氣舉反循環(huán)清渣技術(shù)在下行抽采鉆孔中的應(yīng)用研究

張益民，魏風(fēng)清，王俊有

(1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦，河南 平頂山 467000)

瓦斯預(yù)抽采是降低煤層瓦斯含量的重要手段，是實(shí)現(xiàn)突出煤層安全開采的根本性技術(shù)措施，不少礦井為了降低成本采取“一巷兩用”，即在煤層上部布置高位巷，施工下行穿層鉆孔，進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采來治理煤層瓦斯。向下施工穿層鉆孔時(shí)，鉆渣隨著螺旋鉆桿和沖洗液沖出鉆孔。鉆孔完畢抽出鉆桿后，懸浮在鉆孔沖洗液中的鉆渣和孔壁上的松動(dòng)巖石塊極易落在孔底，形成積渣。鉆孔內(nèi)的積渣過多，抽采管不能下至指定位置，導(dǎo)致封孔效果不好；抽采過程中，在抽采負(fù)壓作用下，積渣還易堵塞抽采管上的篩孔，阻礙瓦斯遷移，降低了瓦斯抽采效果[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員為排出孔底積渣提出和實(shí)踐了很多措施。工程上常用加長(zhǎng)孔深的辦法預(yù)留積渣占用空間，增加鉆孔深度，對(duì)于松軟煤層，殘留鉆屑量較大，且鉆屑會(huì)隨著鉆孔深度增加而顯著增大，雖然加大了鉆孔工作量，但效果并不明顯；積渣過多封孔器不能下放到設(shè)計(jì)位置時(shí)，就需要使用鉆機(jī)二次鉆孔，增加了現(xiàn)場(chǎng)工作量。因此研究如何清除孔底積渣具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。伍清等人利用磁鐵粉這種重介質(zhì)懸浮液作為排渣介質(zhì)，在一定程度上排出鉆渣，但懸浮液需要專門配置，使用中要及時(shí)回收利用，工藝較為復(fù)雜[4]。楊虎偉等人提出高轉(zhuǎn)速壓風(fēng)—螺旋復(fù)合排渣技術(shù)[5]。王坤、韓曉明等人針對(duì)松軟突出煤層氣力排渣工藝進(jìn)行了研究，優(yōu)化了鉆桿結(jié)構(gòu)和排渣工藝參數(shù)[6，7]。劉少偉、張輝等人對(duì)小孔徑巷道底板錨固孔排渣機(jī)理進(jìn)行研究，分析排渣影響因素、找到最佳排渣工藝參數(shù)[8，9]。袁志堅(jiān)等人研究了氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦瓦斯抽排井中的應(yīng)用問題，取得較好效果[10]。上述方法一定程度提高了小孔徑或大直徑鉆孔在鉆進(jìn)過程中的排渣效果。但對(duì)于下行瓦斯抽采鉆孔的積渣清除鮮有研究和應(yīng)用。筆者結(jié)合相關(guān)資料，提出采用氣舉反循環(huán)技術(shù)清除孔底積渣的工藝方法，研制了下行鉆孔氣舉反循環(huán)清渣裝置，在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦進(jìn)行了試驗(yàn)，高效的排出了積渣，保證了下行鉆孔的封孔質(zhì)量，提高了瓦斯抽采效果。

1 氣舉反循環(huán)清渣機(jī)理

氣舉技術(shù)原應(yīng)用于地質(zhì)采油工程中，當(dāng)?shù)貙庸┙o的能量不足以把原油從井底舉升到地面時(shí)，人為地把氣體壓入井底，與原油在井筒中混合，利用氣體膨脹使井筒中的混合液密度降低，將井內(nèi)原油舉升到地面的一種技術(shù)[11]。在施工下行鉆孔時(shí)，為排除孔內(nèi)積水，把壓風(fēng)管插入孔中，打開供氣開關(guān)，孔內(nèi)積水就與氣泡一起排到孔外的過程中，就利用了氣舉技術(shù)。

反循環(huán)是指沖洗液從鉆孔孔口流入孔底，經(jīng)排渣管底部進(jìn)入，依靠氣舉升力從排渣管頂部排出，經(jīng)過濾沉淀后再進(jìn)入鉆孔的循環(huán)，如圖1(a)所示。正循環(huán)液體流動(dòng)方向與反循環(huán)正好相反，在施工下行鉆孔時(shí)，沖洗液經(jīng)過鉆桿中心，從鉆頭上的水孔進(jìn)入鉆孔底部，再從鉆孔孔口流出的過程就是正循環(huán)，如圖1(b)所示。

圖1 氣舉技術(shù)原理

清渣是指利用流動(dòng)沖洗液的動(dòng)能卷起鉆孔底部的固體積渣，隨著沖洗液向上方循環(huán)流動(dòng)，隨著沖洗液被帶出鉆孔，從而將孔底積渣清理干凈的過程。

氣舉反循環(huán)清渣是我國20世紀(jì)90年代引進(jìn)推廣的技術(shù)，該技術(shù)在建筑工地樁基孔的鉆進(jìn)和二次清孔中得到了大量應(yīng)用。通過充氣管將壓縮空氣送入排渣管內(nèi)，壓縮空氣在排渣管內(nèi)與沖洗液混合，形成低密度氣液混合物，氣泡由于上升過程中圍壓減小而膨脹，密度繼續(xù)減小，排渣管內(nèi)外形成壓差，在壓差的作用下，沖洗液向上流動(dòng)，帶動(dòng)靠近排渣管口的積渣，沿著排渣管運(yùn)動(dòng)到孔口，從而清除了孔底積渣。氣舉反循環(huán)清渣原理如圖2所示。

圖2 氣舉反循環(huán)清渣原理

2 氣舉反循環(huán)清渣裝置與關(guān)鍵參數(shù)

2.1 氣舉反循環(huán)清渣裝置結(jié)構(gòu)

針對(duì)煤礦井下瓦斯抽放巷道的工作實(shí)際，研制了下行鉆孔氣舉反循環(huán)清渣裝置，該裝置主要由注液管、過濾箱、回液管、下行鉆孔、充氣管接口、圍巖、充氣管、排渣管等組成，如圖3所示。注液管連接供水管路，用于向裝置中添加補(bǔ)充清水。過濾箱用于承接排渣管排出的固液混合物，起到分離積渣的作用，過濾后的沖洗液通過箱體底部連接孔口的回液管流到鉆孔中；充氣管的上部通過閥門連接井下供氣管路，下部固定在靠近排渣管底部的充氣管接口，壓縮氣體通過閥門、充氣管、接口進(jìn)入到排渣管內(nèi)，與沖洗液、孔底積渣混合形成氣液固三相混合物，沿著排渣管上升，進(jìn)入到過濾箱。沖洗液利用鉆孔排渣使用的清水，壓縮氣體采用井下壓風(fēng)管路提供的壓縮空氣。排渣管采用內(nèi)徑40mm的瓦斯抽放管，整個(gè)裝置最大程度的利用了鉆孔使用的設(shè)備和材料，與鉆孔工序有機(jī)結(jié)合，方便使用。

圖3 氣舉反循環(huán)清渣裝置結(jié)構(gòu)

2.2 氣舉反循環(huán)清渣裝置運(yùn)行參數(shù)選擇

風(fēng)壓(P)、氣柱長(zhǎng)度(W)、風(fēng)量(Q)、排渣管孔口距離積渣的距離(L)是氣舉反循環(huán)清渣裝置運(yùn)行的主要參數(shù)，須認(rèn)真計(jì)算選擇，方能達(dá)到良好的排渣效果。

1)風(fēng)壓：是指供氣管路提供的壓縮空氣的壓力，主要與鉆孔的垂直深度和沖洗液密度和管道阻力有關(guān)，可按以下式計(jì)算[12]：

P=h×γ/105+ΔP

式中，h為下行鉆孔的垂直深度；γ為沖洗液密度，采用清水作為沖洗液時(shí)，取γ=1×103kg/m3；ΔP為供風(fēng)管道壓力損失，一般取0.1～0.15MPa。

以平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦戊8煤層為例，高位巷距離煤層的垂直高度為16m，煤層厚度3.5～5m，取4.5m，越過煤層預(yù)留的積渣深度0.5m左右。下行鉆孔的垂直深度h取21m。將有關(guān)參數(shù)代入上式得：P=21×1×103/105+0.15=0.36MPa。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，供風(fēng)風(fēng)壓達(dá)到0.36MPa時(shí)，氣舉反循環(huán)清渣工作可正常進(jìn)行，實(shí)際操作控制在0.4～0.6MP范圍內(nèi)，均能起到較好的清渣效果。

2)氣柱長(zhǎng)度：即壓縮氣體進(jìn)入排渣管的位置到孔口的垂直距離，一般可按下式計(jì)算：

W=(0.8～0.9)h

戊8煤層下行鉆孔的垂直深度約21m，代入上式得：W=0.85×21=17.85m，充氣管接口固定在排渣管上距離排渣管底部3m左右，以保證排渣效果。

3)風(fēng)量：是指單位時(shí)間內(nèi)供氣管路提供的壓縮空氣的體積。風(fēng)量主要控制排渣管內(nèi)沖洗液的流速。為避免排渣管內(nèi)沖洗液流速過大，防止高速運(yùn)動(dòng)的積渣沖出孔口造成危害，同時(shí)保證排渣效率，上返流速可按下式計(jì)算[12]：

V≤0.6×[(D/d)2-1]

式中，D為下行鉆孔孔徑，現(xiàn)場(chǎng)取89mm；d為排渣管內(nèi)徑，現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽放管內(nèi)徑取40mm。

經(jīng)計(jì)算V≤0.6×[(0.089/0.04)2-1]=2.37m/s。風(fēng)量可按Q=60d2V 計(jì)算，所以Q=60×0.04×0.04×2.37=0.23m3/min。

4)排渣管孔口距離積渣的距離：該距離控制積渣能否順暢的進(jìn)入排渣管，與積渣的顆粒大小、重量等有直接關(guān)系。因沉積在孔底的積渣大小、形狀未知，且隨著積渣的排出，該距離動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)出口排出積渣較少時(shí)，操作者要把排渣管及時(shí)拉出或插入鉆孔，以調(diào)整排渣管口距離積渣面的距離。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，排渣管孔口距離積渣的距離在200～400mm范圍時(shí)，排渣效果較好。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地概況

為驗(yàn)證氣舉反循環(huán)清渣裝置的應(yīng)用效果，筆者在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦戊8-31220機(jī)巷高抽巷施工10個(gè)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行排渣試驗(yàn)，鉆孔沿機(jī)巷高抽巷口向切眼高抽巷處延伸，并在相鄰位置選取10個(gè)鉆孔作為試驗(yàn)對(duì)比孔，以觀測(cè)排渣后瓦斯抽采效果[13-15]。機(jī)巷區(qū)域防突措施鉆孔布置如圖4所示。戊8-31220機(jī)巷采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施，在高抽巷內(nèi)每4m布置一組穿層鉆孔，每組分兩排施工11個(gè)鉆孔，孔徑89mm，孔深14.7～43.8m，終孔落在戊8煤層底板以下0.5m處。鉆孔封孔采用“兩堵一注”封孔器封孔，封孔材料為水泥砂漿。

圖4 機(jī)巷區(qū)域防突措施鉆孔布置

3.2 氣舉反循環(huán)清渣工作過程

1)在戊8-31220機(jī)巷高抽巷施工現(xiàn)場(chǎng)需要清渣的鉆孔附近安裝過濾箱，過濾箱出水口要高于孔口，連接回液管、供水管路、供氣管路。

2)將充氣管及排渣管并行插入下行鉆孔中，直到排渣管接觸到孔底積渣，然后向上提起排渣管約300mm后，固定排渣管。

3)通過供水管路向過濾箱中注入清水，水流經(jīng)過濾箱、回液管流入鉆孔中。當(dāng)水注滿鉆孔后，關(guān)閉供水管路閥門，打開壓縮空氣開關(guān)，壓縮空氣經(jīng)充氣管進(jìn)入排渣管內(nèi)，與沖洗液混合形成氣液兩相混合體，在壓差的作用下，孔底積渣被吸入到排渣管內(nèi)，并隨著排渣管內(nèi)壁向上流動(dòng)進(jìn)入過濾箱中；過濾出的積渣留在過濾器中，過濾出的水經(jīng)回液管返回鉆孔；如此連續(xù)循環(huán)，排出孔底積渣。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

選取的10個(gè)試驗(yàn)鉆孔成孔后進(jìn)行排渣試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表1，分析可知，清渣后增加孔深3～15m，占實(shí)際孔深的13%～41.6%，平均達(dá)到21.4%，排渣效果非常明顯。單孔清渣時(shí)間僅數(shù)分鐘，排出積渣粒徑大多在0.5～5mm之間，最大達(dá)到11mm。

表1 試驗(yàn)鉆孔清渣檢測(cè)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)鉆孔排渣后，與對(duì)比鉆孔同時(shí)排水后再注漿封孔，第二天開始聯(lián)網(wǎng)抽采，測(cè)量孔口瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)鉆孔和對(duì)比鉆孔在一定的觀測(cè)期內(nèi)孔口瓦斯?jié)舛茸兓鐖D5所示。由圖5可知，在開始抽采的1～5d，濃度變化趨勢(shì)基本相同，5～20d時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度較為穩(wěn)定，抽采20d時(shí)的濃度明顯高于對(duì)比鉆孔，抽采效果較為顯著。證明孔底排渣有效的提高了封孔質(zhì)量，對(duì)瓦斯抽采起到了積極的作用。

圖5 鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€

4 結(jié) 語

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：氣舉反循環(huán)清渣技術(shù)能高效清除下行鉆孔底部的積渣，平均延伸孔深21.4%，有效避免因積渣過多造成的封孔器不能安裝到位的問題，提高了封孔質(zhì)量和瓦斯抽采效果。同時(shí)氣舉反循環(huán)清渣裝置還具有操作、維護(hù)簡(jiǎn)單、安全可靠、成本較低等特點(diǎn)。從效果、工期、經(jīng)濟(jì)等角度綜合考評(píng)，氣舉反循環(huán)清渣工藝的優(yōu)勢(shì)都十分明顯，值得推廣應(yīng)用。