陶粒置換泥漿法下管技術(shù)研究

張義俊，余大有，夏紅兵，張 雷，鄭應(yīng)鍵

(1．安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001;2．安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，安徽 淮南 232035)

近幾年來，越來越多的煤礦，采取大口徑瓦斯抽排井作為防治瓦斯災(zāi)害和合理利用瓦斯的主要方法[1－2］。隨著開采的深度越來越大，相應(yīng)瓦斯抽排井工作管長度越來越長，工作管的重量已經(jīng)大大超過了目前鉆井機(jī)械的起吊能力。因此，人們提出了很多減輕鉆塔吊載的方法，較常用的浮力法下管技術(shù)。浮力法下管技術(shù)[3－6］在工作管內(nèi)充入空氣，置換泥漿，來減輕吊載，分為單塞浮力法和雙塞浮力法。由于下管深度的增大，單塞浮力法中的空氣柱長度會(huì)隨著泥漿壓力的變大而變短，空氣柱所提供的浮力變小，鉆塔的吊載減輕不明顯。雙塞下管時(shí)，兩塞間的空氣柱體積不變，但下管結(jié)束時(shí)，上塞排氣速度難以控制，造成泥漿管噴現(xiàn)象;當(dāng)鋼管上段空管(未充入泥漿)的高度較大時(shí)，管內(nèi)外壓差較大，發(fā)生癟管事故。基于以上原因，本文提出了一套以陶粒作為浮管材料來減輕鉆塔吊載的下管方法(已申請(qǐng)發(fā)明專利)，以期實(shí)現(xiàn)安全下放大口徑瓦斯抽排管。

1 癟管原因分析

淮南礦業(yè)集團(tuán)某礦下瓦斯抽排管，采用單塞浮力法，總管深580m。當(dāng)下管深度達(dá)到565m時(shí)，發(fā)生癟管[7－9］事故。所用管材為 Q235 鋼材，φ630 mm ×14mm，上部未注漿的空管段長度為160m，泥漿密度取1 150kg/m3，拉力表讀數(shù)為500kN。

160m空管的浮力，方向向上，為

式中:D為鋼管外徑。

代入計(jì)算參數(shù)可得:F=573.3kN。

160m空管的重量，方向向下，為

式中:t為鋼管壁厚。

代入計(jì)算參數(shù)可得:G=345.6kN。

吊鉤顯示拉力為 T，方向向上(見圖1)，T=500kN。由力的平衡

圖1 套管160米處截面受力狀態(tài)

代入計(jì)算參數(shù)，得到160m截面處的拉力為L=727.7kN。

對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力為

代入計(jì)算參數(shù)，得160m截面處σ1=26.28MPa，將取σ1為最大主應(yīng)力。

取泥漿的密度為1 150kg/m3，壓差最大在160m處，內(nèi)外壓差為

計(jì)算得到套管160m處的內(nèi)外壓差為p=1.84MPa，對(duì)應(yīng)的環(huán)向壓應(yīng)力為

計(jì)算得到σ3=－41.4 MPa，將σ3取為最小主應(yīng)力。

首先，按第三強(qiáng)度理論

式中:n為安全系數(shù)，對(duì)于長圓筒一般取1.25;σs=235MPa。

可以得到:σ1－σ3=67.68MPa，[σ］=188MPa，因此，(σ1－σ3)＜[σ］。管材受到的應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，此時(shí)管材未屈服，因此不屬于壓力作用下的屈服破壞。

其次，將套管視作環(huán)向外壓作用下的失穩(wěn)計(jì)算，由外壓作用下的工作管的穩(wěn)定條件[3］

式中:p為環(huán)向外壓;m為長圓筒穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)于明管一般取3;[p］為管材徑向均布外壓許用值;Pcr為臨界壓力。

式中:μ=0.3;E為Q235鋼管的彈性模量。

將t、D、E、μ 代入上式，計(jì)算得到pcr=5.42MPa，[P］=5.42/3=1.807MPa。而此時(shí)160m空管的最大外壓為1.84MPa，大于臨界應(yīng)力1.807MPa，因此發(fā)生癟管。

2 陶粒抗圍壓試驗(yàn)

陶粒由頁巖與粘土煅燒而成[10－12］，陶粒的外觀特征大部分呈圓形或橢圓形球體，它的表面是一層堅(jiān)硬的外殼，這層外殼呈陶質(zhì)或釉質(zhì)，具有隔水保氣作用，并且賦予陶粒較高的強(qiáng)度。陶粒具有以下優(yōu)點(diǎn):密度輕:陶粒的堆積密度小于900 kg/m3，分為超輕陶粒(200～300kg/m3)、普通(結(jié)構(gòu)保溫)陶粒(500～700 kg/m3)、高強(qiáng)陶粒(700～900 kg/m3);耐久性好，強(qiáng)度大:粉煤灰陶粒的耐久性主要表現(xiàn)在抗凍性、吸水率、安定性、軟化系數(shù)等方面，用粉煤灰陶粒制造的混凝土比用天然石料生產(chǎn)的混凝土強(qiáng)度大;適應(yīng)性強(qiáng):根據(jù)各地資源條件不同，可分別采用黏土、頁巖、粉煤灰或其他固體廢棄物生產(chǎn)陶粒，根據(jù)用途不同和市場需要，可以生產(chǎn)不同堆積密度和粒度的陶粒產(chǎn)品，也可生產(chǎn)有特殊用途的陶粒，如耐高溫陶粒、耐酸陶粒和花卉陶粒等。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

抗圍壓試驗(yàn)壓力罐(內(nèi)腔直徑300 mm、深500mm)，手動(dòng)油泵和0～6 MPa量程壓力表如圖2所示。

圖2 抗圍壓試驗(yàn)壓力罐和手動(dòng)油泵

2.2 陶粒試樣

本次試驗(yàn)選用陶粒普通陶粒，粒徑為10～20 mm，其堆積密度為500 kg/m3，筒壓強(qiáng)度為1.6MPa(見圖3)。

圖3 陶粒試樣(試驗(yàn)前)

2.3 試驗(yàn)步驟

1)將普通陶粒涂抹高耐候性外墻乳膠涂料當(dāng)做防油層，再將普通陶粒試樣做封皮處理，目的是防止試樣在壓力罐中受壓時(shí)，液壓油進(jìn)入試樣中。

2)將做好防油層封皮的試塊放入抗圍壓試驗(yàn)壓力罐，蓋上法蘭盤，對(duì)好螺絲孔，擰緊所有螺栓;安裝好壓力表(0～6 MPa)，把手動(dòng)油泵的輸油管連接于壓力表和油泵;檢查個(gè)螺絲桿是否擰緊，檢查壓力表、輸油管、油泵相互之間連接處是否擰緊;最后，使用手動(dòng)油泵慢慢加壓，并觀察壓力表讀數(shù)的變化過程，記錄壓力表讀數(shù)(見圖4)。

圖4 試樣放入壓力罐、蓋上法蘭盤

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù) 試驗(yàn)完畢后，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。分別拆開陶粒試樣1、2、3，試驗(yàn)1、2已經(jīng)發(fā)生破壞，并隨著壓力增加，破壞越明顯。三個(gè)試樣的防油層封皮拆完之后的狀態(tài)如圖5所示。

表1 陶?？箛鷫涸囼?yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖5 陶粒試樣1、2、3的承壓后的破壞狀態(tài)

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析 每次試驗(yàn)液壓表讀數(shù)由最大降低到最低的原因在于:①試樣的體積收縮，造成壓力罐中液壓油的體積相對(duì)增大，壓強(qiáng)變小;②壓力罐的罐體膨脹，壓力罐中液壓油的體積相對(duì)增大，壓強(qiáng)變小。

陶粒試樣1、2都已經(jīng)發(fā)生破壞，試樣1中的陶粒絕大部分發(fā)生整體破壞，近一半發(fā)生粉碎性破壞;試樣2發(fā)生顆粒局部破壞，但還具有完整的穩(wěn)定性和強(qiáng)度;試驗(yàn)3外觀依然保持完好，強(qiáng)度和穩(wěn)定性也和承壓之前相同。分析陶粒試樣1、2的破壞原因，得出的結(jié)果是:當(dāng)最大壓力為3.2 MPa時(shí)，壓力已經(jīng)超出了陶粒破壞強(qiáng)度極限，陶粒之間相互擠壓，導(dǎo)致絕大部分陶粒整體碎裂;當(dāng)最大壓力為2.9MPa時(shí)，壓力接近陶粒的破壞極限，并且由于陶粒的形狀的不規(guī)則，其表面的尖突點(diǎn)與相鄰陶粒的平滑位置相互擠壓，導(dǎo)致尖突位置的高耐候性外墻乳膠涂料防油層脫落，其整體穩(wěn)定并沒有發(fā)生變化;當(dāng)最大壓力為2.7MPa時(shí)，壓力小于陶粒破壞極限，陶粒之間雖發(fā)生相互擠壓，但是其并沒有發(fā)生任何破壞，說明陶粒的抗圍壓強(qiáng)度不小于2.4MPa。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

山西省柳林縣某煤礦瓦斯抽排井孔下管，孔深為830m，工作管尺寸為Φ830 mm×18 mm，工作管總重為3 037 kN，但是起吊設(shè)備最大提重不超過800kN，超出負(fù)荷2 237kN。因此，采用雙塞自平衡下管法和陶粒置換上部管內(nèi)泥漿發(fā)下管。泥漿密度取1 200kg/m3(見圖6)。

圖6 山西某煤礦瓦斯抽排井孔下管

為確保陶粒與泥漿隔離，先將陶粒裝入塑料袋內(nèi)，并扎好口;為防止施工中損壞塑料袋，再外套編織袋，并扎上口;為阻止陶粒袋在工作管中上浮，用鐵絲在鋼管內(nèi)設(shè)置三角形阻攔索。

考慮到下管施工中孔壁與工作管的摩阻力，為了安全起見，將下管施工時(shí)鉆塔的起吊最大負(fù)荷設(shè)定為600kN。以600 kN承重，計(jì)算出鉆機(jī)承受最大工作管長度為190m。根據(jù)以往下管的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)上部空管段超過160m時(shí)，發(fā)生癟管現(xiàn)象，為此上部空管段控制在100m。因此在下管190m至370m之間采用雙塞自平衡浮力法下管，370m至530m段采用注滿泥漿，530m至730m采用放入直徑750袋裝普通陶粒，并且陶粒袋和管壁之間注滿泥漿，730m至830m段采用空管段(不注泥漿)。陶?？偢×?18kN，經(jīng)計(jì)算共需陶粒88m3，每節(jié)管材最多放置4m3，在第54節(jié)鋼管內(nèi)放入袋裝陶?！，F(xiàn)場所用陶粒袋為直徑760 mm、高1 000 mm的圓柱體，由工廠定制，每袋陶粒重2.9kN。

當(dāng)所有工作管下完時(shí)，使用Φ750 mm鉆頭將工作管內(nèi)固定陶粒袋的阻攔索以及固定鐵絲的螺母掃掉，然后取出漂浮在工作管內(nèi)的袋裝陶粒。

4 結(jié)論

1)雙塞下管，管材破壞按長管失穩(wěn)計(jì)算，安全系數(shù)m值取3，計(jì)算出的失穩(wěn)載荷與現(xiàn)場載荷一致。

2)通過對(duì)普通陶粒的抗圍壓試驗(yàn)研究，普通陶粒的抗圍壓強(qiáng)度不小于2.4 MPa，對(duì)應(yīng)泥漿中的最大放置深度為200m。

3)現(xiàn)場應(yīng)用表明，陶粒置換管內(nèi)泥漿，減輕鉆塔負(fù)載，效果較好。

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