 2 0 1 9 Z T 0 8 G 3 1 5 作者简介高明忠 1 9 8 0 一 ，男，山西吕梁人，教授。E m a i l g a o m i n g z h o n g 1 6 3 ．c o r n 通讯作者陈领 1 9 8 6 一 ，男，湖南娄底人，副教授。E m a i l c h e n l i n g s c u S O U ．e d u ．c n 引用格式高明忠，陈领，凡东，等．深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 8 8 5 8 9 7 ． G A OM i n g z h o n g ，C H E NL i n g ，F A ND o n g ，e ta 1 ．P r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo fc o r i n gw i t hi n s i t up r e s s u r ea n dg a s m a i n t a i n i n gi nd e e pc o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 8 8 5 8 9 7 ． 移动阅读 万方数据 8 8 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 C h i n a ；2 ．I n s t i t u t eo f D e e pE a r t hS c i e n c e sa n dG r e e nE n e r g y ，S h e n z h e nU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n5 1 8 0 6 0 ，C h i n a ；3 ．C o l l e g eo fW a t e rR e s o u r c e ＆H y d r o p o w e r ，S i - c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ；4 ．S t a t eK e yL a bo f H y d r a u l i c sa n dM o u n t a i nR i v e r E n g i n g e e r i n g ，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ； 5 ．S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ；6 ．X i ’a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aC o a lT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n g G r o u pC o r p ．，X i ’a n7 1 0 0 5 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fc o a lm i n eg a sd i s a s t e ra r eb o t hc r u c i a la n dc h a l l e n g i n gt om i n es a f ep r o d u c t i o n ．T h ec o r ei s s u el i e si nt h ea c c u r a t ed e t e r m i n a t i o no fc o a ls e a mg a sc o n t e n ta n dp r e s s u r e ．A tp r e s e n t ，t h eo p e no r b a l lv a l v es e a l e dc o r i n gi sw i d e l yu s e dt oo b t a i nc o a ls a m p l e sc o n t a i n i n gg a s ．H o w e v e r ，t h e s ea p p r o a c h e sd e m o n s t r a t ea l o wc o r i n ge f f i c i e n c y ，p o o rt i m e l i n e s s ，a n de a s yg a sl o s s ，m a k i n gi th a r dt oe n s u r et h et e s td a t a ’sa c c u r a c ya n de f f e c 。 t i v e n e s s ，a n df a i lt oe f f e c t i v e l ye v a l u a t ec o a ls e a mr i s kc h a r a c t e r i s t i ci n d e xt og u i d ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ．T h i ss t u d yb e g i n sw i t ha ni n d e p t ha n a l y s i so ft h ec o n n o t a t i o no fd e e pc o a ls e a mi n s i t up r e s s u r e ，e x p o u n d so nt h ep r i m a r yg o a l so f i n - s i t up r e s s u r ea n dg a sr e t a i n i n gc o r i n g ，a n dr e c o m m e n d ss o m em e t h o d sf o rd e t e r m i n i n ga n dc o m p u t i n gi n s i t ug a s p r e s s u r ea n dc o n t e n t ．I na d d i t i o n ，b a s e do nS t e i n m e t zs o l i d ’sg e o m e t r i cp r i n c i p l e ，t h ec o n c e p to fp r e s s u r ea n dg a sr e t a i n i n gc o r i n gt o o li sp r o p o s e d ．T h em u l t i p l ea n t i r o t a t i o nc o r i n gs t r u c t u r ed e s i g na n dc o i l e dt u b i n go p e r a t i o nt e c h n o l o g y h e l pt om i n i m i z et h ed i s t u r b a n c eo fc o a ls a m p l ed u r i n gt h ec o r i n gp r o c e s s ，s t r i v i n gf o rc o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ec o a l s e a mg a sc o n t e n to ft h es a m p l e so b t a i n e da n dt h ei n s i t ug a sc o n t e n t ．F i v et y p e so fs e l f - t r i g g e r i n gp r e s s u r e m a i n t a i n i n g c o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e d ，a n dt h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fp r e s s u r e m a i n t a i n i n gc a p a c i t ya r et e s t e do nt h es e r f - d e v e l o p e d i n d o o rp r e s s u r er e t a i n i n gc h a r a c t e r i s t i ct e s tp l a t f o r m ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta st h ec o n ea n g l eo ft h ep r e s s u r er e t a i n i n g c o n t r o l l e ri n c r e a s e s ，t h ee f f e c t i v es u p p o r t i n gs u r f a c eo ft h ee d g ei n c r e a s e sa sw e l l ，a n dt h eu l t i m a t es t r e n g t hg o e sh i g h e r ．A tt h es a l n et i m e ，t h et o r s i o nr e s i s t a n c ee x p e r i m e n to ft h ec o i l e dt u b i n gi sc a r r i e do u t ．W h e nt h et o r q u e ，l e n g t ha n d o u t e rd i a m e t e ra r ef i x e d ，t h et o r s i o na n g l eo ft h ec o i l e dt u b i n gg r a d u a l l yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft u b ew a l lt h i c k n e s s ，e n h a n c i n gt h et o r s i o nr e s i s t a n c e ，a n dr e s u l t i n gi nr e d u c e dd i s t u r b a n c et o t h ec o r e ．F i n a l l y ，ap r o t o t y p eo fi n s i t u p r e s s u r ea n dg a sr e t a i n i n gd e e pc o a lc o r e ri sd e v e l o p e d ．I ti sc o m p o s e do far o a d w a yd r i l l i n gr i g ，c o i l e dt u b i n ge q u i p m e n t ，a n dp r e s s u r ea n dg a sr e t a i n i n gc o r i n gd e v i c e ．A c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n dl a b o r a t o r yt e s td a t a ，t h es a d d l e p r e s s u r e m a i n t a i n i n gc o n t r o l l e r t h em a x i m u mp r e s s u r e m a i n t a i n i n gc a p a c i t yc a nr e a c h1 0 0 ．9M P a a n dt h ec o i l e d t u b i n gm a d eo fC T 9 0s t e e l w i t had i a m e t e ro f3 8 ．1m m 。t u b et h i c k n e s so f3 ．18m m h a v e b e e ns e l e c t e d ．T h et e c h n o l o g yo fi n s i t up r e s s u r ea n dg a sr e t a i n i n gc o r i n gh a sb e e np r e l i m i n a r i l ye s t a b l i s h e d ．T h ee n t i r es y s t e mr u n ss m o o t h l y w i t hf l e x i b i l i t yd u r i n gt h ef i e l dt e s ta n ds u c c e s s f u l l yo b t a i n sp r e s s u r e m a i n t a i n i n gs a m p l e s ．I th a sb e e np r e l i m i n a r i l y v e r i f i e dt h a tt h ep r o t o t y p ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dt h ea s s e m b l yi sp r e c i s ea n dr e l i a b l e ．T h ec o r i n gs y s t e mc o m e sw i t h e x c e l l e n tp r e s s u r e ．m a i n t a i n i n gp e r f o r m a n c e ，l o wd i s t u r b a n c e ，h i g he f f i c i e n c y ，a n dl o g g i n gc a p a b i l i t yw h i l ed r i l l i n g ．I ti s e x p e c t e dt ob r e a kt h r o u g ht h et e c h n i c a lb o t t l e n e c ko fi n s i t ug a sp r e s s u r ea n dc o n t e n td e t e r m i n a t i o n ． K e yw o r d s c o a l b e dm e t h a n e ；c o r i n g ；p r e s s u r em a i n t a i n i n g ；g a sm a i n t a i n i n g ；c o i l e dt u b i n g ；l o wd i s t u r b a n c e ；c o a l b e d g a sc o n t e n t ；c o a l b e dg a sp r e s s u r e 能源是社会经济快速发展的动力，煤炭在我国能 源消耗结构中长期占据主导地位o l - 4J ，2 0 1 9 年我国能 源消耗总量为4 8 ．6 亿t 标准煤，其中煤炭占 5 7 ．7 ％[ 5 - 6 ] 。然而，煤矿生产过程中安全事故频发， 顶板垮塌、水害、瓦斯灾害等安全事故严重威胁煤炭 的安全绿色开采【卜1 3J 。其中，瓦斯灾害防治是煤矿安 全生产的重点和难点4 叫8 | ，2 0 1 3 - - 2 0 1 8 年，我国因瓦 斯灾害遇难人数高达12 0 0 人，占同期煤矿事故遇难 人数的3 1 ．3 3 ％D 93 。同时，煤层瓦斯作为一种化石 源，具有重要的利用价值‘20 | ，我国煤层气储量巨 ，埋深20 0 0m 以浅的煤层气资源量约3 6 ．8 万 m 3 1 2 1 ] ，如能有效开发利用，将有望优化我国能源 结构，对于进一步确保国家能源安全意义重大。 瓦斯含量准确表征是煤矿瓦斯灾害防治和煤层 资源开发的重要依据，传统开放式瓦斯勘探技术测 得的瓦斯含量理论上低于储层的实际瓦斯含 量心2 ‘23 | ，严重影响瓦斯治理方案设计与制定的科学 性。因此，如何精准测定煤层瓦斯含量成为煤矿瓦斯 灾害防治和煤层气高效开发利用的关键Ⅲ。25 | 。目前 测定煤层瓦斯含量的方法分为直接法和间接法。直 接法是利用矿井钻机在煤层中获取煤样后进行瓦斯 含量测定旧6 | ，该方法在取芯过程中采用常规开放式 取芯方式旧卜28 | ，煤样在孔内提升和地面暴露过程中 大量原位瓦斯被释放，导致瓦斯含量的估算失 气 总能大亿 万方数据 第3 期高明忠等深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索 8 8 7 真旧9 。3 0o ；间接法是综合现场测定的瓦斯压力与实验 室测得的原煤瓦斯放散数据口1 | ，通过L a n g m u i r 方程 等理论来估算瓦斯含量，依然存在瓦斯压力测定复 杂、周期长、成功率低、精准度欠缺等不足。 煤层瓦斯压力是煤矿生产实践的基础参数，为了 准确快速的测定煤层瓦斯压力，国内外学者开展了大 量的研究与探索。总体上，煤层瓦斯压力测定方法亦 可以分为直接法和间接法两大类。直接测定法是目 前瓦斯压力测定的常用方法，首先向煤层内部打钻 孔，再利用封孔材料和测压仪来测定煤层瓦斯压 力旧2 ‘33 | 。由于在封孔深度、封孔材料、封孔工艺技术 等方面仍然存在瓦斯泄漏问题，目前难以精准测得煤 层原位瓦斯压力。间接法是根据煤层瓦斯含量、煤样 的吸附常数等参数，通过L a n g m u i r 方程计算得到瓦 斯压力一4 。。间接法由于需要测定煤样的特征信息， 特别是需要测定瓦斯含量，操作过程繁琐，所测误差 值较大‘35 。。 针对目前瓦斯含量和瓦斯压力测定的不足，一些 学者开始研发原位保瓦斯或保压的煤层取芯装备。 秦玉金旧刮在总结我国地勘瓦斯含量测定方法的基础 上，建议推广绳索取芯、保压取芯等技术来减少瓦斯 含量测定误差；陈雄等∞通过对不同取样方式进行 对比分析，确定了一种合理的S D Q 深孔定点取样方 法，但取芯过程无法保持原位瓦斯压力；贵宏伟等旧副 研制了超深钻孔取芯装置，攻关解决了超深钻孔取样 期间定点和密闭技术难题；景兴鹏∞引研制了直接机 械密闭取芯的装置，使测试瓦斯解吸装置和取芯装置 一体化；孙四清、龙威威等㈤。4 列试制了适用于地面井 瓦斯含量测定的“三筒单动、球阀关闭、取芯筒与解 吸罐一体化”的密闭取芯器。在保瓦斯取芯方面，杨 昌光等Ⅲ1 设计的压风排渣取芯器可控制煤样暴露时 间在3m i n 之内，可一定程度上减少瓦斯损失；文光 才等Ⅲo 研制出一种钻孔引射取芯装置，该装置能够 对煤样进行快速收集，避免煤样长时间暴露导致瓦斯 损失量增加；W A N G 等㈤o 研发了一种煤与瓦斯突出 定点取芯器，将取出的煤芯置于密闭空间以减少取样 操作中的瓦斯损失；任浩洋等H 卜圳提出了低温冷冻 取芯方法，其仍存在岩芯暴露的问题，无法完全保持 原位瓦斯含量。 目前煤矿保压取芯或者保瓦斯取芯普遍采用以 球阀为主的密闭提钻取芯传统作业方式，原位煤样会 受到钻杆转动带来的旋转扰动导致样品产状表征异 常或损坏严重，容易引起瓦斯解吸，特别是球阀占据 空间较大，限制了钻取煤芯的直径，且当密闭压力较 大时，容易泄漏压力导致密封失效，无法真正实现保 压保瓦斯取芯，难以真正获得原位瓦斯压力与瓦斯含 量。笔者提出一种深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原 理与技术，集成连续导管作业方案，以期实现取芯效 率高、保压性能稳定、抗扭防转等优势，为精准测定煤 层瓦斯含量、瓦斯压力奠定理论与技术基础，对于煤 矿瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发也具有重要意义。 1 煤矿瓦斯含量与压力测定原理及方法 深部煤层瓦斯压力内涵的精准定义可为保压取 芯装备数据后处理提供科学依据。本节深人剖析了 煤层压力的组成与原位流体压力的形成机制，结合取 芯原理，进一步推导了多相流体共存煤层的瓦斯压力 计算方法。 1 ．1 深部煤层压力的内涵 深部煤层的压力包括煤层原位地应力、瓦斯压 力、水压力等，本文所述的深部煤矿原位保压保瓦斯 取芯目标是获得包含原位瓦斯压力和瓦斯含量的煤 芯。因此所涉及的“压力”不是煤矿原位的地层应 力，而是指原位的孔隙压力，包括游离态的瓦斯压力 和水压。气态瓦斯和液态水以一定的压力状态赋存 于煤层的孔隙和裂隙中，通过有效保压作业方式，将 包括游离态瓦斯、吸附态瓦斯在内的固、液、气多相物 质组成的煤芯从原位煤层取出，从而获取原位煤层真 正的瓦斯压力与含量。 1 ．2 煤层瓦斯压力测定理论及方法 深部煤矿原位保压保瓦斯取芯工具的岩芯舱上 部设有压力传感器，可实时监测、采集、记录岩芯舱内 部压力波动。然而，不同地质条件下传感器所测压力 并非与原位瓦斯压力相等，如在多相流体共存时煤层 压力可能包含孔隙水压、水蒸气压力等，需根据实际 情况分别进行讨论。 1 ．2 ．1 干燥煤岩体 P 。 0 基于深部原位保压保瓦斯取芯工具获得的煤岩 试样压力P 。，其瓦斯处于吸附解吸平衡状态，即煤层 原位瓦斯压力∞叫为 P 。 P 。 1 其中，P 。为孔隙水压，M P a ；P 。为原位瓦斯压 力，M P a ；P 。为取芯过程随钻测量的压力，M P a 。 1 ．2 ．2 含水煤岩体 P 。 P 。 由于传统高温高压等温吸附试验装置无法直接 测量试验系统中水蒸气的含量，而水蒸气又具有一定 的分压作用 即分离压力 ，可能会改变试验系统中 甲烷气体的压力而对甲烷吸附量的准确评估产生影 响卜5 2J 。实际上，保真取芯工具测得的压力P 。，包 含了水蒸气压力和气体压力。因此，在估算瓦斯吸附 万方数据 8 8 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 量时需要进一步考虑水蒸气的分压作用及水分对煤 吸附瓦斯量的抑制作用。 1 方法1 气体分压法。 水蒸气压力P 7 T 可用饱和水蒸气压力P ； r 与水分活度系数口。的乘积∞2 1 表示为 P ” T o 。碟 T 2 其中，饱和蒸气压懿 丁 可依据A n t o i n e 方程估算 l g “ r A 一亓百蒜 3 其中，群 丁 为饱和蒸气压，M P a ；T 为煤层温度，K ； A ，B ，C 是水分相关参数，分别为5 ．1 1 56 4 ，16 8 7 ．5 3 7 和2 3 0 ．1 7 。继而，可依据道尔顿分压定律求出原位 瓦斯压力E 5 3 ] 为 P 。 P 。一p v r P 。一1 0 5 ．1 1 56 4 一黑口。 4 2 方法2 浓度法。 通过随钻测井工具，获得煤岩赋存瓦斯物质的量 浓度，根据下式计算原位瓦斯压力“ 4 I 。 P 。 C o R r 5 其中，C 。为气体物质的量浓度；R 为理想气体常数。 3 方法3 修正的L a n g m u i r 公式法。 也可根据修正的L a n g m u i r 方程“ 纠估算瓦斯吸附 量 ～m等exmO p 一A ‘m 、 6 n a 。i B f 2 F 百p L L o 其中，n 。．。如，为含水煤岩的吸附量，m m o l ／g ；几。 为L a n g m u i r 吸附量，m m o l ／g ；尸L 为L a n g m u i r 压 力，M P a ；m 为含水量，％；A 为吸附量衰减系数。 基于保压取芯工具可获得原位瓦斯单位质量煤 层瓦斯总量n ，则游离态瓦斯量为 n 2 ／7 , 一／Z 。．。。l s 【 7 其中，n 为单位质量煤层游离瓦斯量，m m o l ／g ；n 为 单位质量煤层瓦斯总量，m m o l ／g 。根据理想气体状 态方程可估算煤层原位瓦斯压力P 。 中等 卜高唧㈠叫甓㈣ P s2 苛2 【一孝赢麟p - 枷 J 萤 其中，K 为单位质量煤层中瓦斯体积，m m 3 ／g ，可通过 单位质量煤岩孔隙体积减去液态水的体积计算。 4 方法4 规范法。 依据煤矿瓦斯抽放规范、煤矿瓦斯抽采基本 指标以及煤层瓦斯含量井下直接测定方法，可估 算吸附瓦斯量为 ”蔫P 燮1 0 0 高1 03 1 M ∥ 1 P m L ． 。d 、7 其中，Ⅳ。为煤层吸附瓦斯量，m 3 ／t ；A 。d ，M 。d 分别为煤 中灰分含量，水分含量，％。继而，可根据理想气体状 态方程估算煤层原位瓦斯压力P 。。 这几种方法各有利弊，方法1 考虑了水的饱和蒸 气压对测试结果的影响，方法2 需测量瓦斯浓度，方 法3 考虑了水分对于瓦斯吸附的影响，方法4 是经验 公式，也考虑了水对瓦斯吸附的影响。4 种方法的准 确性需进一步开展实验研究。 1 ．2 ．3 富水煤岩体 P 。≥P 。 当有外界水入侵或煤层原位赋存水压时，宏观上 高压水对煤层瓦斯具有驱赶作用，微观上水分对煤层 瓦斯具有或封堵孑L 隙抑制解吸、或竞争吸附促进解吸 的作用“ 引。可能会对煤体孔隙结构以及瓦斯的溶 解、吸附解吸平衡、扩散运移等造成影响。而随钻测 量的压力P 。即为水压P 。，需对煤层原位瓦斯压力进 一步探讨。假设原位煤岩中瓦斯处于平面径向渗流 状态，高压钻井液或地层水会驱替瓦斯，则钻孔附近 压力分布钊为 P g H 惫 t n 圳／l n ㈢㈣ 其中，R 。为钻孔半径；R 。为煤层边界条件；P 为任意 点的压力，需要现场实测；r 为距钻孔中心的距离。 压力分布规律如图1 所示。 ∥ P 。 。／＼只 g 图1平面径向渗流压力分布 F i g ．1 P r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fp l a n er a d i a ls e e p a g e 1 ．3 煤层瓦斯含量测定原理与技术 当前煤层瓦斯含量测定方法包括间接法和直 接法，其中间接法是基于L a n g m u i r 公式通过煤层瓦 斯压力和煤样的吸附参数等信息估算得到，准确性 和可靠性较低[ s 73 。直接法测的煤层瓦斯含量为 Q 。 Q 。 Q Q ，，其中Q 。，Q ，Q ，分别为损失气 含量、解吸气含量和残余气含量。解吸气含量是测 试煤样粉碎前脱出的瓦斯气量；残余气含量指煤样 粉碎过程中及粉碎后脱出的瓦斯气量；损失气含量 是煤样在孑L 内提升和地面暴露过程中逸散的气量。 在传统的开放式取芯实践中，Q ，难以确定，损失量 估算模型假设条件的理想化和估算数据采集的不 确定性，都会一定程度上导致损失量估算值与实际 万方数据 第3 期高I ； f j 忠等深部煤矿原位保乐保瓦斯取芯原理与技术探索 8 8 9 逸散量之间存在差异。拍8 。 为了避免煤样在采取全过程中发生气体解吸逸 散，实现瓦斯含量精准测试，笔者提出可最大程度防 止煤样在孔内提升和地面暴露过程中气体解吸逸散 的有效保压保瓦斯取芯工具原理，同时通过多重防转 的取芯结构设计和作业工艺，实现取芯过程对煤样的 低扰动，进一步降低所取煤样解吸的可能性，确保所 取煤样与煤层原位瓦斯含量一致。因此，采用该工具 与方法所测瓦斯含量仅由解吸气含量和残余气含量 2 部分构成，即煤层瓦斯含量Q 。 Q Q ，。 2 原位保压保瓦斯取芯原理及设计 深部煤矿原位保压保瓦斯取芯系统的设计必须 充分考虑煤矿井下空间限制，同时兼顾取芯器的保压 性能、保瓦斯效率、取芯过程对煤样的防转低扰、随钻 测量等技术难题，给系统设计带来极大困难。因此， 初步构想将连续导管技术引入煤矿坑道取芯作业系 统，发挥连续导管取芯过程的防转低扰特性，联合牟 合方盖保压控制器，以期达到稳定高效的原位保压保 瓦斯取芯目标。 2 ．1 原位保压保瓦斯取芯原理 如何在取芯钻孔内的有限空间实现岩芯舱的自 动密封及微扰取芯是深部原位保压保瓦斯取芯系统 的核心难题。笔者基于牟合方盖几何原理，集成多重 防转微扰取芯技术，提出了保压保瓦斯取芯工具构 想，为后续煤矿瓦斯压力测定与含量精准评估奠定理 论基础与技术支撑。 1 原位保压取芯原理。当前，煤矿保瓦斯取芯 常用球阀密闭型式，无论压力控制精度、能力、成功 率，还是低扰动取j 占方面，都有待进一步完善。本文 基于九章算术开立圆术 刘徽，2 2 5 2 9 5 年 牟 合方盖几何原理，提出自触发重力式保压控制技术。 牟合方盖保压控制器采用2 圆柱筒相贯的几何设计 思想，在取芯器管套内没计相切1 ／4 的蝶阀阀体 图 2 ，形成阀盖与阀座，阀盖在重力作用下实现自触发 翻转密封，且随着上部压力的增大可确保密封动作的 稳定可靠。牟合方盖作为保压控制器能够最大限度 的增大所取岩，芷直径，又能避免取芯器外径过大，特 别适合井下小空问内保压取芯。 卡u } ㈧{ 。■ 罔2 牟合方盖保压原理刁i 蒽 F i g ．2 S c h e m a t i co ft h ed e v e l o p e ds e l f - t 1 1 i g g e r e 。n n l l ’o i l e r 2 原位取芯煤样多重防转原理。常规取芯作 业中内管总成有时也会设置防转组件，但该组件结 构单一，仅靠一组推力轴承作为防转机构，岩芯筒 仍会因摩擦阻力随外钻高速转动，很容易对煤样造 成较大的扰动，导致煤岩裂隙发育甚至破碎，对瓦 斯原位吸附解吸状态产生很大影响。为此特设计 了岩芯筒防转的单动机构，通过多级逐层削弱扰动 降低取芯钻进对样品的扰动。该岩芯筒防转的单 动机构通过三级防转实现样品微扰，其工作原理如 图3 所示①一级防转由内管总成的推力轴承组构 成，使内管总成上部悬挂机构与下部保压外筒分 离，解除外筒旋转对岩芯的轴向转动约束，有效防 止悬挂机构随外钻旋转对保压外筒扰动；②二级防 转主要由取芯筒组件内部的复合轴承组构成，内部 岩芯筒通过此轴承固定在保压外简内部。复合轴 承将推力轴承与径向轴承集成为一体，实现了轴径 向一体化防转，从而做到内部岩芯筒与保压外筒分 离，解除外筒旋转对岩芯的径向转动约束，进一步 削弱扭转扰动传递；③三级防转由连续导管、中心 杆及岩芯简构成，中心杆下部与岩芯筒通过花键实 现轴向固定，上部与连续导管连接，由于连续导管 是内空钢管，从孔底一直延续到地面，具有非常好 的抗扭特性，实现岩芯筒在孑L 底位置的空间坐标准 确固定，实