孔底組合鉆具瓦斯噴涌阻尼機制及工程應(yīng)用

王永龍，裴宇翔，孫玉寧，余在江，丁立培，吳 越，郭佳寬，杜 康

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003)

我國作為煤炭資源開采和利用的大國，煤炭企業(yè)中煤與瓦斯突出礦井數(shù)量占比較重，施工瓦斯抽采鉆孔進行采前預(yù)抽可以有效預(yù)防瓦斯災(zāi)害事故。瓦斯抽采鉆孔施工過程中發(fā)生噴孔是導(dǎo)致瓦斯超限最常見的一種動力現(xiàn)象。鉆進過程中的噴孔現(xiàn)象是一把雙刃劍，一方面噴孔在快速釋放煤層瓦斯的同時對煤體也具有卸壓作用；另一方噴孔產(chǎn)生的高速瓦斯氣流非常容易造成瓦斯噴孔超限。煤層瓦斯噴孔超限事故是礦井安全生產(chǎn)的主要隱患，根據(jù)近3 a 的統(tǒng)計資料表明，瓦斯噴孔超限事故在瓦斯超限事故中占比已超過50%[1-5]。

針對瓦斯噴孔超限難題，科研及工程技術(shù)人員做了大量的研究工作，例如將三棱鉆桿、孔口防噴裝置及防噴鉆桿聯(lián)合應(yīng)用到鉆孔施工中[6-9]，全封閉式“三防”裝置和采用鉆尾抽采和防延時噴孔技術(shù)[10-12]，鉆孔孔口“防噴、捕塵一體化”裝置[13-15]，快速封孔、螺旋排渣、瓦斯煤渣分離、旋流式分離、噴霧除塵等成套技術(shù)[16-19]，新型高效放水排渣、抽排瓦斯、孔口除塵三位一體防噴出裝置及配套鉆割新工藝[20]，水力沖孔防噴孔整套裝置[21]，瓦斯噴孔綜合治理安全裝置等[22]，對于治理瓦斯噴孔超限都有一定的效果。

鉆孔揭露瓦斯富集區(qū)時大量高壓瓦斯從孔底向孔口高速涌出，常規(guī)的鉆進方法，難以將噴孔壓力降低到安全值，噴孔無法避免，只能在孔口處進行被動防噴。瓦斯噴出通道為鉆桿與鉆孔之間的縫隙，中間夾雜著鉆屑，這些因素會形成通風(fēng)阻力，一定程度降低了孔口噴出壓力，如能將噴出壓力在孔內(nèi)大幅度削弱，將減輕孔外防噴的壓力。為此，筆者分析孔底組合鉆具瓦斯噴涌阻尼機制，并設(shè)計了孔底組合鉆具，結(jié)合數(shù)值模擬、建立氣流阻力力學(xué)方程、分析了孔底組合鉆具的阻尼效果，并通過工業(yè)性試驗對孔底組合鉆具的阻尼效果進行了驗證，為瓦斯抽采防噴孔技術(shù)開辟了一條新的技術(shù)途徑。

1 孔底組合鉆具結(jié)構(gòu)及阻尼原理

1.1 孔底組合阻尼鉆具結(jié)構(gòu)原理

圍繞將鉆孔噴出壓力在孔內(nèi)大幅度削弱的思路，研制孔底組合鉆具，在鉆孔噴孔源頭進行主動削弱瓦斯噴涌壓力，如圖1 所示，采用分層切削的方案進行鉆進，設(shè)計孔底組合鉆具結(jié)構(gòu)，包括揭露鉆頭、阻尼鉆桿和擴孔鉆頭，前端使用直徑較小的揭露鉆頭鉆進，隨后跟阻尼鉆桿、擴孔鉆頭。通過應(yīng)用孔底組合鉆具，使孔底揭露面積分級增大，從而降低高壓瓦斯富集區(qū)瓦斯噴出量。

圖1 孔底組合鉆具模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of bottom hole combined damping drilling tool model

瓦斯噴出路徑如圖2 所示，通過增加氣體流動通道的阻力削弱瓦斯噴出壓力。阻尼鉆桿表面設(shè)置有凸起螺紋，稱阻尼鉆桿表面與鉆孔壁的間隙為“降壓間隙”β，降壓間隙的大小為揭露鉆頭直徑與阻尼鉆桿最大旋轉(zhuǎn)外徑之差，設(shè)計降壓間隙β和螺紋高度，使同一條流線上的通風(fēng)空間突然擴大和縮小，提高阻力系數(shù)，有效增加風(fēng)阻，揭露鉆頭直徑小于擴孔鉆頭直徑，流動氣體到達擴孔鉆頭時形成渦旋降低部分氣體壓力。

1.2 鉆具氣流阻力力學(xué)模型

在空氣流經(jīng)狹窄空間時，設(shè)風(fēng)流總壓為PQ，風(fēng)流靜壓為PJ，風(fēng)流動壓為P，根據(jù)伯努利方程，沿流線運動過程中，總能量守恒，對于氣體可以忽略重力，則

動壓計算公式為

則

式中，ρ為風(fēng)流密度；v為風(fēng)速。

風(fēng)流在通道內(nèi)做沿程流動時，由于流體層間的摩擦、流體與壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力，也叫沿程阻力hf，其計算公式為

本文風(fēng)流在管道內(nèi)做沿程流動，則式中d為風(fēng)流通道水力直徑、λ為沿程阻力系數(shù)，L為風(fēng)流通道長度，環(huán)形管道水力直徑d計算公式為

式中，S為排渣通道斷面面積；U為排渣通道斷面周長。

由式(2)、(5)得

如圖3 孔底組合鉆具鉆進截面模型所示，U1為組合鉆具截面周長，U2為鉆孔周長，假設(shè)鉆孔半徑為R，鉆桿的半徑為r，則風(fēng)壓阻力的降壓間隙為β=R-r。

圖3 孔底組合鉆具鉆進截面模型Fig.3 Drilling section model of hole combined damping drilling tool

則沿程阻力可表示為

設(shè)高壓瓦斯聚集區(qū)內(nèi)的瓦斯壓力為Pq，鉆孔外靜壓為一常量C，則

則瓦斯流動阻力力學(xué)方程可表示為

在鉆孔內(nèi)高壓瓦斯流動時所產(chǎn)生的沿程阻力與沿程阻力系數(shù)λ、風(fēng)流通道長度L、降壓間隙β和孔底瓦斯壓力Pq相關(guān)。

風(fēng)流在管道內(nèi)運動為湍流，阻尼鉆桿的相對粗糙度影響沿程阻力系數(shù)，本文中阻尼鉆桿的相對粗糙度為螺紋高度h與水力直徑d的比值，即相對粗糙度表示為h/d。相對粗糙度高，沿程阻力系數(shù)大。

瓦斯總壓力遞減梯度如圖4 所示，通過鉆具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提高沿程阻力系數(shù)，增加風(fēng)阻，當噴孔發(fā)生時，最大程度削弱流動通道內(nèi)氣體靜壓，降低瓦斯噴出壓力。

圖4 總壓遞減梯度示意Fig.4 Total pressure decline gradient diagram

由式(12)做定量分析，設(shè)置降壓間隙β=4 mm，孔底組合阻尼鉆具中阻尼鉆桿長度分別為250、500、1 000、1 500 mm，阻尼鉆桿螺紋高度均相等，基于式(12)可獲得摩擦風(fēng)阻與沿程阻力系數(shù)的關(guān)系的關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 摩擦風(fēng)阻與沿程阻力系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between frictional wind resistance and along-way resistance coefficient

當降壓間隙確定，沿程阻力系數(shù)λ≤0.04 時，摩擦風(fēng)阻增長速率大。沿程阻力系數(shù)λ＞ 0.04 時，摩擦風(fēng)阻增長速率小。摩擦風(fēng)阻過大不利于孔內(nèi)渣體排出，摩擦風(fēng)阻過小阻尼效果不理想，以摩擦風(fēng)阻為65%(Pq-C)～75%(Pq-C)為基準，將鉆孔噴孔源噴出的瓦斯壓力降低到初始的25%～35%。

通過設(shè)置阻尼鉆桿的螺紋高度改變沿程阻力系數(shù)，基于定量分析，組合阻尼鉆具能夠?qū)姵龅耐咚箟毫档偷匠跏嫉?5%以下。

2 孔底組合鉆具阻尼效果數(shù)值模擬

2.1 常規(guī)鉆具與組合阻尼鉆具對比分析

2.1.1計算模型

基于流體力學(xué)進行數(shù)值模擬實驗，在solidworks Flow simulation 中建立2 種鉆具鉆進瓦斯噴涌阻尼模型。模型方程為標準k-ε模型[9]，如圖6 所示，將鉆孔建立為圓環(huán)狀。

圖6 常規(guī)鉆具和組合阻尼鉆具計算模型Fig.6 Calculation model of conventional drilling tools and combination damping drilling tools

(1)常規(guī)鉆具模型。揭露鉆頭直徑為113 mm，圓鉆桿直徑為73 mm，設(shè)置模型觀測線長度1 100 mm，距離中心軸線45.19 mm。

(2)組合阻尼鉆具模型。揭露鉆頭直徑為73.5 mm、熔涂阻尼鉆桿(鉆桿中心桿體直徑65 mm、熔涂螺紋高度3.5 mm)、擴孔鉆頭直徑為113 mm、圓鉆桿直徑為73 mm。設(shè)置模型觀測線長度為1 100 mm，距離中心軸線35.94 mm。

2.1.2邊界條件

模型流體：空氣；邊界層類型：湍流；入口設(shè)置質(zhì)量流量：0.009 kg/s，鉆桿旋轉(zhuǎn)速度：180 r/min；出口設(shè)置：靜壓狀態(tài)。

2.1.3結(jié)果分析

通過計算得到模型靜壓分布云圖如圖7 所示，孔壁與鉆桿間隙中模擬介質(zhì)的靜壓數(shù)值如圖8 所示。由圖7、8 可以看出，模型入口到出口鉆具在鉆進過程中氣體壓力在遞減，采用常規(guī)鉆具鉆進時，計算模型入口與出口的壓差為15 Pa，壓差波動小，氣體壓力損耗是由于氣體流通空間的摩擦引起。采用組合阻尼鉆具鉆進時，模型入口與出口壓差為500 Pa，壓差波動大，壓力遞減比較均勻，具有一定規(guī)律性。組合阻尼鉆具阻尼效果優(yōu)于常規(guī)鉆具。

圖7 常規(guī)鉆具與組合阻尼鉆具模型靜壓云圖Fig.7 Static pressure cloud map of conventional drilling tool model and combination damping drilling tool model

圖8 常規(guī)鉆具與組合阻尼鉆具模型觀測線上的靜壓Fig.8 Static pressure on observation line of conventional drilling tools and combined damping drilling tools

2.2 氣體質(zhì)量流量對鉆具阻尼效果的影響

(1)計算模型。模型結(jié)構(gòu)參照圖6(b)，區(qū)別在于模型中入口處的質(zhì)量流量分別設(shè)置為0.009、0.018、0.027、0.036 kg/s，設(shè)置模型觀測線長度為1 100 mm，模型觀測線距離中心軸線均為35.94 mm。

(2)模型方程。模型方程同為標準k-ε模型。

(3)結(jié)果分析。通過計算，得到模型孔壁與鉆桿間隙中模擬介質(zhì)的靜壓數(shù)值，如圖9(a)所示。由圖9(a)可以看出在同一鉆進模型入口處施加不同質(zhì)量流量，通過增加數(shù)值模型入口的氣體質(zhì)量流量來模擬孔底揭露高壓瓦斯富集區(qū)時，瓦斯氣體釋放增多的情況。模擬鉆進過程中，入口處的壓力在很大的情況下，經(jīng)過均勻降壓，在出口處壓力也會達到平穩(wěn)的狀態(tài)，表明孔底組合鉆具具有明顯的阻尼效果，能夠大幅削弱噴孔的氣流壓力，降低了高壓氣流在孔口高速噴出的風(fēng)險。能夠?qū)娍自吹母邏簹怏w降低到安全值。

圖9 模型觀測線上的靜壓Fig.9 Static pressure on observation lines of models

3 孔底組合鉆具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 阻尼鉆桿長度優(yōu)化

(1)計算模型。采用數(shù)值計算的方法對鉆桿長度進行優(yōu)化，其模型結(jié)構(gòu)參照圖6(b)，區(qū)別在于模型中熔涂阻尼鉆桿長度分別設(shè)置為0.25、0.50、0.75、1.00 m，設(shè)置模型觀測線長度為310、560、840、1 060 mm，模型觀測線距離中心軸線均為35.94 mm。

(2)模型方程。模型方程同為標準k-ε模型。

(3)結(jié)果分析。通過計算得到模型孔壁與鉆桿間隙中模擬介質(zhì)的靜壓數(shù)值，如圖9(b)所示。由圖9(b)可得出隨著鉆桿長度增加，其壓降增強，壓降和阻尼鉆桿長度呈正相關(guān)。阻尼鉆桿短，阻尼效果不理想。阻尼鉆桿長，不利于排渣?？紤]現(xiàn)場施工鉆具安裝便捷和鉆機到鉆孔壁的距離，阻尼鉆桿長度設(shè)置為1 m。

3.2 阻尼鉆桿螺紋高度優(yōu)化

(1)計算模型。采用數(shù)值計算的方法對阻尼鉆桿螺紋高度進行優(yōu)化，模型結(jié)構(gòu)參照圖6(b)，區(qū)別在于模型中熔涂阻尼鉆桿螺紋高度分別設(shè)置為2.5、3.0、3.5、4.0 mm，設(shè)置模型觀測線長度為1 000 mm，模型觀測線距離中心軸線為35.94 mm。

(2)模型方程。模型方程同為標準k-ε模型。

(3)結(jié)果分析。通過計算得到模型孔壁與鉆桿間隙中模擬介質(zhì)的靜壓數(shù)值。如圖9(c)所示，阻尼鉆桿熔涂螺紋高度越高，沿程阻尼系數(shù)越大，摩擦風(fēng)阻越大。在不影響正常鉆進和排渣的前提下，阻尼鉆桿螺紋高度盡可能取最大值。

3.3 揭露鉆頭直徑優(yōu)化

(1)計算模型。采用數(shù)值計算的方法對揭露鉆頭直徑進行優(yōu)化，模型結(jié)構(gòu)參照圖6(b)，區(qū)別在于揭露鉆頭直徑分別設(shè)置為73.5、75.0、76.5、78.0 mm，模型觀測線長度為1 000 mm，模型觀測線距離中心軸線分別為35.94、37.44、38.94、40.44 mm。

(2)模型方程。模型方程同為標準k-ε模型。

(3)結(jié)果分析。通過計算得到模型孔壁與鉆桿間隙中模擬介質(zhì)的靜壓數(shù)值，如圖9(d)所示。從圖9(d)中可以看出“降壓間隙”(揭露鉆頭直徑與阻尼鉆桿最大旋轉(zhuǎn)外徑之差)對阻尼效果影響較大。當鉆頭直徑為73.5 mm 與75 mm 時孔內(nèi)靜壓下降最快，都具有較好的阻尼效果。降壓間隙減小到0 時，說明沒有氣體流動。綜合考慮壓降，當鉆頭直徑為73.5 mm 時此時孔內(nèi)降壓間隙合適，其阻尼效果最好。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

4.1 試驗地點概況

工業(yè)性試驗地點為山西焦煤集團有限責(zé)任公司屯蘭礦8 號煤層18407 軌道巷，2011 年礦井被鑒定為煤與瓦斯突出礦井，8 號煤層平均厚度2.74 m,工作面沿8 號煤層頂板回采，8 號煤層瓦斯含量在10.35～13.41 m3/t，是開采煤層瓦斯的主要來源[23]，工作面走向長2 096 m，采長235 m，煤層整體向南西傾斜，煤層傾角0°～7°。

屯蘭礦8 號煤上覆K2 灰?guī)r下方為0.15 m 厚煤層，L4 灰?guī)r下方為0.75 m 厚煤層，瓦斯以游離狀態(tài)存在于煤體和周圍巖體的裂縫空隙之中，K2 灰?guī)r和L4灰?guī)r局部存在高壓瓦斯富集區(qū)或高壓溶洞瓦斯，使用礦上現(xiàn)有常規(guī)鉆具，在8 號煤施工裂隙帶穿層抽采鉆孔時易發(fā)生瓦斯噴孔超限事故，由于常規(guī)鉆具無法削弱孔內(nèi)噴出瓦斯的壓力，導(dǎo)致高壓瓦斯沿常規(guī)孔口防噴裝置向巷道溢散，從而造成瓦斯超限。

4.2 工業(yè)性試驗方案

基于孔底組合鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔施工裝備，孔底組合阻尼鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)為：揭露鉆頭直徑73.5 mm，熔涂阻尼鉆桿直徑73 mm(鉆桿中心桿體直徑65 mm、熔涂螺紋高度4 mm)，擴孔鉆頭直徑113 mm，如圖10 孔底組合阻尼鉆具所示。

圖10 工業(yè)性試驗孔底組合阻尼鉆具Fig.10 Industrial test hole bottom combined damping drill

在18407 軌道巷頂板使用ZDY4000L 鉆機，采用風(fēng)水聯(lián)動打鉆，施工方位角45°、傾角25°和方位角35°、傾角20°這2 種鉆孔。25°傾角鉆孔如圖11 所示。

圖11 工業(yè)性試驗25°傾角鉆孔示意Fig.11 Schematic diagram 25° of industrial test drilling

4.3 工業(yè)性試驗結(jié)果分析

在鉆進工業(yè)性試驗過程中，使用孔底組合阻尼鉆具，累計有效鉆進時間為22 d，共完成22 個鉆孔，累計鉆進深度為2 200 m。使用效果具體分析如下：

(1)使用礦上鉆具供水閥門開度為半開，孔口渣水氣混合體為噴出狀，使用孔底組合阻尼鉆具供水閥門開度為全開，孔口渣水氣混合體為流出狀，表明組合阻尼鉆具對孔底流體有明顯的阻尼作用，在鉆入瓦斯富集區(qū)時同樣對噴出的瓦斯具有阻尼作用。

(2)從鉆進速度來看，礦上現(xiàn)使用鉆具平均鉆進速度為0.5 m/min，應(yīng)用組合阻尼鉆具平均鉆進速度約為0.48 m/min，鉆進速度略有降低，表明組合阻尼鉆具對孔底排出的流體具有阻尼作用。

(3)正常鉆進情況下，巷道內(nèi)瓦檢儀數(shù)值為0～0.10%，使用孔底組合阻尼鉆具鉆進，施工61 號孔時，巷道內(nèi)瓦檢儀數(shù)值由0.11%上升到0.36%，施工69 號孔時，巷道內(nèi)瓦檢儀數(shù)值由0.09%上升到0.41%，鉆孔均揭露到高壓瓦斯富集區(qū)時，孔口處檢測到2 次明顯瓦斯波動現(xiàn)象，但未形成噴孔，表明孔底組合阻尼鉆具削弱瓦斯噴出壓力作用顯著。

5 結(jié)論

(1)通過降低高壓瓦斯富集區(qū)揭露面積降低瓦斯噴出量，基于氣流阻力力學(xué)方程定量分析，孔底組合阻尼鉆具的阻尼效果隨阻尼鉆桿的螺紋高度和阻尼鉆桿長度成線性增加；阻尼鉆桿直徑不變的情況下，揭露鉆頭直徑?jīng)Q定著“降壓間隙”的大小，“降壓間隙”越小阻尼效果越好，阻尼鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)綜合考慮降壓間隙、巷道空間尺寸、鉆機結(jié)構(gòu)等因素。理論上增大阻尼鉆桿螺紋高度可以提高沿程阻力系數(shù)，增加氣體流動通道的阻力，增強阻尼效果，可以將孔底涌出瓦斯的壓力降低到初始的25%以下。

(2)通過數(shù)值模擬，孔底組合阻尼鉆具在鉆進過程中，能夠使噴孔產(chǎn)生的氣流動力不斷削弱，降低了高壓氣流在孔口高速噴出的風(fēng)險，阻尼效果優(yōu)于常規(guī)鉆具，數(shù)值模擬優(yōu)化后的組合阻尼鉆具結(jié)構(gòu)為揭露鉆頭直徑為73.5 mm，阻尼鉆桿直徑為73 mm(鉆桿中心桿體直徑65 mm、熔涂螺紋高度4 mm)，擴孔鉆頭直徑為113 mm。

(3)通過使用常規(guī)鉆具和孔底組合阻尼鉆具在屯蘭礦進行工業(yè)性試驗，使用常規(guī)鉆具在8 號煤施工抽采鉆孔易發(fā)生瓦斯噴孔超限，使用孔底組合阻尼鉆具在8 號煤施工抽采鉆孔，施工61 號孔，巷道內(nèi)瓦檢儀數(shù)值由0.11%上升到0.36%，施工69 號孔，巷道內(nèi)瓦檢儀數(shù)值由0.09%上升到0.41%，未形成噴孔，2 次瓦斯波動現(xiàn)象表明孔底組合阻尼鉆具能夠有效降低瓦斯噴出強度。