错位闭合型密闭取芯装置的研究_徐树斌.pdf

0前言近年来在低碳化、清洁化能源大转型的背景下，我国煤炭在一次性能源消费中比重逐渐下降，由过去最高的90%降至2020年的56.8%。虽然在能源消费结构中煤炭占比逐年降低，但在未来的很长一段时间内，煤炭作为我国能源的主体地位依然不会改变。随着社会的发展，一方面，煤矿的开采深度不断增加，煤层瓦斯含量增加，瓦斯灾害日渐突出；另一方面，煤矿机械化、智能化不断发展，瓦斯抽采钻孔深度不断增加，常规取样由于瓦斯逸散，已不能满足区域瓦斯抽采效果评价的需求。如何实现长距离钻孔的密闭取样，对准确测定深孔瓦斯含量及区域瓦斯抽采效果评价具有重要的实用价值和意义。1煤矿井下密闭取芯技术现状文献1设计了一套内、中、外三筒结构的密闭取样装置，取芯过程如图1所示。通过在预定深度钻进取样，达到取芯长度后通过高压水推动取芯中筒前移，带动齿轮关闭球阀完成密封，最后退钻，取下取样器，连接井下解吸仪进行井下解吸。虽然三筒结构保证了泥浆液能流入取芯钻头末端冷却钻头，但是结构复杂，且齿轮球阀结构在煤矿井下的取样环境下容易受煤屑影响，出现卡齿等问题。（a）取芯前（b）取芯时（c）取芯后图1密闭取样装置取样过程文献3研制的一套由取芯外筒、取芯内筒与取芯中间筒组成的“三筒单动，球阀密闭”型密闭取样装置，该装置实际是2层结构，泥浆液通过间隙冷却钻头，在取芯钻进长度达到设计值后，在钻杆内部放置一轻质球，通过泥浆液将球推至密闭取芯装置末端球座，堵上水眼，加压切断取芯中间筒与悬挂总成联接的销钉，依靠销钉剪断时的瞬间力量取芯中间筒推动取芯内筒将取芯内筒上、下端联动球阀关闭，密封完成。后续装置恢复水路，退钻后在井下完成现场解吸。通过轻质球加压关闭的方式可控性强，但操作繁琐、时间长，取芯完成后的煤样暴露在空气中的煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.202305021错位闭合型密闭取芯装置的研究徐树斌1，2，郭昆明1，2（1.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）摘要：根据煤矿井下现有取样装置的技术现状，分析了不同结构类型装置的特点和不足。以此为基础，设计出一种错位闭合型密闭取芯装置，解决了常规取芯装置球阀在剪断煤样和密封方面存在的不稳定问题。通过室内气密性试验和水压闭合试验，对其进行了原理性验证；并在城郊矿底抽巷进行了4组穿层孔的取样试验，装置整体运行稳定，取样量满足瓦斯直接法测定的要求。关键词：瓦斯含量；错位闭合；密闭取芯中图分类号：TD712.6文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0067 03Research on Closed Core Removal Device with Dislocation ClosureXu Shubin1，2，Guo Kunming1，2（1.Chongqing Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group,Chongqing 400039，China；2.StateKey Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling，Chongqing 400037，China）Abstract:According to the technical status of existing sampling device in underground coal mine,thecharacteristics and shortcomings of different structure types of devices were analyzed.On the basis ofthis,a kind of dislocation closure closed core removal device was designed,which solves the unstableproblems existing in cutting coal sample and sealing of conventional coring device ball valve.Throughindoor air tightness test and water pressure closure test,its principle was verified.Four groups of holesampling experiments were carried out in the bottom pumping tunnel of chengjiao mine.The deviceruns stably and the sampling quantity meets the survey requirements of direct gas method.Key words:gas content；dislocation closure；closed core removal低压水高压水67时间越久，取芯效果越差，且球阀结构受煤矿井下环境影响大，容易出现堵塞等问题导致取样成功率下降。上述2种结构在实际应用过程中，切削的煤渣或岩屑可能进入球阀的开闭执行机构或堵塞关闭通道，进而影响执行机构工作灵敏性，造成球阀无法完全关闭，装置密封性得不到保障。由此一来，容易造成取芯筒内煤样瓦斯的逸散，使得测定的瓦斯参数出现误差，影响抽采设计。2错位闭合型密闭取芯装置整体结构及原理针对上述2种机构中的球阀保压难以密封的问题，设计了一种错位闭合型密闭取芯装置。该装置以压力驱动密闭执行机构，通过旋转错位切断煤芯，同时错位面采用密封圈密封。密闭保压取芯装置结构如图2所示。图2密闭取芯装置剖视图1.驱动套筒2.外筒3.固定螺母4.内筒挂座5.卡销6.弹簧7.取芯内筒8.筒销.9.过渡矫正罩定向钻机钻至预定取芯位置后退钻将该装置送入孔底，取样过程中，调节泥浆泵，以低压水通过钻杆、驱动套筒的外壁沟槽、取芯内筒与外筒之间的间隙及外钻头水口流入孔底，实现钻头切削时冷却及排渣。同时，取芯钻头在钻杆作用下在煤层旋转切削，煤样通过通道进入取芯内筒；钻进2 m后，调节泥浆泵，将高压水通过钻杆送入取芯装置，内筒旋转启动机构的芯轴在高压水作用下压缩弹簧向内筒挂座滑移；当芯轴凹槽部分位于卡销下方时，驱动套筒在水压作用下，把卡销压入芯轴凹槽内，驱动套筒处于可转动和轴向可移动状态，水压作用于驱动套筒端盖，在驱动套筒螺旋槽与固定螺钉的相互作用下，产生给进旋转运动，驱动套筒通过开口槽及固接于内筒上的拔销使内筒转动，实现内筒180旋转，封闭内筒煤样。3验证性试验根据图2进行了产品试制。为保证使用效果，对该装置的气密性及闭合功能进行了验证性试验测试。（1）气密性试验为保证取样结果的准确，要求取芯内筒不出现漏气、泄气的情况。在地面气密性试验中，为了直观地查看气体保存的状况，采用将关闭状态的密闭取芯装置置入水中，初步检测、查看端盖附件有无气泡产生，确定无气泡产生后放置24 h，然后打开取芯装置查看取芯内筒有无进水现象，记录装置气密性试验情况。气密性试验结果如表1所示。第3次试验由于错位阀门未拧紧，产生了少量漏气的情况，其他3次结果压力变化均不超过5%，说明该密闭取芯装置的保压能力可靠，使用过程中瓦斯损失量小，提高了最终瓦斯含量测量结果的准确度。表1气密性试验结果（2）闭合试验为验证密闭取芯装置执行机构关闭运作的可靠性和结构设计合理性，确保动力源与实际取样中使用的泥浆泵相似，对取芯装置使用预定的关闭水压加压，同时检验执行机构关闭水压数值是否符合设计预期。具体试验流程如下：组装取芯装置，设定好初始位置并固定，转换接头与泥浆泵联接，打开泥浆泵准备进行加压模拟；开始加压，控制压力上升至预定数值5 MPa，达到5 MPa后继续加压至8 MPa，注意控制加压速度，维持8 MPa水压，30 s后关闭，或在压力突然变小时关闭泥浆泵；检查取芯装置的取芯筒是否成功关闭，记录试验中的水压与关闭情况以进行下一步分析。水压闭合试验结果如表2所示，其中关闭水压通过压力表观测，在错位密封盖关闭的瞬间水压表的压力会发生较大的瞬时变化，说明取芯内筒已关闭。5次试验成功测定4次，未成功测定关闭水压的1次是因为在操作时加压速度过快，未能观测到关闭时瞬时压力变化。第1次、第2次试验采用弹簧控制水压大小，后3次采用了32片碟簧，从最大水压和关闭水压可以看出，碟簧的关闭压力相较于螺旋弹簧更适合在实际生产中使用，且碟簧更好通过片数控制关闭水压压力大小。表2水压关闭测试结果（3）模拟取芯试验为了模拟实际工况，在地面对岩块进行实际工况下的取样钻进，观察取芯筒是否取得岩样，试验结果如表3所示。第44卷第5期Vol.44 No.5错位闭合型密闭取芯装置的研究徐树斌，等编号1234初始压力/MPa0.6320.7450.6830.77124 h后压力/MPa0.5980.7110.5010.757内筒情况无水无水有少量水无水编号12345内筒关闭情况关闭关闭关闭关闭关闭关闭水压/MPa3.1/5.45.55.1最大水压/MPa5.04.56.88.27.71234 5678968第44卷第5期Vol.44 No.5错位闭合型密闭取芯装置的研究徐树斌，等表3模拟取芯试验通过上述3项验证性试验，可得出如下结果：通过气密性试验，错位密封结构与平衡O形圈的配合可以满足密闭取样的密封保压要求；水压闭合试验中，使用螺旋弹簧作为执行关闭机构触发的泵压临界值偏小；采用碟簧在控制临界值大小与装置稳定性上更易实现，通过增减碟簧数量可适应密闭机构关闭压力的调节；通过模拟取芯试验，验证了整套装置的原理及操作流程，取样量满足实际需求。4现场应用完成室内模拟试验后，理论上取芯装置已经可以实际使用于煤矿井下瓦斯含量检测工作，但实际工作环境复杂，存在一些室内试验体现不出来的问题，因此选择在城郊矿进行现场试验。根据城郊矿的生产安排，试验安排在21108底抽巷下巷的穿层钻孔，本次试验钻孔4组，其结果如表4所示。表4现场试验情况本次试验4组钻孔，除1组钻孔因孔内异常停止钻进外，其余3组钻孔取样量大于300 g，且错位闭合机构成功闭合，满足现场瓦斯解析需求。同时，试验也暴露出部分不足，需要后期进一步改进：（1）相对于钻杆而言，取芯装置粗径部分较长，在岩层中因钻孔弯曲，送入孔底时有阻碍，部分孔段需要扩孔，后期需进一步优化装置尺寸；（2）煤层取样时采取干钻方式取芯钻进，随着钻进距离增加，旋转压力增大，后期需验证水力循环对取芯是否有影响。5结语（1）研制了错位闭合型密闭取芯装置，通过气密性试验验证了该装置的保压效果，保压24 h，压力变化小于5%；通过现场实际应用，各机构动作准确到位，取样量大于300 g，满足现场需求，验证了设计结构的合理性；（2）根据现场试验结果，后期还需对装置的尺寸及施工工艺进行进一步优化。参考文献：1贵宏伟,李学臣,郭艳飞,等.千米钻机超深钻孔定点密闭取芯技术研究与应用J.煤炭工程,2018,50(12):54-57.2孙四清.煤层气含量地面井密闭取心与快速测定技术研究D.北京：煤炭科学研究总院，2018.3龙威成.井下煤层长距离定点密闭取心技术及应用研究J.河南理工大学学报（自然科学版），2022,41(1):9-16.4卢宗玮,王清峰,李彦明.密闭取心装置研究现状与解决方案J.煤炭技术,2022,41(5):142-144.5李泉新，方俊，许超，等.井下长距离定点保压密闭煤层瓦斯含量测定取样技术J.煤炭科学技术,2017,45(7):68-73+166.作者简介：徐树斌（1988-），江苏如东人，高级工程师，硕士，研究方向：煤矿井下钻探工艺及配套机具开发，电子信箱：xushubin_.责任编辑：赵荣收稿日期：2022082