順層瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔氣舉排渣模擬試驗(yàn)研究

汪義龍，蔡 峰，趙清全，王宗超

（1.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100071；2.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001；3.云南滇東雨汪能源有限公司雨汪煤礦一井，云南曲靖 655500）

隨著鉆進(jìn)裝備和技術(shù)的進(jìn)步，瓦斯抽采鉆孔的鉆進(jìn)深度在不斷的提升，順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)以其抽采效率高[1]、抽采范圍廣[2]的特點(diǎn)越來(lái)越受到重視，為高瓦斯和突出煤層的瓦斯抽采提供了可靠的技術(shù)保障[3-4]。同時(shí)，由于其施工成本遠(yuǎn)低于瓦斯抽采巷，順層長(zhǎng)鉆孔技術(shù)也越來(lái)越多的用于代替瓦斯抽采巷條帶預(yù)抽技術(shù)[5]，而順層鉆孔的長(zhǎng)度是影響瓦斯抽采效果的重要因素之一[6-7]。

順層鉆孔成孔長(zhǎng)度的影響因素很多，通常有鉆機(jī)能力、鉆桿性能、鉆孔軌跡控制能力以及鉆屑排出能力等[8-9]，前面幾個(gè)因素通常與設(shè)備的性能有關(guān)，而鉆屑排出（即排渣）能力通常與鉆進(jìn)工藝有關(guān)[10-11]，同時(shí)，排渣又分為水力排渣和氣舉排渣[12]。在煤層順層鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，由于煤屑與水混合后會(huì)形成較黏稠的糊狀物，再加上瓦斯壓力的作用，容易形成抱鉆、卡鉆甚至噴孔事故[13-14]，因而對(duì)于煤層順層鉆孔通常采用氣舉排渣[15]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，氣舉排渣雖然在排渣能力上無(wú)法與水力排渣相比，但在風(fēng)量匹配良好的情況下仍可以實(shí)現(xiàn)較理想的排渣效果[16-17]。

在進(jìn)行氣舉排渣施工過(guò)程中，煤層的產(chǎn)屑量、風(fēng)量、風(fēng)壓等因素均可以影響排渣效果[18]，并進(jìn)一步影響順層長(zhǎng)鉆孔的成孔質(zhì)量以及抽采范圍和抽采效果，最終導(dǎo)致抽采成本增加[19]，因而有必要對(duì)產(chǎn)屑量、風(fēng)量和風(fēng)壓對(duì)順層長(zhǎng)鉆孔氣舉排渣能力的影響關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)的研究。為此，以華能滇東雨汪能源有限公司雨汪煤礦一井1010201 工作面為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)的研究了產(chǎn)屑量、風(fēng)量和風(fēng)壓對(duì)順層長(zhǎng)鉆孔氣舉排渣能力的影響關(guān)系。

1 數(shù)值仿真

利用CFD 數(shù)值模擬軟件，分析研究在煤屑產(chǎn)量和風(fēng)量一定的情況下，不同粒徑的煤屑隨鉆具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的分布、積聚和移動(dòng)規(guī)律，同時(shí)研究在煤屑產(chǎn)量和風(fēng)壓一定的情況下，鉆具不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)煤屑在鉆孔中的分布和移動(dòng)規(guī)律。

通過(guò)在華能云南滇東能源有限責(zé)任公司雨汪煤礦1010201 工作面鉆進(jìn)施工工作面的煤屑進(jìn)行取樣和篩分，并對(duì)煤屑的粒徑進(jìn)行測(cè)定和統(tǒng)計(jì)，得到的煤屑粒徑分布規(guī)律見(jiàn)表1。在數(shù)值仿真過(guò)程中，CFD軟件需要將粒徑設(shè)置為固定數(shù)值，故將表1 中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均處理，獲得的仿真參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 煤屑粒徑分布Table 1 Coal chip particle size distribution

表2 數(shù)值仿真計(jì)算用的煤屑粒徑Table 2 Coal chip particle size for numerical simulation calculation

鉆孔為長(zhǎng)度250 m、直徑108 mm 的水平直孔。將鉆孔按照1∶1 的比例建立三維幾何模型，并對(duì)流動(dòng)區(qū)域和接觸區(qū)域進(jìn)行加密，以滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求，三維幾何模型如圖1。

圖1 三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model

1.1 煤屑移動(dòng)規(guī)律

粒徑0.1 mm 煤粉顆粒在風(fēng)量400 m3/h、轉(zhuǎn)速80 r/min 時(shí)截面分布如圖2。

圖2 粒徑0.1 mm 煤粉顆粒在風(fēng)量400 m3/h、轉(zhuǎn)速80 r/min 時(shí)截面分布Fig.2 Cross-sectional distribution of 0.1 mm pulverized coal particles at air volume 400 m3/h and speed 80 r/min

從圖2 的仿真結(jié)果可以看出，在壓風(fēng)的作用下，煤屑被一定速度的風(fēng)流裹挾而處于懸浮狀態(tài)，隨后，這些處于懸浮狀態(tài)的煤屑顆粒沿著特定軌跡向鉆孔出口處移動(dòng)。鉆孔的底部在圖2 的左側(cè)，在孔底，煤屑生成后隨即被壓風(fēng)托起，煤屑的移動(dòng)速度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值后進(jìn)入無(wú)序移動(dòng)狀態(tài)，并保持這一狀態(tài)直到被排出鉆孔。

當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，粒徑較小的煤屑受轉(zhuǎn)動(dòng)的影響較小，仍然呈懸浮狀態(tài)和特定的移動(dòng)軌跡排出鉆孔，而對(duì)于粒徑較大的煤屑則不同，它們受鉆桿的影響較大。在鉆桿的作用下，粒徑較大的煤屑在鉆軒的旋轉(zhuǎn)用下被卷?yè)P(yáng)起來(lái)，迫使其無(wú)法沉積和積聚，并保持較大的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角，并進(jìn)一步引起氣流紊亂，從而提出了大粒徑煤屑的排渣能力。

而如果壓入的風(fēng)量較小無(wú)法使鉆屑處于懸浮狀態(tài)，將會(huì)使越來(lái)越多的鉆屑沉積、聚集在鉆孔的下半部分。隨著積聚的鉆屑越來(lái)越多、鉆孔越來(lái)越長(zhǎng)，在黏滯力的作用下，會(huì)使鉆桿被鉆屑抱住而無(wú)法旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)生抱鉆或卡鉆事故。特別是下向孔，由于煤層中可能含有一定的水，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)的鉆屑被水濕潤(rùn)，黏滯力進(jìn)一步增大，從而更有可能發(fā)生抱鉆、卡鉆事故。因而，必須使鉆孔內(nèi)的鉆屑及時(shí)排出才能有效的保障鉆進(jìn)安全。從圖2 的模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)量大于400 m3/h、轉(zhuǎn)速80 r/min 時(shí)可以有效地實(shí)現(xiàn)鉆屑懸浮并使其順利排出鉆孔。

1.2 煤屑聚集程度與鉆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和風(fēng)量的關(guān)系

煤屑聚集程度是反映煤屑能否有效排出的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為，處于懸浮狀態(tài)的煤屑要比處于積聚狀態(tài)的煤屑更加容易從鉆孔中排出。為了能夠反映出煤屑在鉆孔中的積聚程度，引入相對(duì)偏轉(zhuǎn)角，用Ω 表示, 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角如圖3。煤屑沉積區(qū)的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角越大，說(shuō)明煤屑沉積區(qū)懸浮的程度越大，煤屑也就越容易從鉆孔中排出。

圖3 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角Fig.3 Relative deflection angle of coal chip deposition area

粒徑0.1 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.3 m3/h）如圖4，粒徑0.1 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.6 m3/h）如圖5，粒徑0.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角圖（煤屑生成量0.3 m3/h）如圖6，粒徑0.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角圖（煤屑生成量0.6 m3/h）如圖7，粒徑1.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.3 m3/h）如圖8，粒徑1.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.6 m3/h）如圖9。

圖6 粒徑0.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.3 m3/h）Fig.6 Relative deflection angle diagram of coal chip deposition area with particle size 0.7 mm（coal chip generation capacity 0.3 m3/h）

圖7 粒徑0.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.6 m3/h）Fig.7 Relative deflection angle diagram of coal chip deposition area with particle size 0.7 mm（coal chip generation capacity 0.6 m3/h）

圖8 粒徑1.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.3 m3/h）Fig.8 Relative deflection angle diagram of coal chip deposition area with particle size 1.7 mm（coal chip generation capacity 0.3 m3/h）

圖9 粒徑1.7 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.6 m3/h）Fig.9 Relative deflection angle diagram of coal chip deposition area with particle size 1.7 mm（coal chip generation capacity 0.6 m3/h）

從圖4 和圖5 中可以看出：對(duì)于粒徑為0.1 mm的煤屑，風(fēng)量越大，煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角也就越大，鉆桿旋轉(zhuǎn)情況下的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角也顯著大于鉆桿靜止時(shí)的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)煤屑的生成量為0.3 m3/h時(shí)，在風(fēng)量一定的情況下，相對(duì)偏轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速的升高，其值變化不大；而當(dāng)煤屑的生成量為0.6 m3/h時(shí)，相對(duì)偏轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速的增大而顯著增大。

圖4 粒徑0.1 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.3 m3/h）Fig.4 Relative deflection angle of coal chip deposition area with particle size 0.1 mm（coal chip generation capacity 0.3 m3/h）

圖5 粒徑0.1 mm 煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（煤屑生成量0.6 m3/h）Fig.5 Relative deflection angle of coal chip deposition area with particle size 0.1mm（coal chip generation capacity 0.6 m3/h）

從圖6 和圖7 中可以看出：當(dāng)煤屑粒徑為0.7 mm 時(shí)，煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角與風(fēng)量呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)風(fēng)量小于400 m3/h 時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)于煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響不大；而當(dāng)風(fēng)量大于400 m3/h后，煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角隨鉆桿旋轉(zhuǎn)速度的增大而顯著增大。因而，在進(jìn)行長(zhǎng)鉆孔氣舉排渣時(shí)，風(fēng)量應(yīng)大于400 m3/h。

從圖8 和圖9 中可以看出：當(dāng)煤屑粒徑為1.7 mm 時(shí)，煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角與風(fēng)量呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著風(fēng)量的增加而呈增大趨勢(shì)，與粒徑為0.7 mm 的煤屑相比，需要更大的風(fēng)量和更高的轉(zhuǎn)速才能使鉆屑有效排出；當(dāng)風(fēng)量為300 m3/h 時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響較大，即，相對(duì)于鉆桿靜止不動(dòng)時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速提高到120 r/min 時(shí)，煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角從21°提高到47°，提高了1.2 倍；隨著風(fēng)量的增大，風(fēng)量對(duì)煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響也逐漸加大，即，風(fēng)量從300 m3/h 提高到500 m3/h 后，煤屑沉積區(qū)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角從轉(zhuǎn)速為0 r/min 時(shí)的60°提高到轉(zhuǎn)速為120 r/min 時(shí)的71°，提高了18.3%。

綜上，煤屑粒徑較小時(shí)，煤屑聚集的主要影響因素是風(fēng)量，鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響較?。幻盒剂捷^大時(shí)，風(fēng)量和鉆桿的旋轉(zhuǎn)均會(huì)對(duì)煤屑聚集產(chǎn)生較大影響，特別是當(dāng)風(fēng)量較低時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的卷?yè)P(yáng)作用將有效地提高鉆屑的排出，且旋轉(zhuǎn)速度越高，排渣效果越好。同時(shí)，煤屑產(chǎn)量對(duì)煤屑聚集的影響也較大，特別是對(duì)于大粒徑煤屑，煤屑的產(chǎn)量越大，排屑越困難。

1.3 大粒徑煤屑沉積

當(dāng)煤屑顆粒較小時(shí)，即使較小的風(fēng)量也可以使煤屑懸浮并排出鉆孔，而當(dāng)顆粒較大時(shí)，由于其質(zhì)量較大，容易產(chǎn)生沉積而堵塞鉆孔，甚至導(dǎo)致卡鉆、抱鉆，甚至導(dǎo)致噴孔事故。鉆孔底部風(fēng)壓與風(fēng)量關(guān)系（煤屑生成量0.3 m3/h）如圖10，鉆孔底部風(fēng)壓與風(fēng)量關(guān)系（煤屑生成量0.6 m3/h）如圖11。

從圖10 和圖11 可以看出：鉆孔底部的風(fēng)壓與風(fēng)量呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著風(fēng)量的增大而增大；當(dāng)風(fēng)量為300、400 m3/h 較低的數(shù)值時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)壓的影響不大，而當(dāng)風(fēng)量達(dá)到500 m3/h 時(shí)，低轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)壓的影響仍然不大，而當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí)，鉆孔底部的風(fēng)壓則增大到10 kPa；同時(shí)，煤屑的產(chǎn)量對(duì)鉆孔底部風(fēng)壓的影響不大。

圖10 鉆孔底部風(fēng)壓與風(fēng)量關(guān)系（煤屑生成量0.3 m3/h）Fig.10 Relationship between air pressure and air volume at the bottom of the drill hole（coal chip generation 0.3 m3/h）

圖11 鉆孔底部風(fēng)壓與風(fēng)量關(guān)系（煤屑生成量0.6 m3/h）Fig.11 Relationship between air pressure and air volume at the bottom of the drill hole（coal chip generation 0.6 m3/h）

1.4 討 論

1）煤屑粒徑較小時(shí)，風(fēng)量和產(chǎn)屑量是煤屑沉積的最主要因素，鉆桿在低轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)速對(duì)煤屑沉積的影響不大，高轉(zhuǎn)速對(duì)煤屑沉積產(chǎn)生一定的影響；煤屑粒徑較大時(shí)，煤屑沉積受到風(fēng)量、鉆桿轉(zhuǎn)速、產(chǎn)屑量3 個(gè)方面的影響，在低風(fēng)量條件下，鉆桿的排渣作用顯著；無(wú)論風(fēng)量是大是小，煤屑產(chǎn)屑量都顯著影響排渣效果，特別是對(duì)大顆粒煤屑，必須通過(guò)加大風(fēng)量、孔底風(fēng)壓和鉆桿旋轉(zhuǎn)速度來(lái)促進(jìn)排渣。

2）當(dāng)鉆桿旋轉(zhuǎn)速度大于40 r/min 時(shí)，在風(fēng)量和鉆桿旋轉(zhuǎn)作用的共同作用下，將有利于煤屑的排出；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到80 r/min 時(shí)，如果風(fēng)量處于300～400 m3/h，會(huì)有一定的煤屑沉積，當(dāng)風(fēng)量大于500 m3/h，大部分煤屑將很快排出鉆孔；當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí)，風(fēng)量為300 m3/h，仍然會(huì)有少量煤屑沉積，而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到400～500 r/min，則不會(huì)有煤屑沉積在鉆孔內(nèi)。

3）當(dāng)風(fēng)量為500 m3/h 時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速需要超過(guò)80 r/min 才能保證有效排渣，而當(dāng)風(fēng)量分別為400、300 m3/h 時(shí)，鉆桿的轉(zhuǎn)速相應(yīng)需要超過(guò)120、200 r/min 才能保證有效排渣。

4）隨著風(fēng)量的增大，鉆孔底部風(fēng)壓也呈增大趨勢(shì)，而鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)鉆孔底部風(fēng)壓的影響較??；煤屑產(chǎn)量分別為0.3、0.6 m3/h 時(shí)，風(fēng)壓的變化不大。

5）根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，為了有效排渣，鉆桿的轉(zhuǎn)速應(yīng)該保持在80～120 r/min，且風(fēng)量應(yīng)在400 m3/h以上。當(dāng)采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行順層鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)需要增大風(fēng)量和風(fēng)壓來(lái)提高鉆孔的排渣能力，因而風(fēng)量應(yīng)在500 m3/h 以上。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)礦井為華能滇東雨汪能源有限公司雨汪煤礦一井1010201 工作面。工作面平均埋深286 m，屬于C2 煤層，煤層平均厚度為1.26 m，煤層平均傾角9°，實(shí)測(cè)瓦斯壓力為1.01～1.15 MPa，平均瓦斯含量為11.83 m3/t，為突出煤層。在C2 煤層的下方有C3煤層，平均煤厚1.49 m，C2 煤層和C3 煤層之間的平均距離為15.36 m。

共設(shè)計(jì)6 個(gè)鉆孔，均設(shè)置在回風(fēng)巷，鉆孔直徑為108 mm。各鉆孔平行于采煤工作面，并順著煤層向下延伸并到達(dá)距進(jìn)風(fēng)巷15 m 位置處，設(shè)計(jì)深度≥220 m。在鉆進(jìn)過(guò)程中，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，使鉆孔始終保持在煤層鉆進(jìn)，左右擺動(dòng)偏差控制中1%范圍內(nèi)，鉆孔施工完成后，全程下篩管用于瓦斯抽采。

采用鉆具組合為：?108 mm 鉆頭+螺旋短節(jié)（0.3 m）+接頭+空氣螺桿馬達(dá)+接頭+下無(wú)磁鉆桿+測(cè)量探管+絕緣短節(jié)+上無(wú)磁鉆桿+接頭+整體式大通孔螺旋鉆桿或三棱鉆桿。鉆孔施工情況見(jiàn)表3。3 號(hào)鉆孔的縱剖面和橫剖面軌跡圖圖12。

表3 鉆孔施工情況Table 3 Drill hole construction situation

從圖12 可以看出，整個(gè)鉆孔均保持在煤層范圍內(nèi)，且上下、左右擺動(dòng)偏差均在允許范圍內(nèi)，鉆孔長(zhǎng)度達(dá)到了231 m 且全程下篩管，實(shí)現(xiàn)了下向順層長(zhǎng)鉆孔的有效排渣。

圖12 20#鉆孔軌跡剖面圖Fig.12 Profile of 20# drill hole track

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)利用數(shù)值仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)順層瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔氣舉排渣進(jìn)行了研究。

1）無(wú)論風(fēng)量是大是小，煤屑產(chǎn)屑量都將顯著影響排渣效果，特別是對(duì)于大顆粒煤屑，必須通過(guò)加大風(fēng)量、孔底風(fēng)壓和鉆桿旋轉(zhuǎn)速度來(lái)促進(jìn)排渣。

2）當(dāng)風(fēng)量為500 m3/h 時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速需要超過(guò)80 r/min 才能保證有效排渣，而當(dāng)風(fēng)量分別為400、300 m3/h 時(shí)，鉆桿的轉(zhuǎn)速需要超過(guò)120、200 r/min 才能保證有效排渣。

3）為了有效排渣，鉆桿的轉(zhuǎn)速應(yīng)該保持在80～120 r/min，且風(fēng)量應(yīng)在400 m3/h 以上；當(dāng)采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行順層鉆進(jìn)時(shí)，風(fēng)量應(yīng)在500 m3/h以上。