深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展.pdf

深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展谢和平1,2，崔鹏飞1，尚德磊1，凡东3，陈领1,2，杨明庆1,2，杜林4，高明忠1,2(1.深圳大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室，广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，深地科学与绿色能源研究院，广东 深圳 518060；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；3.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；4.陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西 宝鸡 721599)摘要:煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题，提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理，推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求，分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器，可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备，可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试，解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题，大大提高了瓦斯含量测定的准确性，为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑，以期降低瓦斯事故，提高高突矿井安全开采效率。关键词：保压取心；低扰动取心；原位瓦斯含量；原位瓦斯压力；一体化转移破碎中图分类号：TD4；TD713；TD166 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)08-0001-12Researchadvancesonthein-situpressure-preservedcoringandgasparameterdeterminationfordeepcoalseamsXIE Heping1,2,CUI Pengfei1,SHANG Delei1,FAN Dong3,CHEN Ling1,2,YANG Mingqing1,2,DU Lin4,GAO Mingzhong1,2(1.State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering,Guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization,Institute of DeepEarth Sciences and Green Energy,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.College of Water Resource and Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China;3.CCTEG Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China;4.Shaanxi Linbei Coal Industry Development Co.Ltd.,Baoji 721599,China)Abstract:The in-situ gas pressure and content of coal seams are critical for the safe production of deep coal mines andthe accurate evaluation of coalbed methane resources.To address the technical challenges of accurately determining in-situ gas content in deep coal seams,this study proposed brand-new principles of in-situ pressure coring and the tests of in-situ gas content and pressure.It also derived a calculation method for in-situ gas content in coal seams and a method fordetermining the in-situ gas pressure while considering the effects of moisture content and multiple gas components.Giv-en the in-situ stress environment deep in mines and the demand for multi-direction coring,this study introduced inde-pendently developed pressure-preserved controllers using gravity,elastic force,and magnetic force.The authors of thisstudy also independently developed a set of technology and equipment that integrates low-disturbance pressure-pre-收稿日期:2023-02-10；修回日期:2023-07-17基金项目:国家自然科学基金项目(51827901，52225403)；深圳市基础研究项目(JCYJ20190808153416970)第一作者:谢和平，1956 年生，男，湖南双峰人，中国工程院院士，教授，博士生导师，从事深地科学与绿色能源领域的基础研究与工程实践.E-mail：通信作者:高明忠，1980 年生，男，山西吕梁人，博士，教授，博士生导师，从事深部原位岩石力学理论及深部原位保真取心领域研究.E-mail： 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023谢和平，崔鹏飞，尚德磊，等.深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展J.煤田地质与勘探，2023，51(8)：112.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.02.0075XIE Heping，CUI Pengfei，SHANG Delei，et al.Research advances on the in-situ pressure-preserved coring and gas paramet-er determination for deep coal seamsJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(8)：112.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.02.0075served coring and the gas content tests of samples.This set of technology and equipment allows for in-situ sample trans-fer,pulverization,and tests that are integrated with the pressure-preserved coring device and can unlock the coringdevice.This avoids gas escape and loss during in-situ coring and sample transfer,thus significantly improving the accur-acy of the gas content determination.This study provides theoretical and technical support for accurately determining in-situ gas pressure and content in deep coal seams,aiming to reduce gas accidents and enhance the mining efficiency ofmines with high outburst risks.Keywords:pressure-preserved coring;low-disturbance coring;in-situ gas content;in-situ gas pressure;integrated trans-fer and pulverization 煤炭在我国一次能源结构中长期处于主导地位，并在未来相当长一段时间内不会改变1。然而，随着浅部煤炭资源日益枯竭，煤矿开采深度逐渐增加，深部煤炭开采将成为常态。深部煤炭开采过程中受“三高一扰动”(高地应力、高地温、高水压以及采矿扰动)环境影响2-4，伴随煤与瓦斯突出等严重灾害事故的发生，造成人员伤亡及财产损失，严重制约了煤矿的安全高效生产。另一方面，煤层瓦斯是伴随煤炭生成的可燃气体，是可靠的清洁能源5。因此，深部煤层瓦斯高效抽采具有煤矿安全生产以及碳减排的双重意义。煤层瓦斯含量是煤矿瓦斯灾害防治以及煤层气储量精准评估的重要基础参数6。我国煤层瓦斯含量测定主要依据 GB/T 232502009煤层瓦斯含量井下直接测定方法7、GB/T 195592021煤层气含量测定方法8、GB/T 287532012煤层气含量测定加温解吸法9，以及源于 Bertard 提出 USBM 方法后衍生的美国煤层气含量测定工业标准10。瓦斯含量测定分为直接法和间接法，间接法依据煤层瓦斯压力以及煤样的瓦斯基础参数通过 Langmuir 方程换算得到瓦斯含量。直接法主要通过获取煤层样品后密封运送至实验室测定其含气量。其中，因取样过程中煤样暴露，会有部分瓦斯逸散，这部分气体量无法直接测得称为损失气量。损失气量通过估算获得，是瓦斯含量测定误差的主要来源，与取心(解吸)时间、温压条件、取心工艺等因素相关11。在改进瓦斯含量测定理论方法(损失气量估算)的基础上12-16，瓦斯含量及其他岩石含气量测试装备17-18向小型化、便捷化方向12,19-20改进，为瓦斯含量准确测定实现技术装备升级，提供了可靠参考和经验。当前，取心作业方式已经迎来重大革新。现阶段针对瓦斯含量测定的取心方式大致分为传统开放式取心以及密闭取心两类。低瓦斯矿井通常采用收集钻孔过程中的煤屑进行瓦斯含量测定，但仍存在取样过程中煤样暴露时间过长的局限。为了减少取心过程中煤样的暴露时间，众多学者分别提出了井下钻孔风力排渣采样21、SDQ 深孔定点取样22、钻孔引射取心23等取心手段，通过对取心工艺的改良缩短了取样过程中煤样的暴露时间，提高损失气量估算精度进而提升瓦斯含量测定的准确性。密闭取心方式的提出为进一步减少取心过程中煤样暴露的时间提供了新思路。由此，双筒单动式取心器24、反转密封取样装置25、机械密闭取心装置26、地面井煤层气含量测定取心器27等一系列密闭取心装置的研发提高了瓦斯含量测定的准确性，为保压取心提供了新的技术及装备。煤层瓦斯压力测定结果是矿井“抽、掘、采”各个重要环节施工决策的衡量标尺。瓦斯压力测定方法也可分为直接法和间接法。直接测定法主要通过在煤层打钻后封孔，在孔口安装压力表记录煤层瓦斯压力原位数据28。封孔质量是煤矿井下瓦斯压力准确测定的关键，众多学者分别针对不同具体工程需求(近距离煤层群29、多煤层条件30、上行超长孔31、下行超深孔32)拓展了瓦斯压力测定工艺。针对瓦斯压力计算结果的可靠性，考虑气体组分33-34、压力恢复35等因素的影响，为瓦斯压力计算提供了更精确的测算依据。间接法通过煤层瓦斯含量以及煤的基础物理参数依据Langmuir 方程换算得到瓦斯压力。同时，研究者分别探究了基于定向钻井技术的煤层随钻瓦斯压力反演法36、基于甲烷溶解度的煤层瓦斯压力计算37等方法，进一步拓展了煤层瓦斯压力的计算理论。综上可知，为了准确获取煤层瓦斯参数，国内外学者针对煤层取心、瓦斯含量与瓦斯压力测定分别从理论、技术及装备开展了大量研究。然而，目前煤矿安全生产以及气体储量评估过程中仍存在因损失气量估算误差大导致瓦斯含量38测算失真以及因封孔质量不佳导致瓦斯压力测定失真39的局限；尤其，煤矿开采进入深部以后，高地应力、高地温和高瓦斯压力等原位环境对煤层瓦斯含量和瓦斯压力测定提出更高的挑战；同时，针对含水煤层、上行孔和下行孔等不同地质条件以及现场工程需求，缺乏能够适用于深部煤层复杂工况条件的取心及瓦斯含量和压力测试与计算方法。因此，亟需发展能够适用于深部煤矿工程背景和保持煤层原位信息的深部煤层原位保压取心技术与相应的瓦斯参数测定方法。笔者将针对煤层瓦斯含量及瓦斯压力 2 个基础参数，阐述低扰动保压取心技术、2 煤田地质与勘探第 51 卷煤层原位瓦斯含量与瓦斯压力测试原理，进而提出煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法；自主研发与保压取心器对接并解锁的样品转移、破碎一体化测试设备，为精准获取深部煤层原位瓦斯含量与瓦斯压力参数提供理论、技术与装备支撑(本文所述瓦斯参数主要针对瓦斯含量及瓦斯压力)。1煤层传统取心工艺及瓦斯含量、压力测试方法的不足与挑战瓦斯主要以吸附态和游离态存在于煤层孔裂隙中，原始煤层中的吸附瓦斯与游离瓦斯处于吸附/解吸平衡状态。煤层瓦斯压力是由煤层孔隙内游离瓦斯分子的热运动撞击产生作用力的平均统计，是决定煤层瓦斯含量和流动性能的重要参数。但大量研究显示煤层气实测瓦斯含量低于实际煤层累计产气量，即通过取心结合实验室测试手段获取的煤层瓦斯含量结果相较于煤层的原位瓦斯含量偏小40-41。目前，在煤层气开发与煤炭开采领域，主要通过钻探取心的方式获取煤心样品，并将煤心样品密封送至实验室内测定其瓦斯含量等相关参数。瓦斯压力测定方法是在煤层中钻孔，封孔时安装外置压力表监测瓦斯压力。然而，除原位测量外，上述工艺都脱离了煤层赋存的原位环境，没有获取原位“保真”样品，其测试结果必然与原位条件下的煤层信息有差别。因此，分别从取心方式和瓦斯含量、瓦斯压力测定方法 3 个方面分析行业内存在的不足与挑战。(1)瓦斯含量因取心、测试环节煤样暴露、瓦斯逸散导致测试结果失真。由于煤矿传统取心工艺的影响，瓦斯含量计算过程中需估算瓦斯损失量；其准确性将直接影响瓦斯含量参数可靠性(图 1a)；传统取心完成后样品装入煤样罐过程未全程密闭，加剧了损失量；煤矿井下瓦斯含量测定过程中样品块度尺寸较大时需将煤样从现场煤样罐中取出，进行破碎后测定其解吸气量。煤样罐中装入的样品块度过大时，需将样品初步破碎至 25 mm 以下(GB/T 232502009)或 2030 mm(GB/T 195592021)；该过程将造成瓦斯逸散进而影响瓦斯含量测定准确性(图 1b，图 1c)。O时间 t瓦斯含量 Q损失阶段井下解吸阶段破碎前解吸阶段破碎后解吸阶段不可解吸阶段Qa1Qa2Qa3Qa4Qa5钻孔样品收集井下解吸样品转移地面解吸 1样品破碎地面解吸 2质量校正样品封存钻进扰动取样损失气井下解吸测定装置煤样罐煤样破碎及含气量测定(b)(c)(a)估算图 1 传统取心与瓦斯含量测定流程Fig.1 Conventional coring and gas content determination processes(2)取心方式存在扰动大与密封性差等局限导致测试结果失真。钻取岩心过程中扰动较大，导致煤层原位吸附瓦斯解吸与瓦斯逸散加速，破坏了煤层原位瓦斯赋存状态(图 1b)。特别是开放式取心方法取样过程中存在煤样暴露阶段，该过程中瓦斯逸散将进一步导致瓦斯含量测定结果失真。第 8 期谢和平等：深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展 3 (3)瓦斯压力测定方法因封孔质量和原位环境影响导致测定结果失真。传统瓦斯压力测定准确性受封孔质量影响较大，测试过程中封孔工艺、封孔材料和封孔参数的选择以及现场操作工人的经验都可能对测定结果产生一定影响；此外，现场煤层含水状态、气体组分、测定周期等因素也将直接影响瓦斯压力测定结果。简而言之，深部煤层保压取心技术体系亟待解决和突破的关键技术挑战：深部煤层原位低扰动取心技术；深部煤层钻孔小空间自触发密封技术；原位煤心连续密闭转移技术。2深部煤层原位保压取心工艺及原位瓦斯参数测试原理与方法针对传统取心方式在煤层瓦斯基础参数测定“失真”的不足，基于“五保”取心构想42，研发了适用于煤矿井下不同取心角度的保压取心装置及原位一体化测试设备，为深部煤层原位瓦斯含量及瓦斯压力测定提供先进的技术与装备。2.1原位保压取心原理、技术及装备 2.1.1 思 想针对吸附瓦斯测不准、游离瓦斯测不到的现实挑战，基于国家基金委大科学仪器项目深部岩石“五保取心”(保温、保压、保质、保湿、保光)思想，提出了原位保压取心的思想和全新的原理与技术，即：在含瓦斯煤层首先钻探进入目标靶区，采用压力与成分同时维持的技术手段获取煤层中的煤心“活体样本”，从而原“质”原“位”地测定无损瓦斯参数。保压所指的压力并非煤层原位地应力等因素，而是指原位孔隙压力6。因此，获取的原位煤心样品同时包含煤心样品、吸附态瓦斯、游离态瓦斯等原位流体。深部煤层保压取心是深部岩石“五保取心”在煤矿领域的拓展应用，具有“低扰动”和“保压”两大技术特点，如图 2 所示。低扰动取心即通过自主研发的双重防转机构，有效降低取心过程中的机械扰动，避免扰动后煤层原位瓦斯额外解吸逸散，提高瓦斯参数测定结果的准确性；保压取心即通过自主研发的牟合方盖保压控制器，实现煤层钻孔原位小空间内的自密封取心，获取煤层原位煤心，同时将游离瓦斯以及吸附瓦斯封存于保压空间内。基于以上取心思想将煤层原位样品及原位瓦斯封存于具有长期稳定保压能力的取心器中，通过密闭转移及一体化破碎装置测定原位煤样中的解吸气量，最终测定煤层原位瓦斯含量；基于保压取心器中的瓦斯压力传感器读数结合下文提出的煤层原位瓦斯压力计算方法获得煤层原位瓦斯压力。低扰动模块一级防转二级防转保压模块1 723 mm90 mm图 2 保压取心器结构原理及实物Fig.2 Structural principle and physical object of the pressure-preserved coring device 2.1.2 原理及技术基于九章算术几何思想启发43，提出基于牟合方盖的原位取心保压控制器，完成了保压控制器构型设计，其耐压能力最大可达 100 MPa44。为满足不同应用背景下深部煤层取心需求，设计研发包括重力自触发式、弹力式和磁力式保压控制器，如图 3 所示。现场取心过程中保压控制器触发闭合动作后取心器内部形成具有一定保压能力的封闭空间，可实现原位煤样在钻孔小空间内自密封。原位低扰动取心采用双重防转技术通过内管总成上部悬挂机构与下部保压外筒分离实现一级防转，内部岩心筒与保压外筒分离实现二级防转，综合双重防转机构设计实现原位低扰动取心6，从而降低钻进对煤层的扰动，降低取心时煤层瓦斯解(a)重力式 (c)磁力式(b)弹力式 图 3 自主设计的三代保压控制器Fig.3 Three types of self-designed pressure-preserved controllers 4 煤田地质与勘探第 51 卷吸速率，提高取心的可靠性。2.2原位瓦斯含量测定原理及方法瓦斯含量测定直接法主要分为煤矿井下解吸环节以及地面实验室测定环节。由图 1 及表 1 可知，广泛使用的常压解吸法瓦斯含量主要包括损失量(Qa1)、井下解吸瓦斯量(Qa2)、粉碎前自然解吸量(Qa3)、粉碎后自然解吸量(Qa4)以及常压不可解吸量(Qa5)9-11,45。其中，瓦斯损失量估算是传统瓦斯含量测定失真的主要环节，保压取心可实现在煤层内原位保压取心。取心结束后保压控制器闭合，可将煤层原位游离瓦斯和吸附瓦斯封存在取心器内，有效防止煤心瓦斯从孔底到孔口过程中的逸散，减小瓦斯损失量估算误差。同时，传统瓦斯含量测定方法中粉碎前自然解吸瓦斯量(装样时未密闭)、粉碎后自然解吸瓦斯量(残余瓦斯量)测定需将煤样从煤样罐内转移至球磨装置再破碎，转移过程存在煤样的暴露，可能伴随部分瓦斯逸散。表1煤层气、瓦斯含量测定方法对比Table1Comparisonofmethodsfordeterminingcoalbedmethaneandgascontents测试方法不同阶段瓦斯量构成GB/T 232502009煤矿井下瓦斯含量(常压自然解吸法)损失量井下解吸量粉碎前解吸量粉碎后解吸量不可解吸量GB/T 232502009煤矿井下瓦斯含量(真空脱气法)损失量井下解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量GB/T 232492009地勘时期瓦斯含量采样过程中瓦斯损失量煤样解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量GB/T 195592021煤层气含量测定方法损失量实测的自然解吸量残余气量GB/T 287532012煤层气含量测定 加温解吸法损失量解吸量残余气量煤层原位瓦斯含量(保压取心法)初次解吸量(Q1)转移解吸量(Q2)粉碎解吸量(Q3)不可解吸量(Q4)深部煤层保压取心及一体化转移测试工艺可实现全程密闭环境内煤样的原位转移、破碎及含气量测定，有效减少“取心、转移、测定”全过程中的瓦斯逸散，实现原位“保压”取心与测试分析。2.2.1 测定原理深部煤层原位保压取心思想的“原位保压”和“低扰动取心”技术，可最大程度减小取心扰动对煤层原位瓦斯含量的影响，避免额外原位瓦斯解吸逸散造成瓦斯含量测定结果失真。保压取心器的保压能力与稳定性满足取心器保压运送至测定地点的需求，通过自主研发的高压密封转接管套46配合含气量测定装置对取心器内气体量进行测定，测得初次解吸瓦斯量；通过转移破碎一体化测定装备对接取心器，经过解锁操作将煤心在密闭条件下转移至破碎装置，并测定转移过程中和破碎后的煤心含气量，得到转移瓦斯量以及破碎后瓦斯量；利用破碎后煤样测定吸附常数等参数计算不可解吸瓦斯量，最终获得总瓦斯含量。以上原位瓦斯含量测定原理从取心、转移到破碎全过程避免煤层原位瓦斯额外逸散对瓦斯含量数据的影响，大大提高瓦斯含量测定的准确性。2.2.2 测定方法针对煤层原位保压煤样，提出了煤层原位瓦斯含量测试方法(图 4)。煤层原位瓦斯含量主要由初次解吸气量、转移解吸瓦斯量、粉碎后解吸瓦斯量和不可解吸气量 4 部分构成(文中初次解吸气量和初次解吸瓦斯量分别为煤层气行业和煤矿行业术语，本文未作严格区分)。在井下完成保压取心的取心器被运送至测定地点后，煤层原位瓦斯含量测定方法主要分为 4 个步骤。(1)首先利用高压密封转接管套与取心器接口对接，连接气水分离装置和含量测定单元，参考相关标准 5 min内无明显瓦斯解吸后记录解吸瓦斯含量(Q1)；(2)然后，关闭取心器侧壁转移套管接口，将取心器与转移破碎一体化测试装置连接，完成取心器解锁并开启瓦斯含量测定单元，必要情况下进行加温促进解吸，记录这一阶段解吸瓦斯含量(Q2)；(3)随后，将煤样转移至一体化破碎装置，经过初次破碎以及二级破碎，将煤样粉碎至 0.25 mm 以下粒径后，测定这一阶段解吸瓦斯含量(Q3)；(4)最终将煤粉取出筛分称重，记录煤样质量，称取部分煤样进行吸附常数、密度、孔隙率、灰分和水分测定，计算得到不可解吸瓦斯含量(Q4)。初次解吸气量、转移瓦斯解吸气量以及粉碎瓦斯解吸气量计算方法如下：Qi=3j=1Vjim(1)Vji式中：Qi为各阶段煤样解吸瓦斯量(i=1,2,3,4)，cm3/g；为各阶段瓦斯体积(j=1,2,3,4)，cm3；m 为煤样质量(分为空气干燥基和干燥无灰基)，g。采用常压自然解吸法测定时，瓦斯含量按下式计算：第 8 期谢和平等：深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展 5 Q=Q1+Q2+Q3+Q4(2)式中：Q1为煤样初次解吸瓦斯量，cm3/g；Q2为样品转移解吸瓦斯量，cm3/g；Q3为样品粉碎后解吸瓦斯量，cm3/g；Q4为常压不可解吸瓦斯量，cm3/g。采用常压自然解吸法测定时，初次解吸瓦斯量、样品转移解吸瓦斯量、粉碎后瓦斯量按式(1)计算，常压不可解吸瓦斯量按下式计算。Q4=0.1ab1+0.1b100w(Aad)w(Mad)10011+0.31w(Mad)+(3)式中：a 为煤的瓦斯吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；b 为煤的瓦斯吸附常数，MPa1；w(Aad)为煤中灰分质量分数，%；w(Mad)为煤中水分质量分数，%；为煤的孔隙率，%；为煤的密度，g/cm3。2.3原位瓦斯压力测定原理及方法基于煤层原位保压取心原理及装备，保压控制器上端配备有瓦斯压力测定装置，可实时显示保压取心不同阶段保压控制器内流体压力。针对保压取心应用的具体工程，依据 Langmuir 方程、气体状态方程等相关理论，构建保压原位瓦斯压力计算方法。2.3.1 测定原理深部煤层压力构成机制复杂，包括煤层原位地应力、原位瓦斯压力等因素，本文所述原位压力是指原位孔隙压力6。如图 5 所示，待保压控制器在煤层钻孔取样时，煤心被推入取心器的保压空间并闭合后密封(图 5 阶段)。原位的煤心瓦斯压力平衡状态开始向保压空间中新的瓦斯压力平衡状态转换(图 5阶段)，直到最终达到平衡(图 5 阶段)。由于平衡状态吸附态瓦斯压力与游离态瓦斯压力相等，可依据Langmuir 方程和气体状态方程，结合保压空间内最终平衡状态体积和平衡后的瓦斯压力计算出平衡后的保压空间内瓦斯质量，根据质量守恒定律，即得到了煤层原位煤心游离瓦斯和吸附瓦斯质量。从而计算出原位瓦斯压力，同时，根据实际工程需要，基于保压取心工艺，分别探索了干燥单组分和含水多组分条件下的煤层原位瓦斯压力计算方法。I II III IO II III 时间 瓦斯压力 吸附瓦斯 游离瓦斯 煤体 保压 煤心 瓦斯转化 图 5 保压取心瓦斯压力测定原理Fig.5 Schematic of gas pressure determination principle ofpressure-preserved coal samples 2.3.2 压力测定与计算方法记录不同取心完成时间下的保压空间中瓦斯压力变化规律(通过取心器压力显示装置读取的表压)，依据最终平衡后的取心器瓦斯压力读数，吸附常数 a、b，煤样质量、密度、孔隙率以及环境温度(含水多组分气体条件下煤层原位瓦斯压力的计算需另测定含水率及气体组分)计算得到煤层原位瓦斯压力。(1)对于干燥且不考虑含有其他气体组分的取心样品，煤层原位瓦斯压力计算方法6如下：mg1=abp11+bp1MgVMmc+(Vconmcc+mcc)MgRTp1(4)气水分离洗气洗气温/压传感器含量测定单元转接管套接口密封及多重防转组件密封解锁煤样密闭转移初次破碎25 mm二级破碎0.25 mm吸附常数a、b 值容重 孔隙率 灰分 Aad水分 Mad初次解吸气量 Q1转移解吸气量 Q2粉碎解吸气量 Q3不可解吸气量 Q4图 4 保压煤样全程密闭转移及破碎瓦斯含量测试流程Fig.4 Integrated process of the whole-process closed transfer,pulverization and gas content tests of pressure-preserved coal samples 6 煤田地质与勘探第 51 卷p=(mg1abp01+bp0MgVMmc)cRTMgmc(5)式中：mg1为取心器内瓦斯质量，kg；p1为取心器中实测瓦斯压力，MPa；Mg为甲烷分子质量，kg/mol；VM为理想气体体积常数，m3/mol；mc为取心煤样质量，kg；Vcon取心器内空间体积，m3；R 为理想气体常数，J/(molK)；T 为温度，K；p 为煤层原位瓦斯压力，MPa；p0为煤层原位吸附态瓦斯压力，p=p0；c为煤样的视密度。(2)当采用水钻或由于地层中含水导致保压控制器中含水时，根据道尔顿分压定律，含水煤样中瓦斯气体的压力47为：p2=pac pv(T)=pac10(ABTC)aw(6)式中：p2为取心器中的瓦斯压力，MPa；pac为保压控制器表压，MPa；pv(T)为饱和蒸汽压，MPa；A、B、C 分别为水分相关参数，A=5.115 64，B=1 687.537，C=42.98；aw为水分活度系数，aw=0.9747。结合平衡后取心器中表压，利用式(6)计算得到保压空间中瓦斯压力，再依据式(7)计算得到含水状态下保压空间内的瓦斯质量，最终依据式(8)计算得到含水多组分条件下的煤层原位瓦斯压力。mg2=ni=1aibiip21+bip2MiVMexp()mc+(Vconmcc+cmc)MiRTp2(7)p=(mg2ni=1aibiip01+bip0MiVMmc)cRTMimc(8)式中：mg2为含水状态下取心器内瓦斯质量，kg；ai、bi为第 i 相气体的吸附常数，m3/t，MPa1；i第 i 相气体的体积分数，%；Mi为第 i 相气体分子质量，kg；为水分影响的吸附衰减系数；为含水率，%；为水分影响的吸附量到游离量的转化系数。需要强调的是，取心器中瓦斯压力读数应为平衡状态时瓦斯压力；干燥煤样多组分气体时，式(8)中含水率为 0；含水煤样单组分气体时，式(8)中吸附常数用单一值。综上分别提出了考虑含水率及气体组分影响下的深部煤层原位瓦斯压力计算方法，在后续研究中仍需进一步针对不同煤种和取样深度开展验证实验，进一步确定各参数的适用条件。3深部煤层原位煤心样品一体化转移现场测试3.1原位保压取心密闭转移及瓦斯含量测试研发的密闭转移破碎一体化测试系统如图 6、图 7 所示，用于密闭条件下瓦斯含量测定，其主要结构功能包括煤心样品的密闭转移装置和一体化破碎装置。保压取心获得的煤样通过系统配备的解锁、转样、破碎装置，直接实现密闭转移和破碎全过程解吸气体量测定。各功能模块之间通过设置的密封阀组进行连接，AAAA锁紧装置剖面取心器推移装置取心器密封阀支架及导轨锁紧装置拉杆回旋组件解锁组件回旋组件转移舱转样器BBBBAA转移装置剖面岩心样品管图 6 保压取心样品密闭转移装置Fig.6 Closed transfer device for pressure-preserved coal samples第 8 期谢和平等：深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展 7 转样和破碎功能通过密封阀组的开启/关闭动作的配合实现。系统可直接解锁孔隙压力为 6 MPa 以内的取心器，并研制了用于孔隙压力为 30 MPa 以内的样品初次解吸的高压密封转接管套46。样品直径最大50 mm，长度依据取心器样品管长度而定；同时，为了便于观测煤样形貌和后续其他检测，配置了可视化转样器，如图 6 所示。煤样粉碎样品仓密封球阀粉碎舱高速电机旋转分布器支架破碎驱动器初次破碎舱AAAA图 7 保压取心一体化破碎装置Fig.7 Integrated pulverization device for pressure-preserved coalsamples 保压取心器获取煤心样品后，首先，(1)检测取心器的气密性；(2)再将取心器与转移装置转移舱对接；(3)打开密封阀解锁组件，并与拉杆配合，将保压岩心筒与取心器分离；(4)利用回旋组件与锁紧装置配合动作将岩心筒与拉杆组件分离；(5)关闭密封阀后脱离转移舱与取心器对接机构，再脱离转移舱与回旋组件对接机构；(6)沿垂直于拉杆方向推移转移装置导轨，将转移舱两端分别对接推移装置与转样器；(7)打开密封阀后利用推移装置作用力将保压煤心转移至转样器，最终关闭转样器两端密封阀即实现保压煤心样品转移动作。将转样器一端与破碎装置密封阀对接，打开密封阀后保压煤心在初次破碎舱内进行初次破碎，随后在粉碎舱内进行二级破碎，破碎时破碎装置可与瓦斯含量测试单元对接进行破碎后瓦斯量测定。最终收集符合目标粒径的粉末样品并称重，进行后期数据处理。3.2现场试验为探究保压取心装备与工艺的可靠性，分别在河南、陕西、黑龙江等煤矿现场开展试验，以陕西省宝鸡市园子沟矿现场实验为例。园子沟煤矿 2 煤层原始瓦斯含量为2.765.92 m3/t，煤层最大瓦斯压力为0.48 MPa，瓦斯放散初速度为 16.7，煤的坚固性系数为 0.86，煤层透气性系数为 0.924 5 m2/(MPa2d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.039 5 d1。现场取心地点位于园子沟煤矿 1012102 工作面辅运联巷及 1012102 工作面辅运回风联巷，临近工作面(1012007 综放工作面)煤层平均厚度 11.19 m，周边无老窑水存在。施工地点位置及施工钻孔布置如图 8 所示，分别布置了保压水平取心工艺以及竖直取心工艺(图 9)，获取了原位保压煤心。出于施工安全考虑，钻孔施工位置处已进行瓦斯抽采措施，因此该区域采 1 号联络巷号1012005 辅运巷绕道比例尺 11 000N1012102 辅运联巷1012102 工作面机头硐室20 m5 5 51 号2 号3 号4 号9035 m5 号6 号7 号8 号设计巷道煤层底板等高线/m煤层分叉合并线防火栅栏门进风回风永久风门岩巷断层5 5 5 205551 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号8 号9035555盘区变电所单位：m回风联络巷机头硐室联络巷VDF2580585590595600图 8 保压取心现场试验钻孔布置Fig.8 Drilling layout for field tests of pressure-preserved coring 8 煤田地质与勘探第 51 卷用传统方式测定的瓦斯含量接近于零。本次保压水平钻孔取心实测有效瓦斯含量为 1.331.55 m3/t，垂直钻孔取心实测有效瓦斯含量为 1.412.04 m3/t，测试结果均高于传统瓦斯含量测试手段获取的瓦斯含量。通过保压取心及一体化转移测试手段获取了更加准确的原位瓦斯含量数值，提高了煤矿井下瓦斯压力和含量测定圈定的潜在施工区精度，为现场施工提供了参考。4深部煤层保压取心理论、技术与装备研究展望保压取心采用了双重防转和一体化转移测试等技术措施，确保瓦斯压力和含量测定全流程的误差控制在极小范围内。但取心过程中受重力和实际施工等因素的影响，水平孔、垂直孔取心时存在钻孔迹线偏移的可能48。这可能导致取心钻具回转轴线偏移而使二者轴心不齐，影响施钻和取心成功率，严重情况会发生塌孔、卡钻等钻进事故。采用内外管之间配置扶正环能确保钻具的内外管同轴，但并不能从根本上解决钻进轨迹偏移问题49。地质钻探工程通常利用地球重力场和地磁场来确定方位50；由于钻孔内通信受限，采用声波、电磁传输的通信方法也会遇到瓶颈51-53。此外，施钻过程随钻纠偏也存在技术难题，且修正难度极大。研发智能测控辅助的随钻定位、定向和纠偏系统是解决这一难题的可能途径。松散软弱地层取心常遭遇卡钻、岩心损坏等不利于取心的问题54。采用微扰动保压取心技术是解决煤层瓦斯参数精准测定的关键之一。为了减少钻进冲洗液对岩心的冲刷，钻具可通过配置超前侧喷钻头配合多节捆绑式囊袋55；通过局部反循环配合防堵锥网54，或者采用衬管封隔卡心构件解决松散软弱岩心的安全钻进问题56，以增加松散软弱地层取心成功率。目前，煤层“保真”取样已得到行业的广泛关注57-58。保真取心应重点研发、优化适用于煤矿井下工况的微扰动取心方法与技术装备。瓦斯含量测定技术应围绕微扰动取心技术发展，重点攻关快速、精准、操作简单的保真取心工艺，以尽可能减少钻进取心过程对煤样的扰动，避免温压条件突变导致的额外解吸，减少损失量。相比于样品暴露时间，钻进扰动卸压对瓦斯解吸速率的影响也很大