0.   引言

煤层瓦斯含量是衡量煤层瓦斯赋存情况的重要指标，是指导煤矿瓦斯抽采设计、瓦斯治理效果评判的重要参考依据^[1-4]。随着瓦斯治理技术的发展，尤其是定向长钻孔钻进技术的应用，传统煤层瓦斯含量测定采用敞口式岩心管取样，在应用过程中存在煤样暴露时间长、煤样易被污染、瓦斯损失量难以计量导致测量误差较大等问题。因此，研制适合定向长钻孔取样的深孔密闭保压取样装置，对准确测定深孔煤层瓦斯含量意义重大^[5-7]。

贵宏伟等^[8]研制了超深钻孔取样装置，配合定向钻孔施工最大取样深度达595 m，实现了超长区段区域防突措施效果一次性整体评价。高明忠等^[9]基于牟合方盖几何原理，提出了保压保瓦斯取样工具构想，研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取样原理样机，形成了原位保压保瓦斯取样作业工艺。景兴鹏^[10]研制了直接机械密闭取样的瓦斯含量测试装置，实现了孔内取样密闭，解决了煤心暴露时间长、瓦斯逸散量大的问题。龙威成^[11]研制的取样装置采用取样和解吸一体化设计，使煤样在退钻、自然解吸全程密闭，最大限度减少煤心瓦斯逸散量，取样深度达400 m。龙威成等^[12]研制的干式密闭取样系统以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送，以风和水2种介质组合打压驱动密闭取样装置关闭，为碎软煤层井下长距离测定瓦斯含量提供了一种新途径。孙四清等^[13]设计并试制了适用于地面井煤层气含量测定的“三筒单动、球阀关闭、取心筒与解吸罐一体化”的密闭取心器和“前端小径钻心、后端大径钻井”的碎软煤层双径PDC密闭取心钻头，最大取样深度超过700 m，提高了煤层气瓦斯含量的测试精度。温志辉等^[14]通过开展不同吸附平衡压力、解吸负压及解吸时间的颗粒煤在负压和负压转常压状态下的瓦斯解吸规律实验研究，得出基于负压取样瓦斯损失量推算方法所得的推算值与实际损失量值最大误差为4.83%。

目前，煤矿井下密闭保压取样可以保证取到煤样后将煤样密闭在煤样筒内，但普遍存在尺寸大需要二次扩孔、结构复杂、取样时不能准确动作导致取样成功率低、难以大规模工业化应用等问题^[15-18]，且在实际应用时将取样装置送入孔底的过程中煤样筒不能保持持续封闭，易进入孔壁掉落的渣块，导致煤样被污染、有效煤样少、测量结果不准确^[19-22]。鉴此，笔者研发了一种煤矿井下深孔密闭保压取样装置，该装置结构简单，可实现煤样筒取样前密闭、取样时开启、取样后再次密闭的动作，从根本上解决深孔煤层瓦斯含量测量不准确的问题。

1.   装置研制

1.1   装置设计原则

1） 取样过程能够满足密闭、保压的基本要求，确保所取煤样为未被污染的孔底设计点位的煤样。

2） 不额外增加现场配套工程。现有定向钻机施工的取样孔一次成孔孔径一般不超过ϕ120 mm，取样装置尺寸应满足在无需额外扩孔的基础上能够一次取样成功，减轻现场劳动强度。

3） 动作灵敏、结构可靠。井下工作环境差，孔内情况复杂，取样装置材质及部件尺寸要能够适应井下恶劣的工作环境，结构简单，方便拆卸，关键时候“封得住、打得开、拔得出”。

1.2   装置结构设计

深孔密闭保压取样装置由外管组件、芯轴、存样组件和驱动组件构成，结构如图1所示。

图  1  深孔密闭保压取样装置结构

1—钻杆接头；2—外套管；3—芯轴；4—外活塞；5—内活塞；6—推进套管；7—推进齿条管；8—煤样筒底座；9—封口钢球；10—弹簧；11—压紧螺钉；12—煤样筒；13—推进齿条；14—齿轮；15—球阀阀芯；16—钻头；17—第一流通孔；18—第一流通孔右侧开口；19—第二流通孔左侧开口；20—第二流通孔。

Figure  1.  Structure of deep borehole sealed pressure maintaining sampling device

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外管组件包括钻杆接头、外套管。芯轴和存样组件设置在外管组件内，芯轴和存样组件与外套管之间设置驱动组件。

芯轴分为第一轴段、第二轴段和第三轴段3个部分。第二轴段和第三轴段之间设置第一凸台，钻杆接头的右端设置第二凸台，使得外活塞贴合钻杆接头的右端时，第一流通孔位于第二轴段的开口不会被外活塞封堵。芯轴的第一轴段和第二轴段内部设置第一流通孔，使得钻杆接头中空区域和钻杆接头与外活塞之间的区域被第一流通孔连通。芯轴的第二轴段内部设置第二流通孔，当外活塞接触到第一凸台时，钻杆接头与外活塞之间的区域和内活塞与第一凸台之间的区域被第二流通孔连通。

存样组件包括煤样筒底座、煤样筒和球阀。煤样筒底座的两端设有第一螺孔和第二螺孔，二者通过第一流通孔连通。第二螺孔内设有压紧螺钉、压缩弹簧和封口钢球。

驱动组件包括外活塞、内活塞、推进套管、推进齿条管和推进齿条。第二轴段与外套管之间设置外活塞，芯轴外侧套设推进套管，推进套管的一端顶靠外活塞；第二轴段与推进套管之间设置内活塞，推进齿条管套设在存样组件外侧。推进齿条管一端顶靠推进套管，推进齿条管连接推进齿条，推进齿条与齿轮啮合，推进齿条末端与齿轮啮合时球阀阀芯处于关闭状态。

1.3   装置参数

深孔密闭保压取样装置关键部件参数见表1。筒体材质为20cr13不锈钢。

表  1  深孔密闭保压取样装置关键部件参数

Table  1.  Parameters of key components of deep borehole sealed pressure maintaining sampling device

部件	尺寸
取样装置长度/mm	1 200
外套管/mm	ϕ73×1 106
推进套管/mm	ϕ60×438
推进齿条管/mm	ϕ60×581
煤样筒/mm	ϕ50×830
第二流通孔/mm	ϕ2×24
球阀通孔直径/mm	26

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1.4   装置工作原理

深孔密闭保压取样装置通过高压水驱动球阀阀芯启闭，达到封闭煤样的目的。当取样装置到达孔底前，球阀密闭。取样装置送到孔底后，高压水沿芯轴的第一流通孔进入钻杆接头和外活塞之间，推动外活塞右移，进而依次推动推进套管、推进齿条管同步右移，与推进齿条管连接的推进齿条随之同步右移，齿轮发生旋转，球阀阀芯开始由闭合状态逐渐转换为开启状态。经过时间t₁后，外活塞向右移动距离s₁，齿轮在推进齿条的作用下旋转90°，阀芯从闭合状态完全切换到开启状态，此时外活塞受到芯轴上第一凸台的阻挡停止移动，球阀阀芯持续保持开启。关闭高压注水泵，启动钻机，钻杆带动取样装置回转钻进，煤样经钻头破碎后进入煤样筒内。

取样结束后暂停钻机，继续注入高压水，高压水通过第一流通孔、第二流通孔进入内活塞左侧区域，并推动内活塞向右运动，与推进套管的右端抵接，推进套管随内活塞右移而右移，进而推动推进齿条管右移，齿轮随即带动球阀阀芯同步旋转，球阀阀芯逐渐从开启状态切换到闭合。经过时间t₂后，内活塞向右推动推进套管、推进齿条管和推进齿条一起移动距离s₂，齿轮带动球阀阀芯旋转90°，阀芯由开启状态完全切换为闭合状态，球阀阀芯截断煤样，煤样被封闭在煤样筒中，关闭高压注水泵。

退出孔内取样装置，将存样组件整体卸下，此时煤样被密封保存在煤样筒中，将瓦斯解吸仪量筒上的顶针从第一流通孔顶入，顶开封口钢球，使量筒与煤样筒连通，进行煤样的现场瓦斯解吸工作。结束后拔出顶针，送实验室完成室内部分的瓦斯解吸测试。

2.   装置技术特点

1） 装置可实现煤样筒取样前密闭、取样时开启、取样后再次密闭的准确动作，杜绝煤样中混入孔壁渣块被污染，尽可能防止取样过程中瓦斯逸散，与定向钻机结合可满足深孔定点密闭保压取样要求。

2） 装置可实现将装有保压煤样的煤样筒与瓦斯解吸仪直接连接，无须换装煤样罐即可进行现场瓦斯解吸，解吸后可送实验室进行瓦斯含量测试，减少瓦斯损失量，操作简单。

3） 装置采用“两级活塞+双层套管+煤样筒”的结构设计，以高压水为动力控制煤样筒密闭与开启，无须传输电磁信号，结构简单、动作更可靠。

3.   现场试验

为验证煤矿井下深孔密闭保压取样装置的实际效果，对平顶山某矿二₁煤层开展了井下密闭取样试验。为验证密闭取样测定煤层瓦斯含量的准确性，同步采用敞口式岩心管取样的常规取样法作为对照组，在同钻孔同深度处采集煤样进行瓦斯含量测定对比分析。由于试验钻孔深度较大，钻孔成孔后退钻及下入取样装置过程时间较长，为减少煤样瓦斯损失量，保证取到新鲜煤样，在取样装置下入到孔底后先钻进2 m，剥离掉已经长时间暴露的煤样后再旋转钻取深部新鲜煤样。

试验选用ZDY5400LD型煤矿用轻型履带式全液压坑道定向钻机，采用ϕ73 mm螺旋槽通缆钻杆和ϕ98 mmPDC定向钻头组合钻具，搭配BLY 260/10型矿用履带式泥浆泵车提供稳定高压水源。

钻孔施工至见煤后，退出孔内钻具，通缆钻杆前端换装敞口式岩心管进行常规取样，钻进一段后退出孔内岩心管，立即取出孔内煤样装入煤样罐中进行现场瓦斯解吸。之后换装研发的煤矿井下深孔密闭保压取样装置再次顺入孔底，钻进2 m后，打开高压水，外活塞开始右移。待水压明显升高，此时外活塞右移距离达s₁，球阀完全处于打开状态。关闭高压水，钻机推动密闭保压取样装置钻进1～2 m，继续通入高压水，推动内活塞右移。待水压再次明显升高，此时内活塞右移距离达s₂，球阀完全处于关闭状态。关闭高压水，退出孔内密闭取样器，将瓦斯解吸仪与煤样筒连接进行煤样的现场瓦斯解吸。

试验共采集4组煤样进行对比分析，密闭保压取样与常规取样下煤层瓦斯含量测试结果对比见表2。

表  2  密闭保压取样与常规取样下煤层瓦斯含量测试结果对比

Table  2.  Comparison of test results of gas content in coal seam under sealed pressure maintaining sampling and conventional sampling

孔号	取样方式	取样深度/m	煤样质量/g	瓦斯含量/（m3·t−1）
1号	常规取样	126	1 128	5.3
	密闭保压取样	126	856	5.6
2号	常规取样	196	753	2.6
	密闭保压取样	196	553	3.1
3号	常规取样	273	1 038	4.2
	密闭保压取样	273	637	4.9
4号	常规取样	342	815	2.9
	密闭保压取样	342	694	4.6

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从表2可看出，深孔密闭保压取样装置在深度接近350 m处仍可成功取样。密闭保压取样比常规取样测得的瓦斯含量结果偏大5.4%～37%，且随着取样钻孔深度增加，偏大的程度增加。这主要是由于敞口式岩心管取样后不能密闭，瓦斯损失量难以计量，且随着钻孔深度的增加，常规取样方法采集的煤样暴露时间更长，瓦斯损失量更大，而密闭保压取样装置采集煤样后将煤样保压密闭在煤样筒内，极大减少了瓦斯损失量，提高了瓦斯含量测试结果准确性。

4.   结论

1） 深孔密闭保压取样装置采用“两级活塞+双层套管”的整体结构设计，通过井下注水压力及注水时间的精确控制，可完成煤样筒“取样时由密闭到开启，取样后由开启到密闭”的两级动作，满足密闭保压取样的要求。

2） 装置配合定向钻机使用，可实现深孔定点取样测量瓦斯含量，确保瓦斯含量测试的准确性，为矿井工程设计与评判提供准确的参考依据。

3） 现场试验结果表明：装置取样深度接近350 m；密闭保压取样相较于常规取样测得的瓦斯含量偏大5.4%～37 %，且随着取样钻孔深度增加，偏大的程度增加，测得的瓦斯含量结果更准确。