千米钻机小型化长距离密闭取芯技术的研究与应用

张俊杰

（晋能控股集团寺河煤矿，山西 晋城 048206）

引言

千米钻机小型化长距离密闭取芯技术一直是单孔多次定点取样的重点研究领域，也是煤矿开采实践中的重要现实问题。晋能控股集团寺河矿已推广定向长钻孔区域瓦斯抽采技术，并采用瓦斯含量指标评价区域瓦斯抽采效果。但常规采样并测定瓦斯含量技术已不能满足煤层瓦斯超前精准探测和区域瓦斯抽采效果评价的需要。因此研究将密闭取芯装置与千米钻机相结合，探索千米钻机小型化长距离密闭取芯技术具有重要的实践价值和现实意义。

目前，寺河矿瓦斯含量测定采用岩芯管取样法，限于该方法取样深度较浅的原因，矿井采用渐进式循环、短钻孔取芯方法进行瓦斯含量测定评价，条带抽采达标评价范围为100 m左右。

千米钻机小型化长距离密闭取芯技术的研究内容包括：首先充分利用定向孔钻孔轨迹实时测控和长距离钻进优点及保压密闭取样装置耐压密封特性，这样既能提高井下近水平煤样的采取深度，又可精确控制采样精度，实现单孔多次定点取样[1-2]。其次，根据井下长距离定点煤层密闭取芯技术要求，开展了小型化、轻量化煤层密闭取芯装置和配套密闭取芯钻头设计，加工了Φ89 mm直径的煤层密闭取芯装置，并依据现场试验情况进行了调整完善。最后，在此基础上，建立了与长距离密闭取芯工艺对应的瓦斯损失量计算模型，得到其瓦斯损失量的论证计算方法，保证了损失瓦斯含量推算的准确度。

1 施工设备

该区域使用西安6500钻机，105 mm反向切割钻头、马达、DGS、铜钻杆，配套70 mm螺旋槽钻杆施工。取芯设备：外径89 mm的小取芯筒配套98 mm取芯钻头、K6钻杆、外径100 mm的大取芯筒配套113 mm取芯钻头、120 mm扩孔钻头、K6钻杆；各组合设备明细见表1，取芯实物见图1。

表1 组合设备明细

图1 取芯设备实物图

2 施工情况

2.1 施工作业流程

千米钻机小型化长距离密闭取芯设备的施工作业流程具体如下（见图2）：

图2 施工作业流程图

1）取芯钻孔施工按照抽放钻孔施工工艺进行；

2）千米钻孔施工至取芯位置前1 m时，在孔底位置旋转及慢推拉冲孔1 h以上，确保返水无煤渣，孔内畅通；

3）退杆更换K6钻杆、专用取芯器；

4）取芯前冲孔时水泵压力严禁超过4 MPa（孔内正常水压为1～2.5 MPa）；

5）取芯器到达孔底后，使用静压水（水流量控制在150 L/min以下）旋转钻进1.5～2 m（不开泵），控制好给进速度和压力（匀速钻进），防止损坏取芯器钻头（严禁不返水强行钻进）；

6）K6钻杆内投入橡胶球，送水送入孔底，开启水泵，在3～5 s后水压上升（200 m取芯时水压约为4 MPa，300 m取芯时水压约为6 MPa），约1～3 min后取芯器球阀关闭水压下降（200 m取芯时水压约3 MPa，300 m取芯时水压约5 MPa）。取上行钻孔煤芯时，投球后钻杆可适当退0.2 m，减少取芯器球阀关闭阻力；

7）连续打压3～5次，水压平稳2～3 min后，退出取芯器；

8）更换钻杆，继续钻进至下一取芯点，执行取芯流程；

9）直至取芯完成。

2.2 施工情况

2.2.1 东五北翼措施二巷取芯钻孔（见表2）

表2 措施二巷各取芯点使用小取芯器取芯明细

使用105 mm钻头施工到取芯点位置后，使用89 mm取芯器配套98 mm取芯钻头进行取芯。

2.2.2 东五北翼措施一巷取芯钻孔（见表3）

表3 措施一巷各取芯点使用大取芯器取芯明细

使用105 mm钻头施工到取芯点位置后，使用120 mm钻头进行扩孔，随后使用100 mm取芯器配套113取芯钻头进行取芯。

2.2.3 东五北翼措施一巷横川取芯钻孔（见表4）

表4 措施一巷各取芯点使用小取芯器取芯明细

备注：使用105 mm钻头施工到取芯点位置后，使用89 mm取芯器配套98 mm取芯钻头进行取芯。

2.3 研究应用效果

本研究实现了密闭取芯装置与定向钻机的结合，充分利用了定向孔钻孔轨迹实时测控和长距离钻进优点及保压密闭取样装置耐压密封特性，既提高了井下近水平煤样的采取深度，又精确了控制采样精度，实现了单孔多次定点取样。并根据井下长距离定点煤层密闭取芯技术要求，研制了适合于煤矿井下煤层长距离瓦斯含量测定的“三筒单动、球阀密闭”密闭取心装置，密封气体压力达到11.5 MPa，煤心直径达到38 mm，满足井下长距离煤层瓦斯含量测定要求。该套装置体积小、重量轻，外筒外径仅为Φ89 mm，密闭取芯钻头最大外径Φ98 mm，适用于孔径Φ98 mm以上的煤矿井下定向长钻孔中定点长距离密闭取芯精确测定瓦斯含量[3-4]。

本研究应用使得煤矿井下长距离定点密闭取芯瓦斯含量测定技术将瓦斯含量测定范围增加到450m以上，并且开展了长距离密闭取芯与常规取芯（取芯管）瓦斯含量测定对比试验，确保了长距离定点密闭取芯瓦斯含量测定结果的可靠性[5]。同时，该技术可实现深孔定点取样，取样后可实现孔内密闭，减免了取芯装置从钻孔退出过程中瓦斯的损失量，可提高煤层瓦斯含量测定的范围及准确性。

研究形成了适合寺河矿的长距离密闭取芯瓦斯含量测定体系技术，可将瓦斯含量测定深度和精度显著提高，有效推动了钻孔取样技术的进步，进一步丰富了现有的瓦斯含量测定技术，与定向长钻孔技术相匹配，显著减少了抽采达标评价过程量，加快了顺道巷道掘进速度，降低了瓦斯治理成本。项目成果可在晋能控股集团及其他矿区等类似瓦斯地质条件、类似长钻孔瓦斯治理条件的矿井进行推广应用，为瓦斯含量测定取样提供一条新的途径和技术，具有巨大的市场前景和推广价值。

3 问题及建议

3.1 注意事项

本研究技术及实践应用发现，在实际操作中需要注意一些细节：

1）取芯器闭合后不泄压，多次送水憋压后，容易将钻机水泵憋坏，在横川366 m处憋压时，水便管憋烂；396 m处取芯时，水泵螺丝断；486 m处取芯时，水泵压力上不去，只能打压至6 MPa（前期8～10 MPa）。

2）取芯器球阀不结实，在遇到夹矸时，容易将球阀剪裂。

3）二巷取芯396 m送杆过程中钻孔未及时冲孔进行取芯，致使取芯钻头损坏。

3.2 建议

本研究实现了千米钻机小型化长距离密闭取芯技术的研发与应用，但在实践过程中为保障施工质量和安全，将注意事项总结如下：

1）在施工取芯孔时，安排有经验的人员施工，提高取芯质量；

2）现场取芯过程中，必须有队组专人、厂家、防突人员现场监护。

3）建议厂家继续改善小取芯器，保证取芯器闭合后可以正常泄压（目前憋压时对钻机水泵损坏比较严重，不利于长期使用）。

4）建议取芯钻头上加反齿，有利于退杆质量。

5）取芯过程中工作人员各司其职，机长负责监护孔内压力及返水返渣情况，技术人员在取芯时进行现场指导（不返水严禁任何钻进）。