煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法与流程

本发明涉及煤矿安全和煤田地质与勘探的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法。

背景技术：

高瓦斯、瓦斯突出矿井煤炭产量占我国煤炭产量30％，煤与瓦斯突出事故时有发生，对矿井安全生产造成很大威胁。通过工程施工对瓦斯进行抽采利用之前，需要采取煤样进行瓦斯含量测试，为瓦斯抽采工程合理设计提供指导；同时，瓦斯抽采治理结束后，还需要进行瓦斯残余含量测试，以检验瓦斯抽采效果是否满足相关规范要求。

目前煤矿井下煤样采取方法主要有钻屑取样法、套管取芯法、绳索取芯法、压风取芯法和密闭取芯法等，在操作中存在以下问题和不足：①取样深度较浅，最深仅为80m，无法满足超前区域瓦斯参数测定和评价需要；②取样精度低，无法控制和测量实际取样点的具体空间位置和与设计取样点的偏差；③取样过程中瓦斯快速释放，取样结果失真明显；④一个钻孔只能完成一个取样点取样，工程量大且浪费。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法，其能解决现有技术中取样深度浅、精度低、结果易失真、单孔单次取样等缺陷。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法，包括以下步骤：

步骤一：取样定向孔的轨迹设置，通过取样区域的探查，确定所需的取样定向孔，所述取样定向孔沿煤层起伏延伸，呈近水平布置，所述取样定向孔由套管孔段、定向孔段和取样孔段组成，所述套管孔段靠近孔口，所述套管孔段后以定向孔段和取样孔段依次交替设置，所述套管孔段深度≥9m，而定向孔段直径≥120mm，取样孔段长度为1.2～1.5m；

步骤二：取样定向孔的套管孔段施工，采用逐级回转扩孔技术施工，并下入套管封孔后连接好孔口装置；

步骤三：取样定向孔的定向孔段施工，钻孔实钻轨迹与设计轨迹偏差控制在0.5m以内，钻进至设计取样点后开启泥浆泵采用大泵量冲孔半小时，并快速提出孔内钻具；

步骤四：取样定向孔的取样孔段施工，并进行煤样保压密闭采取；

步骤五：气密性测试，若检测合格，取样成功，若检测不合格，重复步骤四再次取样；

步骤六：单孔多次保压定点密闭取样，重复步骤三至步骤五，对多个取样点的煤样进行保压密闭采取。

其中：在步骤一中还包含如下子步骤：

步骤1.1：取样点参数平面设计，根据矿井工程设计或评估需要，确定取样点平面坐标参数；

步骤1.2：探查定向孔施工，在取样区域内施工探查定向孔，查明取样区域内煤层起伏变化规律；

步骤1.3：取样点参数剖面设计，根据探查定向孔查明的煤层起伏变化规律，确定取样点剖面坐标参数；

步骤1.4：取样定向孔设计，根据探查定向孔查明的煤层起伏变化规律和取样点平面和剖面参数，设计取样定向孔轨迹，确保取样定向孔在煤层内延伸，并依次将多个取样点连接起来。

其中：在步骤四中还包含如下子步骤：

步骤4.1：将检测合格的保压密闭取样钻具下放，至孔底后，开启泥浆泵通过取样钻杆向钻孔供水至从孔口返出，确保煤样筒内无残渣；

步骤4.2：取样孔段钻进，钻进时泥浆泵排量≤100L/min，钻具回转速度为50～80r/min，钻进速度为0.2～0.3m/min；

步骤4.3：煤样封闭，封闭过程中泥浆泵排量≥200L/min；

步骤4.4：煤样取出。

其中：定向孔段的钻孔倾角和方位角造斜率≤0.3°/m，沿煤层起伏延伸。

其中：所述保压密闭取样钻具由环状钻头、保压密闭取样装置、变丝接手、取样钻杆和旋转送水器依次连接组成；其中环状钻头内径≤35mm，外径≤108mm；保压密闭取样装置内设置有取样筒，取样筒内径比环状钻头内径大3～5mm，变丝接手和取样钻杆内部中空，内径≥20mm。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法具有如下效果：

1、提高了煤矿井下煤样的采取深度，可达到600m以上，满足超前区域瓦斯参数测定和评价需要；

2、通过定向孔随钻实时轨迹测控，确保实际取样点与设计取样点的偏差≤0.5m，取样精度高，确保检测结果的真实性；

3、取样时可进行煤样保压密闭，减少了瓦斯释放，确保检测结果的准确性，为矿井工程设计与评估提供准确的参考依据；

4、一个钻孔可实现多点多次取样，减少了工程量，节约取样成本。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法的示意图。

图2显示了本发明的取样定向孔示意图；

图3显示了本发明保压取样钻具的示意图。

附图标记：

套管孔段1、定向孔段2、取样孔段3、环状钻头4、保压密闭取样装置5、煤样筒6、变丝接手7、取样钻杆8、旋转送水器9。

具体实施方式

参见图1至图3，显示了本发明的煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法。

如图1所示，所述煤矿井下近水平长距离煤样保压定点密闭采取方法可包括以下步骤：

步骤一：取样定向孔的轨迹设置，通过取样区域的探查，确定所需的取样定向孔，其中如图2所示，所述取样定向孔沿煤层起伏延伸，呈近水平布置，优选的避免分支孔，所述取样定向孔可由套管孔段1、定向孔段2和取样孔段3组成，其中，所述套管孔段1靠近孔口附近，所述套管孔段1后为定向孔段2，所述定向孔段2后为取样孔段3，后续以定向孔段2和取样孔段3依次交替设置，其中，在具体设置中，所述套管孔段1深度≥9m，而定向孔段2直径≥120mm，取样孔段3长度为1.2～1.5m，而定向孔段2的钻孔倾角和方位角造斜率应≤0.3°/m，通过该些具体数值设置，不仅能实现沿煤层较好的起伏延伸，还能确保取样的合理性和准确性。

在该步骤一中还包含如下子步骤：

步骤1.1：取样点参数平面设计，根据矿井工程设计或评估需要，确定取样点平面坐标参数(即东坐标、北坐标)。

步骤1.2：探查定向孔施工，在取样区域内施工探查定向孔，钻进过程中，每隔60～100m施工上向分支孔探查煤层与顶板界线，直至达到设计深度；将每次探查得到的煤层与顶板交界点采用折线依次连接，即可得到煤层与顶板界线，每段折线的角度值即为不同区域煤层倾角，从而查明取样区域内煤层起伏变化规律。

步骤1.3：取样点参数剖面设计，根据探查定向孔查明的煤层起伏变化规律，确定取样点剖面坐标参数，即高程。

步骤1.4：取样定向孔设计，根据探查定向孔查明的煤层起伏变化规律和取样点平面和剖面参数，设计取样定向孔轨迹，确保取样定向孔在煤层内延伸，并依次将多个取样点连接起来。

步骤二：取样定向孔的套管孔段1施工，所述套管孔段1可采用逐级回转扩孔技术施工，并下入套管封孔后连接好孔口装置，所述套管的内径≥135mm。

步骤三：取样定向孔的定向孔段2施工，向钻孔内下入随钻测量定向钻具，采用复合定向钻进技术施工，施工过程中，采用矿用随钻测量装置每隔3m测量一次钻孔实钻轨迹，当实钻轨迹与设计轨迹偏差大于允许值时，进行纠斜钻进，从而将钻孔实钻轨迹与设计轨迹偏差控制在0.5m以内，钻进至设计取样点后开启泥浆泵采用大泵量冲孔半小时，然后快速提钻退出随钻测量定向钻具。

步骤四：取样定向孔的取样孔段施工，通过保压密闭取样钻具进行煤样保压密闭采取，可包括以下分步骤：

步骤4.1：保压密闭取样钻具下放，可检测煤样筒6保压密闭性能，合格后将保压密闭取样钻具下入钻孔；下放过程中，若阻力较大，应开启泥浆泵进行回转扫孔，直至钻具到达孔底；开启泥浆泵通过取样钻杆8向钻孔供水至从孔口返出，确保煤样筒6内无煤渣后，记录下冲孔泵压。

步骤4.2：取样孔段3钻进。将保压密闭取样钻具的环状钻头4推送至贴靠孔底，并将泥浆泵排量调减至≤100L/min，启动钻机以50～80r/min的速度回转钻具，以0.2～0.3m/min的速度向前钻进，钻进深度达到1.2～1.5m后，停止钻进，关闭泥浆泵。

步骤4.3：煤样封闭。卸除旋转送水器9，向取样钻杆8内环空间内放入一个橡胶球，所述的橡胶球直径大于16mm，且小于24mm和取样钻杆8内径的最小值，然后装上旋转送水器9，并开启泥浆泵，将泥浆泵排量调增至≥200L/min向取样钻杆8供水，推动橡胶球向孔底运动；当橡胶球进入保压密闭取样装置5并堵塞住水流通道时，泥浆泵泵压突然增加2～4MPa，煤样被剪断且被密封在煤样筒6内。详细记录保压密闭取样钻具下放时间、取样孔段3钻进时间和煤样封闭时间。

步骤4.4：煤样取出。关闭泥浆泵，快速提钻，退出保压密闭取样钻具，拆下保压密闭取样装置5后，取出煤样筒6。

步骤五：气密性测试，对取出的煤样筒6进行气密性测试，若检测合格，取样成功；若检测不合格，重复步骤四再次取样。

步骤六：单孔多次定点密闭取样。重复步骤三至步骤五，对多个取样点的煤样进行保压密闭采取。

所述泥浆泵额定泵压≥10MPa，泵量可调节。

参见图3，保压密闭取样钻具由环状钻头4、保压密闭取样装置5、变丝接手7、取样钻杆8和旋转送水器9依次连接组成；其中环状钻头4内径≤35mm，外径≤108mm；保压密闭取样装置5内设置有取样筒6，取样筒6内径比环状钻头4内径大3～5mm，具备保压密闭功能，取样钻进时取样筒不回转；变丝接手7和取样钻杆8内部中空，内径≥20mm。

通过上述内容可知，本发明的煤矿井下近水平长距离煤样定点保压密闭采取方法先利用近水平本煤层探查定向孔查明取样区域内煤层起伏变化规律，完成取样点和取样定向孔设计；然后分段进行定向钻进确保定向孔沿设计轨迹钻进至取样点，再利用保压密闭取样钻具进行取样钻进和煤样保压采取，直至完成所有取样点煤样采取。该方法充分利用了定向孔钻孔轨迹实时测控和长距离钻进优点及保压密闭取样装置耐压密封特性，既提高了井下近水平煤样的采取深度，又可精确控制采样精度，实现单孔多次定点取样，更能对采取的煤样进行保压密闭，避免瓦斯气体逸散，确保煤层瓦斯参数测试的准确性，为矿井工程设计与评估提供准确的参考依据。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。