煤层瓦斯含量测定定点取样方法研究进展*

  张宏图1,2，3，魏建平1,2，3，王云刚1,2，3，李  辉1,2,3

 （1．河南省瓦斯地质与瓦斯治理省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454000；

2．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；3．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454000）

摘要：基于文献调研及前期研究，分析了目前煤矿井下煤层瓦斯含量直接测定时所采用定点取样方法及其弊端，阐述了学者们提出的改进型定点取样方法，并对煤层瓦斯含量测定定点取样方法的研究进行了展望，指出：①取样过程瓦斯损失量小、取样时升温低、机械复杂度低是基于煤芯管法定点取样方法的发展方向；②开展煤储层条件下的瓦斯运移规律研究，建立并完善各种基于煤芯管法的定点取样方法的瓦斯损失量模型；③适用于松软煤层的定点取样方法的研发亟待开展；④基于负压气力输送理论的定点取样方法是定点取样方法研究的趋势，动态颗粒煤变负压瓦斯解吸规律是建立对应瓦斯损失量模型的基础研究。

关键词：煤层瓦斯含量；煤芯管法；孔口接样法；定点取样；负压排渣

中图分类号：X964；TD713doi: 10. 11731/j．issn，1673 -193x．2016. 01. 035

0  引言

 煤层瓦斯含量是矿井瓦斯灾害防治、煤层瓦斯预抽效果评估、煤层气资源评价和开发等相关领域的重要基础参数。直接法测定煤层瓦斯含量，由Bertard C于1970年首次提出并给出相应的瓦斯损失计算模型。2009年，在借鉴US Bureau of Mines direct method( USBM)基础上，结合我国实际情况修订并实施《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》，依据最新国家标准，煤矿井下煤层瓦斯含量测定须采用取芯法或其它验证有效的定点取样方法，并要求在5分钟之内完成取样。同年，《防治煤与瓦斯突出规定》颁布实施，指出煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险性预测、区域瓦斯治理效果检验的关键指标之一。 

目前，煤层瓦斯含量井下直接测定方法主要采用解吸法，具体过程分为3步：①在新暴露的煤壁，石门或岩石巷道打钻采集煤样；②井下自然解吸瓦斯量测定；③实验室残存瓦斯含量测定。其中②、③两步理论成熟，可忽略对瓦斯含量测值产生的影响。由于①涉及定点

取样方式及瓦斯损失量的计算是瓦斯含量测值误差的主要来源，煤矿井下煤层瓦斯含量测定须采用煤芯管取芯法或其它验证有效的定点取样方法。井下常用的取样方式为煤芯管取样法及基于孔口接样法的定点取样方法，学者们基于以上两种取样思路提出了不同的取样方法。

 本文首先分析了目前煤矿井下煤层瓦斯含量测定时常用的定点取样方法及其所存在的弊端，系统阐述了学者们基于现有定点取样方法所提出的改进型取样方法并进行了展望，以期为煤层瓦斯含量测定点取样方法研发领域的研究提供参考与借鉴。

1  煤层瓦斯含量测定的定点取样的现有技术

 我国主要采用解吸法测定煤层瓦斯含量，煤矿井下煤层瓦斯含量测定时采用的定点取样方法，主要有煤芯管法及孔口接样法两种。在工程应用中，两种方法均存在一定的弊端。

1.1  取芯管法

 如图1所示，在取样钻孔施工完毕后快速退出钻具并将取芯管送至孔底钻进取芯，取样时依靠取芯管与煤层的摩擦钻进完成取样，取样完成后退出钻杆并取出煤样装入特质的煤罐内。该方法可以真正做到定点取样，然而存在以下4点弊端：①取样耗时远大于对取样用时不超过5 min的规定；②所取煤样一端长时间暴露，煤芯管与煤层摩擦生热会引起煤样温度升高产生变质、加速煤样瓦斯解吸的问题；③钻孔施工完毕至煤芯管送至孔底的时间段内，孔底目标煤样段瓦斯已开始逸散，而此时的瓦斯逸散量并未考虑到所取煤样的瓦斯损失量中；④松软煤层中钻孔稳定性差，煤芯管取样法在松软煤层中的应用性较差。

1.2孔口接样法

 孔口接样法最先由Bertard C于1970年提出…，杨昌光等通过现场考察与应用指出该方法工程应用可行，同样也是目前煤矿井下常用的取样方法。孔口接样法的过程为，施工钻孔至设计位置后，风流经钻杆内部压人孔底并携带钻头脱落的煤屑运至孔口，采用特质的煤样罐接收一定量的钻进时排出的煤屑，并迅速拧紧连接解吸仪进行现场解吸。该方法操作简单、取样迅速，下向钻孔取样易引起取样不畅；然而，孔口接样的最大的缺陷在于所取得的煤样纯度不高，“混样”现象严重。

 煤矿井下常用的钻杆主要有光面钻杆、螺旋钻杆和三棱钻杆，其中光面钻杆主要应用在硬煤层；螺旋钻杆和三棱钻杆主要应用于松软煤层。采用井下高压水流作为排渣动力时，水流与较细的煤屑接触面积较大易产生煤泥缠绕在钻杆及孔壁，排渣通道减小直至发生钻进事故，因此目前主要采用风力排渣。

1.2.1  三棱钻杆取样

 图2为三棱钻杆风力排渣过程示意图。由于钻杆自重的原因，钻杆圆心偏离钻孔圆心位置，在钻进过程中，可将钻孔截面分为3个区：钻屑上升区、钻屑下降区及煤屑滞留区。在取样时，钻杆的转动使来流煤屑处在煤屑上升-煤屑下降-煤屑滞留的循环中，煤屑上升区的煤屑包含有新鲜煤屑来流到来前的沉积煤屑，来流煤屑经过下降区而进入滞留区成为沉积煤屑，因此孔口所接煤样同样包含有暴露时间未知的煤样，即所取煤样纯度低，无法真正做到定点取样。

1.2.2螺旋钻杆取样

 依靠焊接在钻杆外壁上的螺旋片随着钻杆的转动形成螺旋运动轨迹并在钻杆内部接人井下压风，形成机械排渣一流体排渣的共同体，携带钻头剥落煤屑形成稳定、连续的煤屑流并运动至孔口实现排渣，如图3所示。如需采集到L1段新鲜煤样，必然先将L2存在于螺旋轨道内大量原有煤屑排出，随着取样深度的增加，排出L2段煤屑、采集到L1段的煤屑用时增加且难以确定新鲜煤样出现的具体时刻，孔口所接到的煤样包含有设计位置前的煤屑，煤样纯度低，无法真正做到定点取样。

 由以上分析可知，目前常用的两种定点取样方式均具有一定的弊端。从应用效果看，刘永茜认为，孔口接样的方式只有中高阶煤才适用；陈绍杰等认为采用取芯管法测定煤层瓦斯含量的可靠性更高。

 总体来讲，作为目前煤矿井下常用的煤层瓦斯含量测定定点取样方式，基本满足工程需要，但“低指标突出现象”时有发生，这就亟待改善目前的煤层瓦斯含量测定定点取样方式。为此，针对目前普遍使用的取样方式所存在的弊端，学者们提出了相应的改进型定点取样方式。

2  煤层瓦斯含量测定定点取样技术新发展

2.1  基于取芯管法定点取样技术的新发展

 煤芯管法取样耗时较长直接影响着取样过程中瓦斯损失量的准确确定；同时，煤芯管与煤壁的摩擦生热易引起煤样变质及加速煤样中瓦斯解吸。基于此，学者们提出了对普通煤芯管取样的改进方法，总体可分为两类：①采用密闭结构使所取到的煤芯处于封闭空间，收集提钻时的瓦斯逸散量；②采用特定冷却手段抑制摩擦生热对煤样的影响。

2.1.1  密封取芯结构

 王兆丰等提出的用于煤与瓦斯突出预测的定点取样器，如图4所示。在钻头附近设置内外双层钻杆，外层钻杆设置取样腔室，正常钻进时腔室口闭合；钻进到设计深度后，反转钻机打开取样腔室，随着钻机的反转，可将新鲜煤样刮入取样腔室内，取样完毕后即正转即可完成取样。陈绍杰等所提出反转密封取样取样器，只是在结构上更加复杂。

 该方法相较于普通煤芯管取样可以实现定点取样且保证了煤样的纯度，一定程度上改善了煤样密封不严的问题。但是由于该方法采用的取样室较小，在完成取样后将煤样取出进行钻屑解吸测试的过程中，由于瓦斯在取样式内的累积解吸量的增加突然间释放，会影响瓦斯解吸参数测试的准确性。因此该方法适合距离短、试样需求量小的瓦斯解吸指标取样。

 林柏泉等提出的一种煤矿密封取样装置及其使用方法。如图5所示，在取样筒内置活塞，取样时压风通过气室通道驱动弹簧顶开滑块，使滑块通道、钻头通道与取样通道互通且活塞置于取样筒后端，此时取样筒进口打开开始取样。取样完毕后，采用井下压风使活塞前移并堵住取样筒开口。

 密封取样装置在煤样密封问题上更近一步，所取煤样量较多，煤样取出后可通过气嘴与瓦斯解吸仪连接直接进行解吸，省去煤样装罐解吸的过程。然而，容易在以下几个方面产生误差：①采用活塞密封取样通道，当煤样粘附于活塞表面易引起活塞密封不严，进而产生解吸气体漏失；②当所取煤样所在位置瓦斯压力较高时，会自行顶开滑块使其钻头通道、滑块通道与取样通道连通而进入煤屑；③由于该取样装置结构设计复杂，实现顺畅取样需要机构之间的相互配合与响应。

 在借鉴“液封气”的原理之后，为改善取样时煤样暴露的问题，齐黎明提出采用密封液封堵煤样的卸压密闭取样方式进行定点取样，其原理图如图6所示。

 该取样器采用双管单动、真空腔室对煤芯卸压、井下压风冷却取芯管、采用粘液密封煤芯的解决方法。取样时煤屑挤压活塞运动使粘液从粘液通道内流出包裹煤样暴露端，粘液的存在阻碍了瓦斯在煤芯的逸散过程，真空腔室内置有吸附剂，其存在可以使得取样过程中煤芯瓦斯的逸散具有方向性且吸附剂可以使得游离瓦斯得到有效地收集。该方法的关键在于选择合适的密封粘液，且取样时粘液对煤样的密封效果不可预知，影响瓦斯损失量的确定。

陈功胜等通过改造普通绳索取芯法相关的钻具设备并成功应用到煤矿井下，取芯效果、取芯效率及取芯的可靠性均可达到较高标准。然而，该方法中采用的内管结构，与在地面应用不同，在上向孔及钻孔俯角角度较小的情况下其需要借助水压等外力打压送至孔底，内管在钻杆内部的运动轨迹与钻杆轨迹一致，钻杆在钻进过程中的轨迹因自重及扰动的影响而发生弯曲变形，这对于内管完全有效压送孔底造成了困难。

 景兴鹏提出机械密闭取芯瓦斯含量测定集成的技术，如图7所示。

 通过该技术可以实现解吸与取芯一体，其工作原理为：达到设计取芯长度后停钻，采用泥浆泵打压的方式将橡胶球送至投球装置的球座中并堵塞球座底部的导水孔。泥浆泵持续供压、升高泥浆液的压力将带动推动杆使剪切球阀关闭，割断采集煤芯。此方法两个关键环节分别为橡胶球的压送及剪切球阀的关闭，由于结构比较复杂，其两个关键环节能否正常工作则是取样成败的主要因素。

2.1.2抑制取样时摩擦生热对煤样的影响

 普通煤芯管取样法，取样时易造成煤样高温变质的问题，胡千庭等提出风水雾化联动取芯装置，如图8所示。该装置的取样部位含有双层管，外管用于钻取煤芯、内管用于收集煤芯，同时在取芯时通过雾化的高压水及风流协同进行降温，可以缓解普通煤芯管法取样引起的摩擦升温问题。但是该装置操作起来较为繁琐，且内外管的相对位置直接影响着取芯过程，取样时风流一水流对煤芯存在一定的干扰。

 普通煤芯管取样时，钻头与煤壁摩擦生热升温，温度的升高使瓦斯解吸速度加快、取样过程中瓦斯损失量的推算难度增加。王兆丰等出冷冻取芯技术，拟通过在取样处人为增设低温环境（0℃以下）使煤样处于冷冻状态，以中和在取样过程中的摩擦生热现象并达到降低取样过程中瓦斯损失量的效果。

2.2  基于孔口接样定点取样技术的新发展

 孔口压风接样法取样时，钻杆转动及风力对沿孔段残留煤样的扰动，使压风排渣所获得的煤样纯度大大降低，无法实现真正意义上的定点取样。

 为提高煤样纯度，文光才等提出深孔瓦斯的快速取样系统，如图9所示。采用螺旋泵、双壁钻杆等特制结构经过“螺旋泵-喷射器-双壁钻杆”三级送料方式取样煤样，对于浅孔取样时，可依靠喷射器产生的负压使煤样进入到钻杆内部进行煤样输送，深孔取样时，由喷射器产生的负压配合螺旋泵的输送作用使煤屑运至钻杆内输送。该装置可以实现不退钻杆的情况下实现钻进与取样过程，并在现场得到初步试验。然而，由于采用双层钻杆机构，钻杆之间对接困难且相同直径下钻杆的强度较小。取样时，煤样运动的动力来源于螺旋泵的机械排渣配合喷射器产生的负压，螺旋泵的存在会削弱喷射器所产生的负压，同时，在松软煤层中

排渣量较大时，螺旋泵的良好的排渣能力会使取样入口堵塞。

 袁亮等采用双层管的取样结构，借助高速空气流流向受限空间时产生压力漩涡而使落煤卷扬以及采用压风实现煤样从钻杆内部压送，较之于直接采用压风取样、煤样从钻杆外壁与钻孔内壁间通过煤样纯度较高。由此可见，该方法顺利实施的关键在于压风涡流扬起煤屑及使得煤样排出的压风。压风涡流的形成受制于钻头结构的设计，当其结构设计不合理时会出现煤屑无法扬起而堵塞钻杆的现象。同时，由于钻杆内部所产生的压损占取样排渣时压损的大部分比例，为此，在压风压力不够时，易出现堵塞现象。

 胡千庭等23提出正负压联合栓流定点的取样方法，如图10。该方法通过真空产生装置使得钻杆内部等处于负压环境，配合高压气体的频繁通断使煤样呈样品-压缩气流-样品-压缩气流的栓柱流状进入钻杆内部，并输送至固气分离装置完成取样工作。该方法可以有效提高煤样的纯度，然而由于煤样所处的解吸环境压力为正压-负压交替，且负压环境下的压力变化速度难以测算，这对于确定取样过程的瓦斯损失量带来了困难。

3  负压排渣定点取样方法可行性试验

3.1  负压排渣定点取样方法原理及系统

 负压排渣定点取样方法基于负压气力输送理论，如图11。排渣动力由真空泵提供，风流经孔口流至孔底并携带钻头切削落煤经由钻孔内部运动流至采样装置完成瓦斯含量测定取样。取样时，新鲜煤样及时被空气流携带由钻杆内部输送至采样装置，不发生钻杆转动及风流流动对钻孔沿程沉积煤屑的“刷孔”现象，新鲜煤样纯度较高，且可在一分钟之内收集到所需煤样量，完全满足文献[2]对取样的要求。

 负压排渣定点取样系统如图11所示，包括改进钻头、均一内径钻杆、采样装置、罗茨真空泵等装置，钻头、钻杆及钻机顺次连接，水变头后接入连接软管，在水变头与采样装置之间设有三通阀门，三通阀门的另一端接入井下压风，采样装置的输出端接入罗茨真空泵。

 取样前旋转三通阀门，接入井下压风系统，断开采样装置，进行正常压风排渣钻进；待钻进至设计位置后，旋转三通阀门，断开井下压风系统，接人采样装置、启动真空泵并按照一定的速度钻进推进直至采集所需煤样量后停泵。

3.2  负压排渣定点取样方法现场试验

 试验地点选取新安煤矿14230上巷6号钻场。该矿主采煤层为二1煤层，煤煤层倾角60～90，平均60，工作面煤层结构简单，煤层厚度0~ 9.5 m，平均3.79 m，煤层厚度变化较大，煤层变异系数48. 7%，可采指数0. 95，偶见夹矸和F eS，结核，煤的坚固性系数为0.15~

0.3之间。

 煤层瓦斯含量测定时，取样深度应大于巷帮卸压带宽度（一般为8～15 m），工程上认为垂直巷帮取样深度在30 m左右所取煤样瓦斯含量测值可表征残存煤层瓦斯含量值。试验时垂直巷帮沿煤层倾角、偏角为00施工钻孔，钻孔深度、取样量及取样时间如表1所示。

 由表1可知，基于本次试验所采用的负压排渣定点取样系统，取样速度为59. 25~111.11 g/s。依据煤层瓦斯含量测定时，单个样品所需要的煤样量约为400 g，则采用负压排渣定点取样方法可在数秒时长内取到所需的煤样量；且煤屑从孔壁脱落后即被风流携带经钻杆内部输送至孔口采样装置采集，保证了煤样纯度，实现快速定点取样。

 负压排渣定点取样不仅可以满足GB/T23250 -2009对取样深度的要求，同时具有煤样纯度高、系统结构简单、操作方便、取样时间短的优点。

4  结论与展望

 目前，基于煤芯管法和负压气力输送理论的煤层瓦斯含量直接测定的定点取样方法研究得到一定成效，但是仍存在以下相关方面亟待进一步研究：

 1)松软煤层瓦斯含量测定仍缺乏有效的定点取样方法，研发适用于松软煤层的定点取样方法是解决松软煤层瓦斯灾害治理难题的关键。

 2)煤芯管取样方法应用的主要难点在于减少取样过程中的瓦斯损失量及解决摩擦生热的问题。因此，研发可收集取样过程中瓦斯逸散量、缓解取样摩擦温度的装置，并开展煤储层条件下钻孔施工完毕至取样装置钻取煤样时间段内，孔底煤壁至预计取样长度段内瓦斯逸散规律的研究，以确定各类取样方式的瓦斯损失量。

 3)现场试验表明，所提出的负压排渣定点取样方法具有煤样纯度高、系统结构简单、操作方便、取样时间短的优点。基于负压气力输送理论的定点取样方法，是定点取样方法研究的趋势。然而，负压排渣定点取样时，颗粒煤瓦斯解吸环境为变负压环境，开展动态颗粒煤变负压瓦斯解吸规律研究以确定取样过程中瓦斯损失量计算模型；同时，负压排渣定点取样系统中的动力源、钻具与采样装置的结构与选型，直接影响着负压排渣定点取样过程顺畅与否。因此，负压排渣定点取样系统结构的优化设计则是下一步工作的重点。