煤层瓦斯含量测定深孔快速取样技术研究

2021-03-25严明庆

矿山机械 2021年3期

严明庆

1中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆 400037

2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆 400037

煤层的瓦斯含量是瓦斯安全治理和煤层气开发利用的关键基础性参数[1]。准确、快速地测量瓦斯含量，对瓦斯治理、瓦斯气体开发利用都有着十分重要的现实意义。采用传统的钻孔取样，取样时间较长，势必造成瓦斯一定程度的解析遗失，从而导致无法准确测量煤层瓦斯含量。

由于传统的瓦斯含量测定取样装置存在取样深度不能满足全覆盖、取样测定时间长等缺点，从而导致瓦斯含量测定不够准确，难以满足煤矿安全生产的需求。

反循环钻探技术的研究始于 20 世纪 40 年代[2]。随着学者研究的深入，该技术已经取得了重大突破[3]。澳大利亚学者与袁亮院士等人成功地将反循环取样技术应用于顾桥等煤矿的煤层取样，深度为 65 m，但未能实现更大孔深的定点取样[4]；康建宁等人提出的双臂反循环取样技术成功在淮南矿区、贵州水城矿区等区域进行了成功应用，取样深度达到了 120 m[5]。

虽然双臂反循环取样技术在煤矿上的技术应用取得了重大突破[6-8]，但是该取样装置的钻孔为开放状态，由于未封堵孔口，因此形成稳定的反循环状态所需的时间较长。笔者针对此情况进行了深孔快速取样技术的研究。

1 深孔快速取样技术

1.1 快速取样装置

快速取样装置如图 1 所示，主要由取样钻头、双壁钻杆、取样凤尾、阀门 1、阀门 2 和阀门 3 等部件组成。钻杆正常钻进时，有压风流经双壁钻杆内管通道和环形通道流入，并将钻头底部切削的煤渣屑经钻杆通道和孔壁间隙输送至孔外；取样状态时，有压风流经双通道取样凤尾的侧面进风通道流入双壁钻杆的环形通道，到达钻头头部后分成两路，一路经喷射器返回，形成负压导流作用，另一路经取样孔将煤渣屑携带进入双壁钻杆内部通道中。

图1 快速取样装置Fig.1 Deep-hole sampling device

1.2 取样钻头

取样钻头主要由环形多喷嘴引射器和外部基体 2部分构成，如图 2 所示。引射器在结构上嵌入到钻头基体上，与钻头外壳采用环套形式相结合，两者之间构成一个环形内部空间。有压风流通过内部环形空间进入钻杆，风流的一部分经过引射器形成负压，另一部分高速流经外喷孔，从而对钻孔进行冲洗，同时将钻头冷却。

图2 取样钻头结构示意Fig.2 Structural sketch of sampling bit

引射器是快速取样装置的核心部件，其作用是形成孔底的引射负压，引射器具有多个环形喷嘴，其结构如图 3 所示。

正常钻进时，阀门 1 和阀门 2 开启，阀门 3 关闭，钻杆的环形空间和中心通管同时进风，钻屑通过环隙排出；而在取样钻进时，阀门 1 和阀门 3 开启，阀门 2 关闭，有压风流通过钻杆内部的环形空间进入钻杆引射器，此时大部分钻屑通过钻杆中心通管输出，小部分钻屑从钻孔壁与钻杆间的环隙空间输出，从而在完成取样的同时，又实现了对钻孔正常冲洗和排渣的功能。

1.3 钻头设计

钻头基体在结构上能够满足正常的钻进，在其内部嵌入了环形多喷嘴引射器，且引射入口设置于钻头的正前方，方便煤渣钻屑顺利吸入引射器，进而进入钻杆输送至取样口。因此，钻头基体是切割煤体、连接钻杆和取样输送的关键部件。

在煤质较硬的松软煤层中，采用肋骨螺旋双壁取样钻杆有较好的煤渣输送效果，但是当煤质较软或钻孔变形时，由于钻孔内壁与肋骨叶片之间的刮擦作用，较易诱发钻孔垮塌。相比较而言，三棱双壁钻杆可以较好地解决钻杆对钻孔的刮擦扰动问题，在松软煤层钻进过程中具有很好的煤渣输送效果，而且其螺旋槽能够有效地避免钻杆卡滞、埋钻等现象。

2 数值模拟

以输送速度、输送空气量为基础参数进行理论计算，结合数值模拟，分析计算了不同外径的钻杆内外空间过流面积的输送能力，确定了钻杆的技术参数，分别设计了φ50、φ63、φ73 mm 3 种直径的取样钻杆。

2.1 多喷嘴引射器

利用 Design modeler 建立不同安装角度的多喷嘴引射器的计算模型。对直径 2 mm 单喷嘴引射器不同的喷嘴安装角β(10°、15°、20°、25°、30°) 的风流流场进行数值模拟，计算结果如图 4 所示。

根据模拟计算结果：在相同的流量和喷嘴直径的条件下，喷嘴角度为 15°时，孔底引射器的流量比和压强比最大，引射器效率最高。流量比、压强比、引射器效率的计算结果如表 1 所列。

表1 喷嘴不同安装角度的模拟数据汇总Tab.1 Summarization of simulation data at various installation angle of nozzle

采用相同的模拟计算方法，建立不同引射器喷嘴参数 (数量、直径和安装角度) 和不同引射器喉部参数(直径、长度) 的物理模型。采用正交法研究不同组合条件下六喷嘴引射器的性能参数，获得了六喷嘴引射器的设计参数，多级引射器中心压强的变化规律如图5 所示。

由图 5 可知，单级六喷嘴引射器的最大极限负压值为 -3 600 Pa，双级六喷嘴引射器串联的最大极限负压值为 -7 913 Pa，六喷嘴与八喷嘴引射器串联的最大极限负压值为 -11 164 Pa。由此可见，六喷嘴与八喷嘴引射器串联的负压绝对值最大。

图5 多级引射器中心压强的变化规律Fig.5 Variation laws of pressure at center of multi-stage jet

2.2 出风口风流模拟

利用 Fluent 计算软件，对多种倾角、前中后部喷嘴的出风口风流流场进行了模拟计算。出风口风流流场简化模型如图 6 所示。

图6 出风口风流流场简化模型Fig.6 Simplified model of air flow field at outlet

不同倾角的喷嘴对钻头中心风流速度的影响如图7 所示。出风口风流流量、流速受喷嘴倾角的影响曲线如图 8 所示。

图7 不同倾角的喷嘴对钻头中心风流速度的影响Fig.7 Influence of inclination angle of nozzle on air velocity at bit center

图8 出风口风流流量、流速受喷嘴倾角的影响曲线Fig.8 Variation curve of air flow and speed at outlet with inclination angle of nozzle

由图 7 可知，当喷嘴安装倾角范围为 0°～ 15°时，对于风流携带钻屑的反循环状态十分有利；在10°时，风流的能量能够得到更加合理的利用与分配。由图 8 可知，理想状态下期望通过出风口 2 输送出更多煤渣钻屑，即通过出风口 2 的风流流量应稍大于出风口 1 的风流流量，因此喷嘴的倾角应大于10°。综上所述，较为合适的喷嘴安装倾角范围应为10°～ 15°。

喷嘴对孔底风流速度和风流流场的影响如图 9 所示。出风口气流参数如表 2 所列。由表 2 可以看出，在喷嘴倾角相同的条件下，前后移动喷嘴位置，对出风口风量的分配基本无影响，出风口速度能够满足钻屑输送速度；但喷嘴前移时，孔底空间涡流区域有增大趋势，不利于孔底钻屑进入中心管空间形成有效反循环，喷嘴后移时则不会出现此种情况。喷嘴在钻头体中部比前移或后移能够更好地实现孔底钻屑的反循环输送。

图9 喷嘴对孔底风流速度和风流流场的影响Fig.9 Influence of nozzle on air speed and flow field at hole bottle

3 实际应用

快速取样装置经过试验测试，其最大取样深度为125 m，取样速度 ≥ 500 g/min，采样样品运移速度高达 15 m/s，取样时间控制在 4 min 之内。在正常的钻进过程中，2 个通道均具有进风通道功能。在取样模式下，一个通道具有进风通道的功能，另一个通道具有输出样品的功能。

为了验证快速取样装置的适用性，分别在重庆松藻矿区、安徽淮南矿区、河南焦作矿区、贵州水城矿区等区域典型矿山，对深孔定点快速取样装置进行了试验测试，累计进行试验钻孔 200 余个。试验结果表明，在煤层赋存条件较好的试验地点，如淮南矿区的顾桥煤矿、潘一东煤矿和贵州水城大湾煤矿，最大取样深度达到 120 m。快速定点取样装置操作便捷，取样质量均超过了 1 kg，取样时间在 4 min 之内，粒度大于 3 mm 的煤样占 60% 以上。

对快速取样装置引射取样进行了煤层瓦斯含量的测定，将其结果与同一位置采用孔口取样方式进行对比，如图 10 所示。由图 10 可以看出，引射取样所测得的瓦斯含量值普遍大于孔口取样所测瓦斯含量值，且接近煤层瓦斯含量的真实值。

图10 2 种取样方式瓦斯含量测定Fig.10 Gas content determination by two kinds of sampling method

快速取样装置在大湾煤矿对西井 X11101 工作面进行了深孔取样试验。该工作面存在断层较多、煤层倾角变化大、赋存不稳定及钻孔易见岩等问题，这些因素极大地限制了取样装置的钻孔深度。在该工作面进行了 21 次钻孔取样，其中 11 次钻孔的深度小于 40 m，即出现见岩情况，未进行取样；对另外的 10 个钻孔进行了取样。取样试验结果如表 3 所列。钻孔的倾角为 4°～ 6°，取样深度为 48～123 m，取样时间为1.5～4.0 min，取样质量为 1.4～2.2 kg，取样粒度大于3 mm 的占比超过 65%。该取样装置能够满足矿方的实际取样需求。