随钻取心成套装备的研发及现场应用.pdf

为了进一步优化煤岩取心工艺,建立了取心钻头钻进动力学模型,进行了钻进过程影响因素数值模拟及实施随钻取心装备核心部件研发,得出钻速、钻压及切削角度对钻进过程具有较大的影响作用。组装了完整的随钻取心成套装备,借助于井上模拟取心实验获取了 1050 mm 的完整柱状煤岩试样岩心,开展了井下随钻取心现场实验以进行性能测试,并布置 6 组测点实施瓦斯含量的测定,结果显示:取心时长缩短至了少 1/3,测点的瓦斯含量误差在 5%以内,验证了该成套装备性能可靠。关键词:煤岩取心;动力学模型;钻速;钻压;切削角度;瓦斯含量中图分类号:TD712.3 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0097-08收稿日期:2023-02-28;2023-05-10 修订基金项目:国家自然科学基金面上项目(51874297)作者简介:王文明(1976),男,山西晋城人,高级工程师,主要从事矿井技术管理工作。E-mail:。Research and field application of complete set of equipment for coring while drillingWANG Wenming(Sihe Coal Mine,Jinneng Holding Equipment Manufacturing Group Co.,Ltd.,Jincheng 048200,China)Abstract:In order to further optimize the process of coal and rock coring,the drilling dynamic model of coring bit was established,the factors affecting the drilling process were simulated numerically and the core components of coring equipment were developed.It is concluded that the drilling rate,bit load and cutting angle have great influence on the drilling process.A complete set of equipment for coring while drilling was assembled,and a complete columnar coal-rock sample core with a diameter of 10 mm to 50 mm was obtained by means of simulated surface coring experiment.The underground field experiment for coring while drilling was carried out to test the performance,and 6 groups of measuring points were arranged to measure the gas content.The results show that the coring time is reduced by 1/3;the error of gas content at the measuring point is less than 5%,which verifies the reliability of the performance of the complete set of equipment.Keywords:coal and rock coring;dynamic model;drilling rate;bit load;cutting angle;gas content 深部煤炭开采具有高地应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量等特点1-2,在日常生产中需要同时开展大量的取心作业以进行煤岩物理参数、瓦斯基本参数等方面的检测工作。以直接法测定煤层瓦斯含量为例,取心按照取样方式分为孔口接样法和钻进取心法两类3-4。孔口接样法虽然操作简便,但取出的煤样纯度较差,测定结果误差较大。相较于孔口接样法,钻进取心法测定的瓦斯含量精确度较高,但钻进工艺涵盖“进钻退钻换取心钻头进钻取心退钻”等多个环节,需要多个进退循环工作,存在工作量大、操作复杂、耗费时间长等诸多缺点。综上所述,为简化煤层钻孔取心步骤、提升取心效率,进行随钻取心成套装备的研发,以便于开展长钻孔随钻原位大量且高效的取心工作5-6。1 取心钻头钻进动力学模型取心钻具在煤岩中的钻进方式属于切削剪切型,其钻进过程可被视为轴向前进与绕轴旋转共同作用的结果。钻进过程在同时受到轴向载荷和绕轴转矩的共79第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023同作用后,煤岩体中的应力状态呈非对称分布,如图 1 所示。在接触面上,切向力作用的前方将产生压应力,作用的后方则产生拉应力,于是在煤岩体半无限体内将形成压应力区、拉应力区和过渡区。其中,压应力区随轴向力的增大而增大,随切向力的增大而减小;拉应力区则与压应力区的情况相反;过渡区内既存在压应力的作用,又有拉应力的作用。当煤体内有拉应力出现时,煤体将在拉应力区开始破碎7。图 1 轴向与切向应力共同作用下煤岩应力分布根据钻头切削齿对煤岩有效作用力大小,将原始赋存条件下煤岩的钻进破碎过程分为以下 3 个阶段8-9:表面破碎过程,当钻头切削齿对煤岩体的切削损伤远小于煤岩的硬度时,刀刃无法完全压入煤岩体;韧性破碎过程,切削损伤仍不足以破坏煤岩结构,切削齿压入岩石的深度也较浅;脆性破碎过程,切削破坏煤岩结构,此时钻具切削齿可有效地切入煤岩体,钻屑主要以剥离的形式从岩体脱落,形态多表现为片状或柱状。2 钻进过程影响因素模拟通过对取心钻头钻进动力学分析,发现钻速、钻压对钻进过程具有较大的影响。同时,图 1 中的正应力与切应力方向的变化体现出钻进角度同样是影响因素。选用 ABAQUS 软件进行有限元仿真模拟10-12,通过 UG 软件建立设计开发的钻头模型,对 PDC 钻头切削破岩过程进行相关仿真模拟时,需对钻头模型进行简化和假设如下:1)将 PDC 钻头简化为由 45#钢和碳化钨为基体的复合片钻头;2)将煤岩模型简化为连续性介质,忽略内部孔隙裂纹等微观宏观因素影响;3)PDC 钻头的强度远大于煤岩强度,钻头按不可变形刚体处理;4)弱化温度和钻井液射流作用等非钻头钻进作用对破岩的影响;5)弱化煤岩破碎后煤屑的二次破碎对钻进过程的影响,煤岩单元失效后默认立即被清除。在 UG 三维软件中创建模型,钻头基本尺寸参数为:基体 105 mm80 mm;切削部分 113 mm35 mm;内部通孔 64 mm,切削齿为 10 mm5 mm的圆柱薄片;钻头总长 130 mm,基体与切削部分平滑过渡,模型以“.step”文件格式输出13-14。在 ABAQUS 中将保存的“.step”文件以部件形式导入后,运用 Assembly 功能模块进行装配,再绘制煤岩体,调整取心钻头与煤岩体的相对位置,处理结果如图 2 所示。xxxzyzyyz图 2 初始计算模型钻头材料及性质参数如表 12 所示,实验测定的煤岩参数如表 3 所示。表 1 钻头力学参数材料类别弹性模量/GPa泊松比密度/(g cm-3)碳化钨3450.37513.3045#钢2100.3007.85表 2 钻头切削片力学参数类别弹性模量/GPa泊松比密度/(g cm-3)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗弯强度/MPaPDC7500.074.421 5506581 221表 3 3#煤物理参数煤样弹性模量/GPa泊松比密度/(g cm-3)抗压强度/MPa内摩擦角/()3#煤3.500.361.541239.5对煤岩底部及两帮设置全固定,钻头施加垂直于煤岩体顶部的位移,模型边界条件如图 3 所示。89Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月图 3 设定模型边界条件设置完成后,待运算收敛完成后,即可得到受力云图等分析结果。2.1 不同转速钻进过程煤岩体的受力规律设定钻头转速为 1、2 r/s,研究在钻进过程中煤岩体的受力特征,最终模拟结果如图 4 和图 5 所示。+3.8 9 7 E-0 2+3.5 8 8 E-0 2+3.2 7 8 E-0 2+2.9 6 9 E-0 2+2.6 5 9 E-0 2+2.3 5 0 E-0 2+2.0 4 0 E-0 2+1.7 3 1 E-0 2+1.4 2 1 E-0 2+1.1 1 2 E-0 2+8.0 2 6 E-0 3+4.9 3 2 E-0 3+1.8 3 7 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）+3.8 9 7 E-0 2+3.5 8 8 E-0 2+3.2 7 8 E-0 2+2.9 6 9 E-0 2+2.6 5 9 E-0 2+2.3 5 0 E-0 2+2.0 4 0 E-0 2+1.7 3 1 E-0 2+1.4 2 1 E-0 2+1.1 1 2 E-0 2+8.0 2 6 E-0 3+4.9 3 2 E-0 3+1.8 3 7 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）(a)钻进 1 min 煤岩应力云图+2.0 9 8 E-0 1+1.9 2 5 E-0 1+1.7 5 3 E-0 1+1.5 8 0 E-0 1+1.4 0 7 E-0 1+1.2 3 5 E-0 1+1.0 6 2 E-0 1+8.8 9 7 E-0 2+7.1 7 1 E-0 2+5.4 4 5 E-0 2+3.7 1 9 E-0 2+1.9 9 3 E-0 2+2.6 7 2 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.0 9 8 E-0 1+1.9 2 5 E-0 1+1.7 5 3 E-0 1+1.5 8 0 E-0 1+1.4 0 7 E-0 1+1.2 3 5 E-0 1+1.0 6 2 E-0 1+8.8 9 7 E-0 2+7.1 7 1 E-0 2+5.4 4 5 E-0 2+3.7 1 9 E-0 2+1.9 9 3 E-0 2+2.6 7 2 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）(b)钻进 2 min 煤岩应力云图+8.9 5 4 E-0 2+8.2 3 4 E-0 2+7.5 1 3 E-0 2+6.7 9 3 E-0 2+6.0 7 3 E-0 2+5.3 5 2 E-0 2+4.6 3 2 E-0 2+3.9 1 1 E-0 2+3.1 9 1 E-0 2+2.4 7 0 E-0 2+1.7 5 0 E-0 2+1.0 3 0 E-0 2+3.0 9 1 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）S，Mi s e s（A v g：7 5%）+8.9 5 4 E-0 2+8.2 3 4 E-0 2+7.5 1 3 E-0 2+6.7 9 3 E-0 2+6.0 7 3 E-0 2+5.3 5 2 E-0 2+4.6 3 2 E-0 2+3.9 1 1 E-0 2+3.1 9 1 E-0 2+2.4 7 0 E-0 2+1.7 5 0 E-0 2+1.0 3 0 E-0 2+3.0 9 1 E-0 3(c)钻进 3 min 煤岩应力云图+2.4 2 4 E-0 1+2.2 2 5 E-0 1+2.0 2 5 E-0 1+1.8 7 6 E-0 1+1.6 2 4 E-0 1+1.4 2 7 E-0 1+1.2 2 9 E-0 1+1.0 2 8 E-0 1+8.2 8 6 E-0 2+6.2 9 2 E-0 2+4.2 9 7 E-0 2+2.3 0 2 E-0 2+3.0 7 4 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.4 2 4 E-0 1+2.2 2 5 E-0 1+2.0 2 5 E-0 1+1.8 7 6 E-0 1+1.6 2 4 E-0 1+1.4 2 7 E-0 1+1.2 2 9 E-0 1+1.0 2 8 E-0 1+8.2 8 6 E-0 2+6.2 9 2 E-0 2+4.2 9 7 E-0 2+2.3 0 2 E-0 2+3.0 7 4 E-0 3(d)钻进 4 min 煤岩应力云图图 4 钻进速率为 1 r/s 时煤岩体受力云图+7.3 1 5 E-0 2+6.7 3 4 E-0 2+6.1 5 2 E-0 2+5.5 7 0 E-0 2+4.9 8 8 E-0 2+4.4 0 7 E-0 2+3.8 2 5 E-0 2+3.2 4 3 E-0 2+2.6 6 1 E-0 2+2.0 7 9 E-0 2+1.4 9 8 E-0 2+9.1 5 8 E-0 3+3.3 4 0 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）S，Mi s e s（A v g：7 5%）+7.3 1 5 E-0 2+6.7 3 4 E-0 2+6.1 5 2 E-0 2+5.5 7 0 E-0 2+4.9 8 8 E-0 2+4.4 0 7 E-0 2+3.8 2 5 E-0 2+3.2 4 3 E-0 2+2.6 6 1 E-0 2+2.0 7 9 E-0 2+1.4 9 8 E-0 2+9.1 5 8 E-0 3+3.3 4 0 E-0 3(a)钻进 1 min 煤岩受力云图+2.4 0 7 E-0 1+2.2 1 0 E-0 1+2.0 1 3 E-0 1+1.8 1 6 E-0 1+1.6 2 0 E-0 1+1.4 2 3 E-0 1+1.2 2 6 E-0 1+1.0 2 9 E-0 1+8.0 2 6 E-0 2+6.3 5 8 E-0 2+4.3 9 1 E-0 2+2.4 2 3 E-0 2+4.5 5 0 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.4 0 7 E-0 1+2.2 1 0 E-0 1+2.0 1 3 E-0 1+1.8 1 6 E-0 1+1.6 2 0 E-0 1+1.4 2 3 E-0 1+1.2 2 6 E-0 1+1.0 2 9 E-0 1+8.0 2 6 E-0 2+6.3 5 8 E-0 2+4.3 9 1 E-0 2+2.4 2 3 E-0 2+4.5 5 0 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）(b)钻进 2 min 煤岩受力云图+2.3 6 3 E-0 1+2.1 6 9 E-0 1+1.9 7 6 E-0 1+1.7 8 2 E-0 1+1.5 8 8 E-0 1+1.3 9 5 E-0 1+1.2 0 1 E-0 1+1.0 0 7 E-0 1+8.1 3 5 E-0 2+6.1 9 8 E-0 2+4.2 6 1 E-0 2+2.3 2 4 E-0 2+3.8 7 7 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.3 6 3 E-0 1+2.1 6 9 E-0 1+1.9 7 6 E-0 1+1.7 8 2 E-0 1+1.5 8 8 E-0 1+1.3 9 5 E-0 1+1.2 0 1 E-0 1+1.0 0 7 E-0 1+8.1 3 5 E-0 2+6.1 9 8 E-0 2+4.2 6 1 E-0 2+2.3 2 4 E-0 2+3.8 7 7 E-0 3(c)钻进 3 min 煤岩受力云图+2.4 2 1 E-0 1+2.2 2 3 E-0 1+2.0 2 5 E-0 1+1.8 2 6 E-0 1+1.6 2 8 E-0 1+1.4 3 0 E-0 1+1.2 3 2 E-0 1+1.0 3 4 E-0 1+8.3 6 2 E-0 2+6.3 8 2 E-0 2+4.4 0 1 E-0 2+2.4 2 1 E-0 2+4.4 0 3 E-0 3S，Mi s e s（A v g：7 5%）S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.4 2 1 E-0 1+2.2 2 3 E-0 1+2.0 2 5 E-0 1+1.8 2 6 E-0 1+1.6 2 8 E-0 1+1.4 3 0 E-0 1+1.2 3 2 E-0 1+1.0 3 4 E-0 1+8.3 6 2 E-0 2+6.3 8 2 E-0 2+4.4 0 1 E-0 2+2.4 2 1 E-0 2+4.4 0 3 E-0 3(d)钻进 4 min 煤岩受力云图图 5 钻进速率为 2 r/s 时煤岩体受力云图由此可见,随着钻头的进一步钻进,煤岩体开始发生破碎并被从煤层剥离,若转速过慢则不易形成完整的钻孔,而转速过快又不利于排渣,且存在钻头冷却不及时影响钻头使用寿命的问题。2.2 钻压对钻头进尺的影响设定钻头转速为 2 r/s,取 PDC 钻头上圆柱薄片顶点,分别测定 30、60、90 kN 钻压下钻头钻进轴向位移,结果如图 6 所示。图 6 不同钻压的钻头轴向位移曲线由图 6 可知,当钻压为 30、60、90 kN 时,40 s 钻进量集中在 27、40、55 mm。适当增大钻压,一方面可提高煤岩体切削破碎的效率;另一方面钻压较大时钻进波动小,有利于防止钻进跑偏。2.3 切削角度对钻头切削齿受力的影响为探究切削角度在钻进过程中对钻进切削煤岩体的影响15-17,分别设置切削角度为 10、15和 20,模拟不同切削角度下 PDC 钻头受力情况,结果如图 7 所示。99第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.4 1 2 E-0 1+2.2 1 3 E-0 1+2.0 1 4 E-0 1+1.8 1 4 E-0 1+1.6 1 5 E-0 1+1.4 1 6 E-0 1+1.2 1 6 E-0 1+1.0 1 7 E-0 1+8.1 7 7 E-0 2+6.1 8 4 E-0 2+4.1 9 1 E-0 2+2.1 9 7 E-0 2+2.0 4 3 E-0 3(a)切削角度为 10时受力云图S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.4 1 2 E-0 1+2.2 1 3 E-0 1+2.0 1 4 E-0 1+1.8 1 4 E-0 1+1.6 1 5 E-0 1+1.4 1 6 E-0 1+1.2 1 6 E-0 1+1.0 1 7 E-0 1+8.1 7 7 E-0 2+6.1 8 4 E-0 2+4.1 9 1 E-0 2+2.1 9 7 E-0 2+2.0 4 3 E-0 3(b)切削角度为 15时受力云图S，Mi s e s（A v g：7 5%）+2.4 1 2 E-0 1+2.2 1 3 E-0 1+2.0 1 4 E-0 1+1.8 1 4 E-0 1+1.6 1 5 E-0 1+1.4 1 6 E-0 1+1.2 1 6 E-0 1+1.0 1 7 E-0 1+8.1 7 7 E-0 2+6.1 8 4 E-0 2+4.1 9 1 E-0 2+2.1 9 7 E-0 2+2.0 4 3 E-0 3(c)切削角度为 20时受力云图图 7 不同切削角度 PDC 钻头切削齿受力云图由图 7 可知,PDC 钻头切削齿应力集中在煤岩体正面接触的弓面区域,如图 7 的区,而应力传递过程在区域不断递减;切削角度为 15时 PDC 钻头受力热区最小,故 15是最优的切削角度。3 取心装备核心部件设计3.1 取心钻头设计了一种利用扭簧回位的铰接式挡块可开闭钻头,主体材料选用 45#钢,聚晶金刚石复合片基体材料为碳化钨,做成薄圆片状镶装在钻头上。该钻头正常钻进时,扭簧预紧力保证挡块闭合,挡块上附有切削齿,在切削煤岩体的同时阻挡煤屑进入钻头内部;取心时在取心筒推力下挡块被顶开,取心筒随钻头一起钻进完成取心过程。钻头实物如图 8 所示。图 8 钻头实物图当取心筒上的挡臂被推开后,挡臂会外露超出钻头,从而影响钻头的正常钻进。鉴于此,将钻头加长,同时增加取心筒的长度,保证其外露足够长度,以便顺利开展取心工作,如图 9 所示。图 9 钻头部分加长3.2 集成取心装置集成取心装置是核心部件之一,通过定制的中空钻进钻头,将取心套管内嵌于钻杆内,钻进到预定位置后,在高压作用下将内嵌的取心套管推出,实现边钻进边取心,实物如图 10 所示。图 10 取心集成装置实物外观另外,所设计的取心筒外径 60 mm、内径 46 mm、长度 400 mm,如图 11 所示。图 11 取心筒实物001Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月3.3 双通道钻杆双通道钻杆由内壁、外壁、内通道及外通道组成。内外通道材质分别为不锈钢、合金钢,具有结构可靠、材质耐用等特点,用于为井下随钻取心提供高压水通道,可大幅提高取心效率。钻孔钻进时外通道通水排渣,降低钻头温度;钻进取心时,开启高压水泵,高压水经过内通道传递压力至孔底取心筒柱塞上,推动取心筒伸出钻头,进行随钻取心工作。双通道钻杆实物如图 12 所示。图 12 双通道钻杆实物图在井下取心钻进完成后,因钻机设备及操作等原因,经常出现钻杆拆卸困难。为此,改进内通道钻杆固定结构并使用螺纹胶等材料对内通道实施固定。3.4 配套水尾配套水尾为不锈钢材质,用于连接双通道钻杆和泵车,水尾中螺纹的长度比现有螺纹长度增加1.01.2 cm,增强了密闭性。配套高压水尾实物如图 13 所示。图 13 配套高压水尾实物图3.5 履带平台目前,受井下条件限制,无法配置相关的起重设备,只能依靠轨道和矿车进行钻杆设备的运输。但在无轨道区域,大都依靠人力进行钻杆的转运,劳动强度较大。因此,亟需一种液压驱动的钻杆运输车来转运、存取钻杆,降低工人劳动强度。为此设计了一款适用于本取心装置的履带平台18-19,钻杆车宽度1.2 m,长度4 m,钻杆车容量 150 根,适用于尺寸为 73 mm1 000 mm 的一体刻槽钻杆。履带平台实物如图 14 所示。图 14 履带平台实物图4 地面随钻取心装置模拟实验钻取相似材料制备的类煤实验块来验证取心的可靠性。成套实验系统核心部件主要包括高压水泵、钻机、类煤材料试样块,如图 15 所示。1类煤块固定装置;2类煤材料试样块;3取心钻头集成装置;4钻机;5高压水泵。图 15 取心装置模拟实验系统4.1 高压水泵高压水泵用于提供高压水推出取心筒进行取心,是随钻取心装置动力模块的核心部分。设置水泵的驱动功率为 5.5 kW、排出压力为 16 MPa、泵速为 1 450 r/min 及流量为 18 L/min。高压水泵实物如图 16 所示。图 16 高压水泵实物图4.2 实验钻机的选取本实验所用钻机型号为 ZDY3200S,属于低转速、大转矩的施工钻机,主要用于煤矿井下钻进。钻机各部件间可联动操纵性强、自动化程度高。液压系统采用双泵控制,回转参数和进给参数可分别进行独立调节,实现了无级调速与转速、转矩的大范围调整。钻机结构示意图如图 17 所示,其主要技术参数如表 4 所示。101第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023图 17 钻机结构示意图表 4 钻机基本参数钻机型号转速/(r min-1)转矩/(N m)进给行程/mm电动机功率/kWZDY3200S5017550250600374.3 类煤实验块的制作4.3.1 原煤物理力学参数测定在晋能控股集团寺河矿 3#煤层取得大块原煤,进行钻割、打磨,加工成 50 mm100 mm 的标准圆柱煤样,如图 18 所示。图 18 制备原煤煤样标准测试件通过对3#煤层原煤煤样进行相关力学性质测定,测得该矿原煤的弹性模量为 0.837 51.078 5 GPa、单轴抗压强度为 11.966 4 13.700 8 MPa、泊松比为0.36,抗剪强度为 3.3116.193 MPa。4.3.2 试块抗压力学特性测定依据相似原理配比实验20-21,选用黄砂、水泥、石膏为相似材料成分。黄砂选用普通河砂,用筛子筛选出粒径小于 1 mm 的细砂;水泥选用标号为 325的早强型普通硅酸盐水泥;石膏选用通用石膏粉,起调节相似材料的抗压强度等力学性质的作用。相似材料配比按质量比 1 8 3 实施混合,用水量约为石膏质量的 24%。按上述材料制备试样块,并测定其力学性质,验证配比的合理性。相似材料试块的制作养护是一个繁复的过程,包括配备材料、加水混合搅拌、固定成型及后期养护等多个步骤。对于一般混凝土的养护,混凝土强度随着时间推移而提升,一般需要 28 d 左右其强度才能达到峰值。实际操作时,制备成边长为 150 mm 的立方体块,再用取心钻钻取并加工成 50 mm100 mm 的标准样进行测试,成型试块及测试件如图 19 所示。(a)成型试块(b)测试件图 19 相似材料成型试块及测试件通过对所制备相似材料试样进行相关力学性质测定,测得其弹性模量为 0.834 61.186 2 GPa,单轴抗压强度为 10.943 814.008 5 MPa,抗剪强度为3.1596.569 MPa。对比 3#煤原煤物理力学数据,力学性质相差不超过 5%,证明该材料试块与原煤在钻进方面性能基本相似。4.4 取心完整度与质量测试实验在井上制备 1 m1 m1.25 m 的立方体块,组装好取心装置零部件,并连接配套设施,在地面现场钻取相似材料试样块。模拟取心实验的核心是基于相似材料模拟煤岩体,还原井下现场钻进过程,主要考察指标为取心完整度及取心质量。采用叉车代替类煤块固定装置,一方面可以快速灵活地调节试块位置,另一方面可提供足够的后坐力,防止试块因钻杆钻进而被拖动,确保钻进过程安全高效。实验过程如图 20 所示。(a)相似材料试块(b)取心装置组装(c)取心钻进前(d)取心完成退钻后201Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月(e)暴露取心筒(f)倒出岩心(g)取心后的试样块(h)称取心样质量图 20 井上模拟取心实验过程随钻取心装置可以顺利取出相似材料制成的试样块岩心。在取出的岩心中,最大连续样品长度大于 50 mm,最短长度也不小于 10 mm,岩心完整度较高,并保持与取心筒一致的完整柱状。5 井下随钻取心实验5.1 实验方案以西区北回风二巷掘进端头位置为起始测点,每隔 50 m 布置 1 组钻孔,共布置 10 组;每组钻孔分别在钻孔深度 80、110、150 m 位置进行随钻取心,共计取得 30 组。在与上述煤层赋存条件相同的区域,布置相同数量的测点,相同孔深时随钻取心、常规取心 2 种工艺钻孔编号一致。当孔深为 80 m 时,编号为 1-1、2-1、3-1 直至10-1;当孔深为 110 m 时,编号为 1-2、2-2、3-2 直至 10-2;当孔深为 150 m 时,编号为 1-3、2-3、3-3直至 10-3。5.2 现场实验结果实验步骤:施工顺序为钻进至 80 m 后,取心退钻;沿此钻孔重新进钻,钻进至 110 m 后,取心退钻;沿此钻孔重新进钻,钻进至 150 m 后,取心退钻,该钻孔随钻取心结束。随钻取心、常规取心 2 种工艺钻进时长对比曲线如图 21 所示。(a)80 m 孔深(b)110 m 孔深(c)150 m 孔深图 21 不同取心工艺条件下钻进时长对比曲线从图 21 可以看出,井下孔深 80、110、150 m 随钻取心时,取心时长缩短 1/3 以上。在现场随钻取心实验中,分别对随钻取心与常规取心工艺的瓦斯含量测定结果进行比较。进行对比时遵循 80、110、150 m 不同深度处分别选取 2 组测点的原则,结果显示测点的瓦斯含量误差在 5%以内,如图 22 所示。(a)第一组测点瓦斯含量对比曲线301第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023(b)第二组测点瓦斯含量对比曲线图 22 瓦斯含量对比曲线6 结论1)取心钻具在煤岩中的钻进方式属于切削剪切型,其钻进过程可以被视为轴向前进与绕轴旋转共同作用的结果。2)在不考虑钻头冷却与使用寿命的条件下,煤岩体受力随转速增大而减小;适当增大钻压,一方面可提高煤岩体切削破碎的效率,另一方面钻进波动小,有利于防止钻进跑偏现象的发生,取得设计位置的煤心;15是最优的切削角度。3)定制的中空钻进钻头,将取心套管内嵌于钻杆内,钻进到预定位置后,在高压作用下将内嵌的取心套管推出,边旋转边钻进,实现边钻进边取心,从而优化改造集成取心装置;双通道钻杆内通道材质为不锈钢,外通道材质为合金钢,可为井下随钻取心提供高压水通道,能大幅提高取心效率;设计了一种取心专用履带平台便于岩心存放,降低工人劳动强度。4)对比同等条件取心工艺,随钻取心成套装备效率提高了 2/3,瓦斯含量误差在 5%以内,验证了该装备的可靠性。参考文献(References):1 李树刚,魏宗勇,林海飞,等.煤与瓦斯共采三维大尺度物理模拟实验系统的研制与应用J.煤炭学报,2019,44(1):236-245.2 袁亮.深部采动响应与灾害防控研究进展J.煤炭学报,2021,46(3):716-725.3 李成武,王义林,王其江,等.直接法瓦斯含量测定结果准确性实验研究J.煤炭学报,2020,45(1):189-196.4 程波,乔伟,颜文学,等.煤矿井下煤层瓦斯含量测定方法的研究进展J.矿业安全与环保,2019,46(4):98-103.5 谢和平,高明忠,张茹,等.深部岩石原位“五保”取芯构想与研究进展J.岩石力学与工程学报,2020,39(5):865-876.6 XU M,LI Y Y,CHEN L,et al.Structural design and dynamic simulation optimization of the triggering device in a pressure-holding 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