煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术.pdf

煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术刘贵康1，李聪1，游镇西2，胡云起2，黄伟2，王瑞泽3，徐萌2(1.四川大学 水利水电学院 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学机械工程学院，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)摘要:获取煤岩体原位物理力学参数是煤炭资源开发的首要任务，瓦斯原位参数精准测量是实现煤矿安全开采的基本保障。针对煤矿原位瓦斯参数测不准的技术难题，结合煤矿井下取心的技术特点，创新提出基于磁力控制的多向保压取心技术构想。基于复合磁场特性，自主设计了磁控自触发保压控制器，优化了取心触发及密封结构，关键保压构件实现磁控非接触式自触发及自密封，提升保压触发的容错率。自主研制了多向保压取心性能测试平台，基于该平台验证了保压控制器在不同取心角度的良好触发能力及自密封能力。集成磁控保压模块，形成多向保压取心装备，通过实验室测试验证了该装备可在多个方向实现保压取心，且保压能力可以达到 6 MPa，满足煤矿保压取心条件。研究成果为深部煤矿多向保压取心提供了技术支持，为保压控制结构设计提供了全新思路。关键词：原位瓦斯；多向保压取心；磁力控制；自触发；自密封中图分类号：TB42；TD163；TE91 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)08-0013-08Principleandtechnologyofin-situmagneticallycontrolledmultidirectionalpressure-preservedcoringinthecoalmineLIU Guikang1,LI Cong1,YOU Zhenxi2,HU Yunqi2,HUANG Wei2,WANG Ruize3,XU Meng2(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,College of Water Resource and Hydropower,SichuanUniversity,Chengdu 610065,China;2.School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;3.CCTEG Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China)Abstract:Obtaining the in-situ physical and mechanical parameters of coal-rock mass is the primary task for the devel-opment of deep coal resource.Accurate measurement of the in-situ parameters of gas is the basic guarantee to realize thesafe mining of coal.In view of the technical challenges of inaccurate measurement of in-situ gas parameters in coalmine,the idea of multi-directional pressure-preserved coring technology based on magnetic force control was proposedwith consideration to the technical characteristics of coring in underground coal mines.Specifically,a self-triggeredmagnetically controlled pressure-preserved controller was designed based on the characteristics of the composite mag-netic field.The triggering and sealing structure for coring was optimized.The key pressure-preserved components real-ized the non-contact self-triggering and self-sealing by magnetic force control,thus improving the fault tolerance of thepressure-preserved trigger.Besides,a test platform functioning for multi-directional pressure-preserved coring was de-veloped independently.With the self-developed test platform,it was verified that the pressure-preserved controller had agood triggering and self-sealing ability at different coring angles.In addition,a magnetically controlled pressure-pre-served module was integrated to form a multidirectional pressure-preserved coring device.Moreover,laboratory testswere conducted to verify that the device could realize the pressure-preserved coring in multiple directions,and the pres-sure-preserved capacity could reach 6 MPa,which meets the condition of pressure-preserved coring in coal mines.Theresearch results provide technical support for the multidirectional pressure-preserved coring in deep coal mines and 收稿日期:2022-12-09；修回日期:2023-03-22基金项目:国家自然科学基金项目(51827901)；国家重点研发计划项目(2022YFB3706605)；煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室开放基金项目(2021-CMCU-KFZD001)第一作者:刘贵康，1996 年生，男，甘肃庆阳人，博士，研究方向为深部岩石力学.E-mail：通信作者:李聪，1994 年生，男，山东枣庄人，博士，助理研究员，研究方向为深部岩石力学.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刘贵康，李聪，游镇西，等.煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术J.煤田地质与勘探，2023，51(8)：1320.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0935LIU Guikang，LI Cong，YOU Zhenxi，et al.Principle and technology of in-situ magnetically controlled multidirectional pres-sure-preserved coring in the coal mineJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(8)：1320.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0935provide a new idea for the design of pressure-preserved control structure.Keywords:in-situ gas;multidirectional pressure-preserved coring;magnetic force control;self-triggering;self-sealing 煤是人类赖以生存的主要能源，占据我国能源消耗的主导地位1-4。近些年，浅部煤炭资源逐渐消耗殆尽，深部开采已成为新趋势5-6。然而，随着矿井深度增加，现有理论技术已无法获取准确的深部物质的准确参数，导致原有开采技术及经验适用性降低、开采过程中的工程地质灾害加剧，严重制约了安全生产和开采效率7。因此，获取准确深部煤岩体原位物理力学参数，是深部煤炭安全高效开采的首要任务8。瓦斯精准测量是深部煤矿灾害防治及煤层气开发利用的关键9-13。现有瓦斯测量多采用传统开放式取心方案，其原理是通过直接钻孔获得目标层位煤样，根据煤样中的瓦斯含量预测目标层位的瓦斯参数14-19。然而，这种方式获取的煤样在空气中暴露时间长，瓦斯含量逸散损失严重，导致测得的数据与实际相差甚远20-21。随着取心技术的发展，许多学者相继研发出煤矿密闭保压取心技术，即通过密封煤样的原位应力环境，且保持取心过程中压力稳定，从而获取原位瓦斯含量，极大提高了瓦斯测量的准确性。代表性成果有，焦作煤业(集团)有限责任公司贵宏伟等22设计的球阀式超深钻孔定点密闭取心技术；中国地质科学院勘探技术研究所李小洋等23研发的竖向煤层气翻板式保压取心工具；中煤科工集团西安研究院孙四清24、龙威成25等研制的适用于煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试的球阀式密闭取心装置，并在井下进行了多次密闭取心测试；中国石油华北油田分公司杨立文26、朱庆忠27研制并改进的适用于煤矿的 GWCP19480M 型球阀式煤层气双保压取心装置，在沁水盆地 M97X 井进行了煤层气取心现场试验；中国石油大学(华东)王西贵等28研制的球阀式煤层气保温保压取心装置与技术，现场测试平均保压率达到 80%以上；煤炭科学研究总院卢宗玮等29设计的基于剪切式错位阀的DMQ-73 型双筒密闭取心装置等。谢和平团队30-31提出了一种基于牟合方盖保压原理的深部煤矿原位保压取心原理与技术，并完成了煤矿井下保压取心。该技术主要应用场景为地面及井下的竖向保压取心。在煤矿井下，竖向取心排渣困难，作业难度大；而水平取心工程量小，更有利于原位数据获取，故煤矿更期望实现水平或倾斜保压取心。基于此，笔者提出煤矿原位多向保压取心技术，以期实现井下任意角度保压取心，将煤矿保压取心技术推广至更多应用场景。1深部煤矿原位多向保压取心原理及设计深部煤矿原位多向保压取心技术的难点在于取心后的保压密封。故此，提出磁控多向保压控制技术，利用磁力控制保压取心器关键保压构件实现自触发及自密封。1.1取心原理保压控制器是实现深部煤矿多向保压取心的关键保压构件。当竖向取心时，保压控制器通过重力实现触发，且利用密封弹簧筒实现初始密封，如图 1 所示。外钻阀座阀盖岩心筒密封弹簧筒中心杆(a)原位煤样钻取(b)取样结束，岩心筒解除阀盖限位，阀盖利用重力实现触发(c)岩心筒解锁密封弹簧筒，阀盖在弹力作用下形成初始密封煤样煤样煤样密封弹簧保压舱弹力图 1 保压取心器工作原理Fig.1 Working principle of corer 然而，在水平或者倾斜取心时，重力阻碍阀盖触发，使其难以闭合，最终导致保压失效。针对该问题，提出基于磁力的非接触式自触发及自密封技术方案，如图 2所示。该方案简化了保压结构，去除了取心器内部原 14 煤田地质与勘探第 51 卷有的密封弹簧筒及密封弹簧，采用磁力实现非接触自触发与自密封，增强了动作配合之间的容错率。原理设计如图 3 所示。其中，密封永磁体 1 与触发永磁体之间形成相斥磁场，与密封永磁体 2 之间形成相吸磁场。阀盖解除限位时，磁斥力克服阀盖自身重力，实现自触发；阀盖触发闭合时，磁吸引力将密封面之间的密封圈压紧，形成初始自密封。整个保压过程中，自密封力应始终大于阀盖自身的重力。外钻阀盖阀座中心杆保压舱磁斥力磁吸力(a)原位煤样钻取(b)取样结束，岩心筒解除阀盖限位，阀盖利用磁斥力实现自触发(c)阀盖闭合后，磁吸力实现初始自密封煤样煤样煤样图 2 磁控自触发多向保压取心技术Fig.2 Magnetically controlled self-triggering multidirectional pressure-preserved coring technology 阀座阀盖触发永磁体密封永磁体1密封永磁体2图 3 磁控自触发保压控制器原理Fig.3 Principle of magnetically controlled self-triggering pressure-preserved controller 1.2磁控自触发保压控制器创新设计 1.2.1 保压控制器及外筒设计基于牟合方盖原理32，设计磁控自触发保压控制器为 30构型。结合加工可行性，设计该结构由阀盖、阀座、连接栓、销钉及密封永磁体组成，如图 4 所示。其中，阀座外径为 79 mm，内径为 55 mm，可通过岩心筒直径为 54 mm，可获得保压岩心直径为 50 mm。在阀盖表面及阀座内径面设计瓦形凹槽，同时将密封永磁体加工为相匹配的瓦形。基于阀座的承压性，设计其内径空间的三分之一为承压柱。阀盖与阀座之间的连接方式设计为稳定性更强的销连接。1.2.2 保压模块设计设计触发永磁体置于取心器外筒，与密封永磁体 1在径向平行，径向重合，如图 5 所示。其中，取心筒内径为 80 mm，外径为 96 mm，触发永磁体所需径向空间为 2.5 mm，故取心器外筒最薄处为 5.5 mm。磁控自触发保压控制器与外筒共同组成单独的磁控自触发模块，可获取保压岩心长度为 350 mm，可集成于不同的保压取心技术中。密封永磁体2阀座阀盖密封永磁体1 触发永磁体取心器外筒图 5 磁控自触发保压模块Fig.5 Magnetically controlled self-triggered pressure-preservedmodule 1.2.3 磁路设计瓦形永磁体的磁场方向共有 3 种，分别为径向、轴向以及环向充磁33-34，如图 6 所示。根据磁控自触发的相斥原理，选择触发永磁体与密封永磁体 1 的磁场方向为径向，且两者的充磁方向 密封永磁体2密封永磁体1阀盖阀座承压柱连接栓图 4 磁控自触发保压控制器设计Fig.4 Design of magnetic control self-triggering pressure-preserved controller第 8 期刘贵康等：煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术 15 相反。永磁体垂直于磁场方向的面积越大，磁感线越多34，产生磁力越大，故选择密封永磁体 2 的磁场方向亦为径向，且与密封永磁体 1 的充磁方向相反。此外，为了确保足够的磁场力，选择工业领域内常用的高剩磁 N52 钕铁硼稀土永磁材料35加工上述永磁体。1.3多向磁控自触发保压控制器性能分析国内外传统翻板式保压取心技术皆为竖向取心，阀盖自身重力或扭簧力作为触发动力，且依靠外部机械结构(密封弹簧筒等)实现密封保压。此过程中，存在两个弊端：(1)钻井液浓度较大时，阀盖触发受阻，响应时间增加，外部机械结构到位时阀盖并未完全触发，导致初始密封失效；(2)外部机械结构在钻井液中短暂失效，无法及时密封，导致压力损失。磁控自触发保压控制器优化了阀盖的触发方式，采用磁力替代重力或扭簧力，克服重力场影响，实现多向触发。此外，优化了传统翻板式保压控制器的密封形式，消除了外部密封结构，采用磁力实现非接触式初始自密封。相比于传统保压取心技术，该方案在可以实现多向取心的同时，使得保压取心结构更简易，设备容错率更高，保压成功率更大。2磁触发多向保压取心关键技术多向取心的主要难点是保压控制器不同方向的自触发及自密封。故此，自主研制测试平台，验证保压控制器在不同角度的稳定性。2.1磁控自触发多向保压取心测试平台目前国内外对于翻板式保压控制器的多角度取心技术鲜有研究，更无相关测试仪器可以使用。基于测试的紧迫性，团队自主研发了磁控自触发保压控制器性能测试平台，用于验证保压控制器在不同角度取心时的自触发及自密封性能，如图 7 所示。该平台可以模拟多角度取心，同时自带加压装置，可以提供取心结束后的初始密封压力测试。2.2保压控制器多向自触发验证煤矿井下常见的取心角度包括竖直向下、水平、倾斜向上以及竖直向上等。而在竖直向上取心时，磁力必须完全克服阀盖自身重力(2.813 N)并驱动其实现旋转，故只需验证竖直向上取心时保压控制器的触发稳定性，即可验证多向取心的可行性。测试结果如图 8 所示，触发永磁体给予阀盖的初始斥力为 40.6 N，磁控自触发保压控制器成功实现了竖直向上工况下的稳定触发，证明了其自触发性能良好。(a)初始状态(b)实现自触发图 8 磁控自触发保压控制器竖直向上触发Fig.8 The magnetically controlled self-triggered pressure-preserved controller realizes vertical upward triggering 2.3保压控制器多向自密封验证保压取心器的保压性能取决于保压舱内外压差及保压控制器自身牟合结构。取心结束后，保压舱与阀盖底部形成压差；随着取心器退出原位工作面，保压控制器的牟合结构使密封面逐步压紧，实现保压。产生压差过程，需保证压控制器不发生泄漏。故此，保压控制器初始密封性能是决定保压能力的主要因素之一。初始密封的可持续时间应大于取心器从原位工作面返回取心现场的时间，该时间一般在 30 min 以内。此外，初始密封性能需保证任意压力环境下不发生泄漏，故实验室安全气压范围(0.6 MPa)即可检测其密封性能。综上，当保压控制器触发闭合后，在磁力作用下可实现 SNSNNS(a)径向(b)轴向(c)环向图 6 瓦形永磁铁充磁方向Fig.6 The magnetization direction of tile permanent magnet 图 7 磁控自触发保压控制器性能测试平台Fig.7 Magnetically controlled self-triggered pressure-preservedcontroller performance test platform 16 煤田地质与勘探第 51 卷规定时间气体密封，认为其初始密封性能良好。保压控制器的初始自密封监测系统如图 9 所示，将保压控制器置于耐压的透明保压舱内，在保压舱外部增加触发永磁体，保压舱上端可与中心杆之间通过油性密封圈实现密封。系统自带气压密封检测机构，可在实验室安全气压范围内实现密封检测。该系统可以监测保压控制器在任意方向上的自密封性能。保压控制器保压舱岩心筒充压管泄压管图 9 保压控制器初始自密封监测系统Fig.9 Initial self-sealing monitoring system of pressure-preserved controller 将保压控制器置于保压舱中，实现触发动作。此时，阀盖初始密封力为 12.3 N，远远高于自身重力，认为可实现初始密封。通过图 9 中的蓝色充压管向保压舱内注入气压，待压力达到预设值后自动切断气源，通过传感器监测保压舱内压力是否变化。为了验证试验的准确性，设置 0.2、0.3、0.4 以及 0.5 MPa 这 4 个压力梯度作为试验对照组，每组观察 30 min，每 2 h 为一个密封循环试验，进行纵向整体评估。气压监测曲线如图 10 所示，保压控制器在每个压力梯度下均未发生泄漏，密封总时长 2 h，证明其具有良好的自密封性能。时间/min13001050901200.10.20.30.40.530 min气压/MPa20403060 70 80100 11030 min30 min30 min图 10 保压控制器初始密封监测曲线Fig.10 The initial sealing performance monitoring curve of thepressure-preserved controller 3磁控自触发多向保压取心装备测试磁控自触发多向保压取心器主要由磁控自触发模块、压力储存模块、防扰动模块以及打捞模块组成，如图 11 所示。其主要调试功能包括取心动作测试以及保压能力测试。磁控自触发模块压力储存模块防扰动模块打捞模块图 11 磁控自触发保压取心器Fig.11 Magnetically controlled multidirectional pressure-preserved controller 3.1动作触发测试将取心器水平固定，通过触发打捞模块，使其移动，待内部无响应时，证明完成取心动作。测量打捞模块移动距离，同时观测保压控制器是否完成触发。当打捞模块移动距离达到 35 mm，且阀盖完全闭合时，说明动作触发测试成功，如图 12 所示。本试验共进行了45 次测试，保压控制器皆完成自触发。(a)磁控自触发保压取心器(b)初始状态(c)阀盖触发闭合图 12 取心器动作测试成功Fig.12 The action test of the corer was successfully completed 3.2保压能力测试保压取心器完成动作触发后，将其连接在高压泵上进行保压能力测试。我国现有矿井瓦斯压力一般不超过 2 MPa，突出矿井瓦斯压力在 45 MPa36-40，故设计该取心器耐压强度为 6 MPa。取心器耐压曲线如图 13 所示。共分为 3 个阶段，第一阶段升压至 2 MPa，静置 1 800 s，测试合格后再将其升压至 4 MPa，此后按照上述步骤执行，最终升压至 6 MPa，发现取心器的保压性能良好，验证了该取心器可以满足深部煤矿保压需求。3.3技术可行性评价本文针对煤矿、页岩气等实际工程应用中存在的保压取心技术需求，创新提出磁控自触发多向保压取心技术。该技术解决了传统重力翻板式保压取心器无第 8 期刘贵康等：煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术 17 法实现多向保压取心的技术难题，使其应用领域更为广泛。创新设计了基于复合磁场原理的磁控自触发方案，研制了新型多向取心保压控制器。通过实验室测试，验证了方案的技术可行性。集成于保压取心器，实现了多向保压取心。本研究成果已具备工业应用的基本条件，后续研究将重点开展现场测试与改进，完成该技术在煤矿中的成功应用。4结论a.针对翻板式保压控制器只能竖向取心的技术难题，提出磁控自触发多向保压取心技术，突破了现有保压取心过程中对于多向取心的技术瓶颈，扩展了保压取心技术的应用场景。b.基于保压取心器结构，创新设计了利用磁力实现自触发与自密封的新型保压结构。通过自主搭建的磁控自触发多向保压取心测试平台，验证保压控制器可实现不同角度自触发及初始自密封。c.开展了磁控自触发多向保压取心器实验室测试，验证了取心装备的保压触发动作及整体耐压能力测试，实现了 6 MPa 压力作用下的稳定保压。初步验证了该取心装备具有良好工作性能，下一步将应用于煤矿瓦斯原位保压取心。参考文献(References)谢和平，鞠杨，高明忠，等.煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系J.煤炭学报，2018，43(5)：12101219.XIE Heping，JU Yang，GAO Mingzhong，et al.Theories andtechnologies for insitu fluidized mining of deep undergroundcoal resourcesJ.Journal of China Coal Society，2018，43(5)：12101219.1 高明忠，刘军军，林文明，等.特厚煤层超前采动原位应力演化规律研究J.煤炭科学技术，2020，48(2)：2835.GAO Mingzhong，LIU Junjun，LIN Wenming，et al.Study oninsitu stress evolution law of ultrathick coal seam in 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