R&D and experimental research of pressure-preserved triggering device for horizontal pressure-preserved coring in coal mines
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摘要:
瓦斯含量是煤矿安全开采和煤层气资源开发利用的重要评价指标，而保压取心技术是提高煤层瓦斯含量精确测定的有效途径。针对煤矿水平保压取心特殊工况，基于煤矿原位保压保瓦斯取心原理与技术，为提高保压煤样的采取率，研制了保压触发装置，系统设计了装置的密封保压单元、液压驱动模块和捞矛头与水平打捞器连接−脱卡机构等关键部件。搭建了保压触发装置工作性能地面试验系统，对装置性能进行试验研究。结果表明：在保压控制器阀盖5个典型的翻转方向工况下，保压触发装置的各功能模块均稳定运行，保压控制器均完成了翻转闭合；同时，钢丝绳顺利从取心钻杆内取出，有效防止取心器从孔底提至孔口过程中钢丝绳缠绕，避免引起设备故障。采用电动试压泵对已完成工作性能试验的取心器保压舱进行打压测试，结果表明：在最高压力为4.1 MPa条件下，压力表读数稳定，取心器保压舱内带压流体不发生泄漏，表明保压触发装置可触发取心器的密封保压功能。最后，在煤矿井下实际条件下对装置性能进行试验，结果表明：保压触发装置可在煤层实际工况下稳定实现取心器的密封保压功能，煤样采取率高达90%。保压触发装置的研发可促进煤矿水平保压取心技术的发展，对煤层瓦斯含量的精准测定具有重要意义。
Abstract:Gas content is an important evaluation index of safe coal mining, as well as the exploitation and utilization of coalbed methane resources. Pressure-preserved coring is an effective way to improve the measurement accuracy of gas content in coal seams. Aiming at the special operating conditions of horizontal pressure-preserved coring in coal mines and based on the principle and technology of pressure- and gas-preserved coring in coal mines, this study developed a pressure-preserved triggering device and systematically designed the key components of the device, such as the sealing and pressure-preserved unit, the hydraulic drive module, and the salvager-unstuck mechanism between the spearhead and horizontal fisher. The purpose is to improve the recovery rate of pressure-preserved core samples. Furthermore, this study developed the ground test system for the performance of the pressure-preserved triggering device and conducted experimental research on the technological performance of the device using this system. As shown by the results, various function modules of the device operated stably, and the pressure-preserved controller successively turned over in five typical directions of the controller’s valve cover. Meanwhile, the wire rope was successively taken from the coring drill rod, effectively avoiding equipment failures caused by the winding of the wire rope when the corer was lifted from the borehole bottom to the borehole head. After the performance test, the pressure chamber of the corer was tested using an electric pressure test pump. The test results show that under the maximum pressure of 4.1 MPa, the pressure gauge readings remained stable, and the pressure fluids inside the pressure chamber did not leak, further indicating that the device can trigger the sealing and pressure-preserved functions of the corer. Finally, this study carried out an industrial test of the device under practical operating conditions of a coal mine. The results also show that the pressure-preserved triggering device can achieve the sealing and pressure-preserved functions of the corer stably under the actual working conditions of coal seams, with a coal sample recovery rate of up to 90%. The results of this study can promote the development of horizontal pressure coring technology for coal mines and are of great significance for the accurate determination of gas content in the coal seam.
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随着煤矿浅部资源逐渐耗竭，向深部获取资源是人类不断发展而对能源需求的必然趋势[1-5]。瓦斯含量是表征煤储层特征的关键参数[5-8]，是煤矿安全开采和煤层气资源开发利用的重要评价指标。保压取心技术的应用可提高煤层瓦斯含量的测试精度，从而有效指导煤层气资源开发与煤矿安全开采[9-13]。
针对煤矿密闭保压取心技术，一些学者做了相应的研究。贵宏伟等[14]研制了基于球阀密封的深孔定点密闭取样装置，可获得相对完整的煤心，但受球阀内径尺寸限制，取样直径小于24 mm。秦玉金[15]在总结我国地勘瓦斯含量测定方法应用效果的基础上，指出瓦斯含量测定值偏低是由于煤样获取过程中瓦斯损失量使用的补偿方法不合理，建议推广使用保压取心技术以提高瓦斯含量测定精度。陈邵杰等[16]提出了一种反转密封取样技术，研制了正转取样、反转密封煤样的取样装置。景兴鹏[17]研制了基于煤层钻孔直接机械密封取心的瓦斯含量测试系统，采用球阀实现孔内密闭取心，装置在4 MPa压力下具有较好的密闭性。齐黎明[18]提出了卸压密闭煤层瓦斯含量测定技术，采用密闭液包裹煤心，并依靠负压作用来减少瓦斯损失量。龙威成、孙四清等[19-22]针对地面井常规取心方法的不足，提出了适用于碎软煤层的密闭取心技术，研制了密闭保压能力达10 MPa、取心直径为38 mm的“三筒单动、球阀关闭、取心筒与解吸罐一体化”的密闭取心器。
这些研究在煤矿保压取心方面取得了丰富成果，而现有的煤矿保压取心技术普遍采用以球阀为主的提钻取心作业方式[5]，煤样采取率相对较低。针对煤矿水平保压取心特殊工况，为了提高保压煤样采取率。基于研究团队提出的深部煤矿原位保压保瓦斯取心原理与技术[5]，研制了保压触发装置，阐述装置的工作原理，系统设计了装置的各关键部件。采用保压触发装置工作性能试验系统对保压触发装置进行试验，利用电动试压泵对已完成工作性能试验的取心器保压舱开展打压试验，并开展煤矿井下实际条件下的取心试验，以验证保压触发装置功能的可靠性。
1 煤矿井下水平保压取心保压触发装置工作原理
研究团队基于牟合方盖几何原理的保压控制器，构建了取心直径为50 mm，保压控制器密闭压力高达100.9 MPa的煤矿井下水平保压保瓦斯取心系统[5]。该系统的取心工艺流程如下：
(1) 使用开孔钻头和常规钻杆将煤层水平钻孔开至目标取心层位后退钻。
(2) 利用取心钻杆将取心器送至孔底，取心钻杆与取心器之间采用转换接头进行连接。
(3) 在取心钻杆末端(取心钻杆连接取心器端为前端、在孔口端为末端)连接水龙头，启动液压泵向取心钻杆内通入钻井液，并启动钻机的动力头向取心钻杆施加钻压和转速，传递至取心钻头，从而开始钻取煤样。
(4) 在煤心充满煤心筒后，停止循环钻井液，提钻拉断煤心。
(5) 采用保压触发装置实现取心器的保压功能。
(6) 拆卸取心钻杆，将取心器提至孔口并装箱，并运至地面开展测试工作。
为了提高保压煤样的采取率，针对取心工艺流程步骤(5)，构建了煤矿井下水平保压取心保压触发装置的整体结构，主要包含密封保压单元、液压驱动模块和捞矛头与水平打捞器连接−脱卡机构3大组成部分，如图1所示。该装置的工作原理为：(1) 当煤心充满煤心筒后，停止钻进。(2) 将已连接钢丝绳的水平打捞器送入取心钻杆内部，并依靠送绳器完成取心钻杆末端的密封。利用液压管道实现送绳器的液压接口与液压泵连接，进一步通过液压泵向取心钻杆内部注入带压钻井液，驱动液压活塞在取心钻杆内运动，从而将水平打捞器从孔口送至孔底，实现水平打捞器与捞矛头的连接。(3) 通过控制液压绞车实现对钢丝绳拉力与提拉速度的稳定控制，为密封保压单元中保压控制器阀盖的翻转闭合提供稳定的触发力与触发行程，使保压控制器阀盖与阀座的密封面完成配合，并依靠弹簧提供初始密封力，完成取心器保压功能。(4) 取心器从孔底提至孔口过程中，取心钻杆内的钢丝绳会发生缠绕从而引起系统故障，因此需要进一步增大液压绞车对钢丝绳的拉力，使捞矛头与水平打捞器连接−脱卡机构完成解锁，并把钢丝绳从取心钻杆内部取出。(5) 取心器提出钻孔并运至地面，进一步开展瓦斯含量测试工作。
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图 1 煤矿井下水平保压取心保压触发装置Figure 1. Pressure-preserved triggering device for horizontal pressure-preserved coring in coal mines2 保压触发装置关键部件设计
2.1 密封保压单元
密封保压单元主要由保压控制器、圆柱螺旋压缩弹簧和弹簧安装座组成，如图1所示。其中，基于牟合方盖几何原理的保压控制器由阀盖、阀座、弹片和储能超弹性部件四部分组成，如图2所示。在煤矿井下水平保压取心过程中，为使保压控制器阀盖稳定翻转闭合以实现取心器的保压功能，设计了弹片+储能超弹性部件的复合翻转机构。其中，阀盖与阀座之间采用弹片进行连接，在阀座上开设连接槽，弹片一端插入连接槽中，并采用销轴进行连接；在阀盖上开设燕尾槽，实现弹片与阀盖之间相对位置的固定。弹片采用弧形结构，依靠取心器的管壁压缩弹片，完成弹力储备。取心过程中，利用钢丝绳拉动中心杆组件运动使弹簧安装座压缩弹簧，解除弹簧安装座对阀盖内圆表面的限位，弹片所储备的弹力释放，弹片恢复弧形形状，阀盖产生翻转动作。为进一步使阀盖稳定翻转闭合，创新设计了储能超弹性部件，其一端连接在阀盖顶部、另一端固定在阀座上，该部件将为阀盖提供更大的翻转力，使保压控制器稳定闭合。
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图 2 保压控制器组成Figure 2. Pressure-preserved controller based on the geometric principle of Steinmetz solid弹簧与弹簧安装座配合实现保压控制器的初始密封，如图3所示。弹簧安装座向右运动，对弹簧进行压缩，至目标行程后，其会在最大弹簧力的作用下发生回弹，压在已完成闭合的保压控制器阀盖上，为保压控制器提供初始密封力，有效避免了取心器从孔底运至孔口过程中的密封失效问题。
按照机械设计手册[23]设计选型，用以提供初始密封力的弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧，材料为X10CrNi18-8，如图4所示。弹簧的相关设计参数计算如下：
$$ d \geqslant \sqrt {\frac{{PKC}}{\tau }} $$ (1) 式中：d为材料直径，mm：
$\tau $ 为许用切应力，MPa；P为最大工作载荷，N；C为弹簧中径与材料内径的比值，即C=D/d，其中，D为弹簧中径，mm；K为与C相关的参数，其表达式如下：$$ K = \frac{{4C - 1}}{{4C - 4}} + \frac{{0.615}}{C} $$ 有效圈数
$n$ 为：$$ n = \frac{{G{d^4}F}}{{8P{D^3}}} = \frac{{GDF}}{{8P{C^4}}} $$ (2) 式中：G为常温下的切变模量；F为最大工作载荷与弹簧刚度的比值，
$F = \dfrac{P}{{{P{'}}}}$ ，其中，${P{'}}$ 为弹簧刚度，N/mm。可按下式进行计算：$$ {P{'}} = \frac{{G{d^4}}}{{8{D^3}n}} = \frac{{GD}}{{8{C^4}n}} $$ (3) 节距t为：
$$ t = \frac{{{H_0} - md}}{n} $$ (4) 式中：H0为弹簧的自由高度，mm；m为d的倍数，取值1~2。
根据取心器结构，弹簧中径
$D = 65$ mm。根据材料性质及式(1)—式(4)计算得到弹簧的节距t=24 mm，材料直径d=4 mm，有效圈数n=12.5圈，总圈数nt=n+2=14.5圈。按功能需求，弹簧最大压缩量为120 mm，弹簧回弹后，压缩量为40 mm，因此，按机械设计手册[23]选型得到弹簧的自由高度H0=340 mm。2.2 液压驱动模块
液压驱动模块由液压活塞与送绳器两部分组成，通过液压泵向取心钻杆内注入带压钻井液过程中，送绳器和液压活塞之间形成一个密闭空间，完成液压力的密封，确保有足够的液压动力推动水平打捞器在取心钻杆内运动，最后形成一定的冲击力从而实现水平打捞器下端连接组件与捞矛头的对接。
液压活塞与水平打捞器的主体结构为固定连接，如图5所示。煤矿井下水平保压取心工况下，为实现取心器保压功能的触发力和触发行程的稳定控制，需要通过液压力推动水平打捞器在取心钻杆内部运动，进而完成与捞矛头的连接。因此，取心钻杆内圆表面需具备良好的同轴度和圆度，且表面光滑，从而与水平打捞器上的液压活塞之间形成良好的密封面。
送绳器结构如图6所示，主要由送绳器的主体结构、液压接头、防转构件和内部直线往复运动密封组件组成。送绳器的转接口与取心钻杆末端连接，钢丝绳从送绳器内部穿过。水平打捞器在液压力作用下带动钢丝绳在取心钻杆内做直线运动时，通过直线往复运动密封组件实现钢丝绳与送绳器之间的密封，确保充足的液压动力推动水平打捞器。防转机构的设置可消除钢丝绳在运动过程中产生的扭矩。
2.3 捞矛头与水平打捞器连接−脱卡机构
捞矛头与取心器的中心杆组件进行固定连接，捞矛头上端为圆锥形导入结构，水平打捞器的下端连接组件设置了相应的导入斜面与之配合，使捞矛头的圆锥面可顺利通过弹卡下端部。同时，水平打捞器下端与捞矛头的连接处设置了双弹卡机构，在弹卡的弹簧力作用下，捞矛头与水平打捞器之间完成连接。
水平打捞器的上部为脱卡机构，在实现取心器的保压功能后，继续增大钢丝绳拉力，使脱卡机构解锁，从而钢丝绳与水平打捞器主体结构完成脱离，避免后续提钻过程中钢丝绳发生缠绕而引起设备故障。脱卡机构由上部接头、下部接头和剪切销钉组成，如图7所示。剪切销钉设置于上部接头与下部接头之间，增大绞车对钢丝绳的拉力可剪断销钉，使上部接头与下部接头发生分离，钢丝绳及上部接头可从取心钻杆内取出。销钉需要在取心器保压功能触发后，才可被剪断，同时也需避免剪断力过大致使绞车拉力过大。因此，根据机械设计手册设计选型[23]，销钉选材是牌号为1050A的铝棒，抗剪强度
$\tau_{\rm{b}} \geqslant 80$ MPa。销钉的剪切应力计算式[23]为：
$$\tau =\frac{4F}{\pi {{d}^{2}}Z}$$ (5) 式中：F为剪切力，N；d为销钉直径，mm；Z为销的数量或剪切面数量；
$\tau $ 为剪切应力，MPa。由式(5)可得出剪切力计算公式：
$$F=\frac{\tau \pi {{d}^{2}}Z}{4}$$ (6) 当
$\tau $ 为抗剪强度$\tau_{\rm{b}}$ 时，按式(6)计算得到的剪切力为销钉的剪断力。所选铝销的直径为4 mm，取$\tau_{\rm{b}}= 80$ MPa，按下式计算得到的剪断力为2010.62 N，满足使用需求。$$ {{F}_{{\rm{b}}}}=\frac{{{\tau }_{{\rm{b}}}}\pi {{d}^{2}}Z}{4}=\frac{80\times \pi \times {{4}^{2}}\times 2}{4}=2\;010.62$$ 式中：
${{F}_{{\rm{b}}}}$ 为销钉剪断力，N。3 试验与结果分析
3.1 装置的工作性能试验与结果分析
搭建“保压触发装置工作性能地面试验系统”，并进一步开展保压触发装置工作性能试验研究工作，验证装置功能的稳定性与可靠性。试验系统由液压泵、绞车、取心器、转换接头、取心钻杆、钻杆自由钳、钢丝绳和液压管路等组成，如图8所示。其中，取心器的长度为2 m，转换接头、取心钻杆及送绳器的整体安装长度为10 m，因此试验系统的总长度为12 m。
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图 8 保压触发装置工作性能地面试验系统Figure 8. Ground test system for the performance of the pressure-preserved triggering device由于在煤矿井下水平保压取心工况下，当煤心充满煤心筒后，无法判断保压控制器阀盖在钻孔周向的相对位置，即阀盖翻转运动方向是随机的。选取5个具有代表性的翻转方向进行试验，如图9所示，分别是阀盖从前往后翻转、斜上方45°往斜下方翻转、斜下方45°往斜上方翻转、从上往下翻转和从下往上翻转。在实验过程中，通过钻杆自由钳转动取心钻杆，实现阀盖5个翻转方向的调节，并通过观察阀盖翻转闭合情况及钢丝绳是否从取心钻杆内取出，以此作为保压触发装置性能的主要评价依据。
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图 9 保压控制器阀盖翻转方向Figure 9. Turn-over directions of the valve cover of the pressure-preserved controller具体试验流程为：(1) 进行取心器整体组装，并采用转换接头实现与取心钻杆连接。(2) 将已连接钢丝绳的水平打捞器送入取心钻杆内部。(3) 在取心钻杆末端连接送绳器，送绳器上的液压接头通过液压管路完成与液压泵的连接。(4) 启动液压泵，向取心钻杆内注入带压钻井液，驱动水平打捞器在取心钻杆内往前运动，直至水平打捞器与捞矛头完成对接。此时，取心钻杆内部钻井液压力升高，可通过液压泵上压力表示数的升高现象来判断水平打捞器与捞矛头已完成对接。(5) 采用绞车提拉钢丝绳，完成保压功能。(6) 进一步增大绞车拉力，实现脱卡机构的解锁，将钢丝绳及脱卡机构的上部接头从取心钻杆内取出。
通过5次试验，保压控制器的阀盖稳定闭合，实现了取心器的保压功能(图10)。钢丝绳及脱卡机构的上部接头顺利从取心钻杆内部取出(图11)。由此验证了保压触发装置的稳定可靠性能。
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图 10 保压控制器阀盖稳定翻转闭合Figure 10. The valve cover of the pressure-preserved controller turning over and closing smoothly![]()
图 11 脱卡完成，钢丝绳从取心钻杆内取出Figure 11. Removing the wire rope from the coring drill rod after unlocking3.2 压力试验与结果分析
为验证保压触发装置工作性能试验后，是否已经实现取心器的密封保压功能。采用压力测试系统对已完成工作性能试验的取心器保压舱进行打压测试，压力测试系统主要由保压舱、液压管路和电动试压泵组成，如图12所示。在升压阶段1 min内迅速将舱内压力升高至4.1 MPa，然后关闭电动试压泵的供压阀门，并记录压力表读数变化情况，试验结果如图13所示。在最高压力为4.1 MPa条件下，经过超过1 h的监测与记录，压力表读数稳定在4.1 MPa，不发生变化，且保压舱不发生泄漏，表明保压触发装置可实现取心器的密封保压功能。
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图 13 取心器保压舱内压力随时间变化曲线Figure 13. The internal pressure curve of the pressure chamber of the corer3.3 煤矿现场取心试验
为研究煤矿实际工况下该触发装置功能的可靠性，在陕西园子沟煤矿井下开展了现场水平保压取心试验工作，煤层埋深800 m。试验系统由钻机、液压绞车、取心器和取心钻杆等组成。当水平取心钻孔深度为35 m时，保压控制器稳定翻转闭合(图14)，煤样采取率高达90%。因此，该保压触发装置可在实际煤层条件下正常运行、稳定触发取心器的保压功能。
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图 14 基于保压触发装置的成功取心照片Figure 14. Functions of the preserving-preserved triggering device can be successively completed4 结 论
a. 研制的煤矿井下水平保压取心保压触发装置可通过控制孔口液压绞车对钢丝绳的拉力与提拉速度，实现保压控制器阀盖稳定翻转闭合，并依靠弹簧力实现初始密封，完成取心器的密封保压功能。
b. 搭建了保压触发装置工作性能地面试验系统，并选取保压控制器阀盖5个典型的翻转方向来进行装置性能试验。结果表明阀盖均实现翻转闭合，完成了取心器的密封保压功能；同时，钢丝绳顺利从取心钻杆内部取出，避免引起设备故障。在此基础上，开展了煤矿井下水平保压取心试验，结果表明实际煤层条件下该触发装置可正常运行、稳定触发取心器的保压功能，由此验证了保压触发装置具备稳定可靠的性能。
c. 对已完成工作性能试验的取心器保压舱进行打压测试，在最高压力为4.1 MPa条件下，经过超过1 h的监测与记录，压力表读数不发生变化，密封保压效果良好。进一步表明了保压触发装置可稳定触发取心器的保压功能。
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图 1 煤矿井下水平保压取心保压触发装置
Fig. 1 Pressure-preserved triggering device for horizontal pressure-preserved coring in coal mines
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图 2 保压控制器组成
Fig. 2 Pressure-preserved controller based on the geometric principle of Steinmetz solid
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图 8 保压触发装置工作性能地面试验系统
Fig. 8 Ground test system for the performance of the pressure-preserved triggering device
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图 9 保压控制器阀盖翻转方向
Fig. 9 Turn-over directions of the valve cover of the pressure-preserved controller
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图 10 保压控制器阀盖稳定翻转闭合
Fig. 10 The valve cover of the pressure-preserved controller turning over and closing smoothly
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图 11 脱卡完成，钢丝绳从取心钻杆内取出
Fig. 11 Removing the wire rope from the coring drill rod after unlocking
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图 13 取心器保压舱内压力随时间变化曲线
Fig. 13 The internal pressure curve of the pressure chamber of the corer
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百度学术
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