瓦斯抽采鉆孔反循環(huán)氣力排屑數(shù)值模擬*

韓曉明，李佳良

(河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作454000)

0 引言

目前，在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井和無保護層的單一突出煤層的礦井中，進行順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是防止煤巷掘進和煤層回采過程中瓦斯突出的主要措施[1]。然而，由于現(xiàn)用的氣力正循環(huán)和螺旋輸送的排屑方式存在環(huán)空輸送阻力大、煤屑容易沉淀堆積、鉆桿受力復(fù)雜多變易疲勞等弊端，當(dāng)煤屑沿鉆桿與煤壁之間的環(huán)形空腔排出時，容易造成煤屑堵塞鉆孔、卡鉆等事故，導(dǎo)致瓦斯抽采鉆孔成孔深度淺，成孔率低[2-3]。為了解決上述問題，喬慧麗等[4]設(shè)計了開閉式反循環(huán)鉆頭并結(jié)合全程篩管下放和反循環(huán)鉆進2種工藝，提高了成孔深度和成孔率；韓曉明等[5]發(fā)明了全封閉風(fēng)力排渣抽放瓦斯深孔鉆進系統(tǒng)及方法；張輝等[6]研制了一套泵吸反循環(huán)鉆進系統(tǒng)并進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)泵吸反循環(huán)鉆進可以有效的防止“鉆渣三區(qū)”的形成，解決了巷道底板錨索孔快速深孔鉆進的難題，凈化了作業(yè)環(huán)境；張宏圖、溫志輝、魏建平[7-10]等將負壓反循環(huán)排渣定點取樣技術(shù)用于煤層瓦斯含量的測定，研發(fā)了顆粒煤瓦斯負壓-負壓轉(zhuǎn)常壓解吸實驗系統(tǒng)，并對其進行了數(shù)值模擬與試驗研究，提高了采樣效率。反循環(huán)排屑的應(yīng)用可以提高瓦斯抽采鉆孔的成孔深度與成孔率，但是不當(dāng)?shù)牟僮鳁l件容易導(dǎo)致煤屑堵塞鉆孔影響排屑效率，因此本文采用CFD-DEM耦合方法對瓦斯抽采鉆孔反循環(huán)氣力排屑過程進行數(shù)值模擬，研究排屑氣速、煤屑生成量對氣力排屑性能和氣力排屑系統(tǒng)壓降的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

瓦斯抽采鉆孔反循環(huán)氣力排屑裝置示意如圖1所示，由鉆機、鉆桿、鉆頭、分離器、真空泵組成?？諝庋劂@桿與煤壁之間的環(huán)形空腔進入鉆孔，在孔底位置空氣裹挾著煤屑形成氣固兩相流從鉆頭孔進入鉆桿，在旋風(fēng)分離器內(nèi)完成空氣和煤屑的分離，由真空泵提供動力。

圖1 瓦斯抽采鉆孔反循環(huán)氣力排屑裝置示意Fig.1 Schematicsketch of reverse circulation pneumatic chip removal in gas drainage borehole

在瓦斯抽采鉆孔反循環(huán)氣力排屑過程中，空氣作為輸送介質(zhì)，被當(dāng)作連續(xù)相處理，使用CFD求解器進行求解；煤屑作為輸送物料，按照離散相處理，使用DEM求解器進行計算，因此，在CFD-DEM中采用歐拉-拉格朗日模型對空氣和煤屑形成的氣固兩相流進行描述，空氣與煤屑之間通過動量交換實現(xiàn)耦合。

在CFD中，空氣采用Navier-Stokes方程求解[11]，質(zhì)量守恒方程與動量守恒方程分別為：

(1)

(2)

式中：ρa為空氣的密度；ua為空氣的速度；g為重力加速度；μa為空氣粘度；S為空氣與煤屑間的能量交換。

(3)

式中：ΔV為單位體積；fd為空氣動力阻力。

在DEM中，煤屑的移動與轉(zhuǎn)動遵循牛頓第二運動定律[12]。

(4)

(5)

式中：mci，Ici分別為煤屑i的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量；uci，ωci分別為煤屑i的速度與角速度；Gci，F(xiàn)c分別為煤屑的重力和煤屑之間的接觸力；Fc-a為空氣與煤屑之間的相互作用力；Tci為作用于煤屑i表面的旋轉(zhuǎn)力矩矢量。

在CFD中首先計算出鉆桿內(nèi)空氣的流場數(shù)據(jù)，并將流場信息傳遞給DEM，DEM根據(jù)流場信息計算出煤屑間的接觸碰撞、受力、位置，并將煤屑的運動信息傳遞給CFD，從而完成一次耦合計算[13]，在相應(yīng)的計算時間內(nèi)，通過多次耦合計算完成瓦斯抽采鉆孔反循環(huán)氣力排屑過程的數(shù)值模擬。

2 計算模型與求解器設(shè)置

在實際瓦斯抽采鉆孔施工過程中，常常需要根據(jù)鉆孔的深度采用不同長度的鉆桿。由于計算條件有限，本文采用長L=1 800 mm， 內(nèi)孔直徑D=60 mm的鉆桿模型，如圖2所示。在ICEM中采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對鉆桿模型劃分網(wǎng)格，重力加速度方向沿Z方向大小為9.81 m/s2，鉆孔為沿Y方向的水平鉆孔；采用直徑d=1 mm的球型顆粒創(chuàng)建煤屑模型。

圖2 鉆桿模型Fig.2 Drill pipeline model

在CFD中，采用基于壓力求解器，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，為了研究排屑氣速對排屑性能的影響，采用速度入口和壓力出口，并采用有限體積法對控制方程進行離散化，時間步長為1×10-3s；在DEM中設(shè)置煤屑生成方式動態(tài)/無限制，并設(shè)置煤屑的初始速度為0 m/s，時間步長為2×10-5s；在CFD-DEM耦合計算中，采用歐拉-拉格朗日計算模型。其余數(shù)值模擬參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)Table 1 Numerical simulation parameters

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 排屑氣速的影響

對煤屑生成速率為10 000個/s，排屑氣速分別為4.2，5.6，7.0，8.4，9.8，11.2，12.6和14.0 m/s時的氣力排屑過程進行了模擬，如圖3所示。

圖3 2 s時不同氣速下煤屑在鉆桿內(nèi)的分布Fig.3 Distribution of coal chip in drill pipeline with different gas velocity at 2 s

結(jié)果表明，當(dāng)氣速低于7.0 m/s時，煤屑經(jīng)過短暫的加速后出現(xiàn)了減速的現(xiàn)象，并在重力的作用下在鉆桿底部堆積，以較低的速度沿鉆桿底部滑移；氣速為8.4 m/s時，煤屑開始以懸浮狀分布在鉆桿內(nèi)，主要分布在鉆桿的下半部，煤屑的速度無明顯的變化；當(dāng)氣速達到11.2 m/s時，煤屑呈現(xiàn)完全懸浮狀并分布于整個鉆桿，煤屑在氣流的作用下逐漸被加速。因此，為確保煤屑順利排出鉆桿，避免鉆桿堵塞，需要較大的排屑氣速。

CDF-DEM數(shù)值模擬的優(yōu)勢在于不僅可以觀測到煤屑顆粒的運動信息，而且可以獲取煤屑-煤屑之間，煤屑-鉆桿之間的碰撞信息[14]，0～2 s內(nèi)不同排屑氣速下煤屑-煤屑，煤屑-鉆桿之間的碰撞次數(shù)經(jīng)統(tǒng)計后如圖4所示。當(dāng)氣速低于7.0 m/s時，煤屑-煤屑，煤屑-鉆桿的碰撞劇烈，而且煤屑-煤屑的碰撞構(gòu)成了碰撞的主要部分；隨著氣速的增大，碰撞次數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定，此時，煤屑-鉆桿的碰撞成為了主要部分。

圖4 不同氣速下煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞次數(shù)Fig.4 Number of coal-coal and coal-drill pipeline collision with different gas velocity

為了研究煤屑在不同氣速下的加速程度，對鉆桿內(nèi)不同氣速作用下煤屑平均速度與排屑氣速的比值進行了分析，該比值用V*表示，其變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同氣速下煤屑平均速度與排屑氣速的比值Fig.5 Ratio of average coal chipvelocity to gas velocity with different gas velocity

當(dāng)氣速較低時，煤屑的平均速度遠小于氣速，隨著氣速的增大，煤屑平均速度與氣速的比值逐漸增大，煤屑的平均速度大約可以達到氣速的0.6倍，但煤屑的平均速度與入口氣速的比值增長緩慢。這是由于當(dāng)排屑氣速較低時，空氣無力輸送煤屑，煤屑大量堆積于管道底部，受到來自煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞摩擦影響較大，導(dǎo)致煤屑的平均速度遠低于氣速；隨著氣速的增加，煤屑逐漸由堆積狀向懸浮狀轉(zhuǎn)變，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞次數(shù)減少，煤屑逐漸被加速，其平均速度與氣速的比值增大；隨排屑氣速的進一步增大，煤屑處于完全懸浮狀，煤屑在鉆桿內(nèi)分布均勻，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞對煤屑的運動雖有影響但影響甚微，煤屑主要在空氣的曳力下加速，所以煤屑的平均速度與入口氣速的比值變化平穩(wěn)。

3.2 煤屑生成量的影響

在瓦斯抽采鉆孔的過程中，煤屑生成量與鉆桿鉆速成正比，因此對不同煤屑生成量進行數(shù)值模擬是必要的。在排屑氣速為11.2 m/s的條件下，分別模擬了煤屑生成速度10 000，20 000，30 000和40 000個/s的氣力排屑過程。并監(jiān)視了0～1.5 s內(nèi)鉆桿出口處煤屑的質(zhì)量流率，如圖6所示。在不同的煤屑生成量下，煤屑均在0.2～0.3 s之間首先到達鉆桿出口；盡管不同煤屑生成量下煤屑的質(zhì)量流率呈波動變化，但是波動相對平穩(wěn)。

圖6 鉆桿出口處煤屑的質(zhì)量流率Fig.6 Mass flow rate of coal chip at drill pipeline outlet

進出口煤屑質(zhì)量流率可以表征氣力排屑的性能，為避免煤屑未到達鉆桿出口對平均質(zhì)量流率的影響，本文統(tǒng)計了0.5～1.5 s穩(wěn)定排屑階段鉆桿出口煤屑平均質(zhì)量流量。經(jīng)統(tǒng)計，不同煤屑生成速率下鉆桿進出口煤屑的平均質(zhì)量流率變化情況如圖7所示。

圖7 進出口煤屑質(zhì)量流率Fig.7 Mass flow of inlet and outlet

可以看出，在不同煤屑生成速率下，出口煤屑質(zhì)量流率與入口煤屑質(zhì)量流率基本相同，煤屑生成量與排出量達到了動態(tài)平衡，這說明氣速為11.2 m/s時，煤屑生成量對氣力排屑性能影響不大。對此過程中煤屑-煤屑，煤屑-鉆桿之間的碰撞次數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同煤屑生成速率下煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞次數(shù)Fig.8 Number of coal-coal and coal-drill pipeline collision with different coal chipgeneration rate

結(jié)果表明，隨著煤屑生成速率的增大，鉆桿內(nèi)煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞次數(shù)急劇增加，這是由于隨著鉆桿內(nèi)煤屑數(shù)目的增大，煤屑的體積分數(shù)增大，孔隙率降低，氣體無法為煤屑提供足夠大的升力來保持煤屑顆粒懸浮，煤屑顆粒由懸浮狀逐漸向鉆桿底部沉降，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞頻繁。這說明，在入口氣速一定的情況下，存在一個最大煤屑生成量，當(dāng)超過這個最大生成量時，煤屑會在鉆桿內(nèi)堆積，導(dǎo)致排屑困難、鉆桿堵塞。

3.3 反循環(huán)氣力排屑系統(tǒng)壓降

在氣力排屑系統(tǒng)中，流場壓降常被用來表征氣力排屑系統(tǒng)的能量消耗，流場壓降隨排屑氣速、煤屑生成量的變化規(guī)律如圖9～10所示。

圖9 壓降隨排屑氣速的變化Fig.9 Change of pressure drop with gas velocity

圖10 壓降隨煤屑生成速率的變化Fig.10 change ofpressure with coal chip generation rate

可以看出，流場壓降與排屑氣速、煤屑顆粒生成速率均呈正相關(guān)。隨著氣速的增大，盡管煤屑顆粒以懸浮狀在鉆桿內(nèi)運動，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿間的碰撞較小，但煤屑速度不斷增大，流場壓降大部分轉(zhuǎn)化為煤屑的動能，所以在較高氣速下，流場的能量消耗仍然很大。在以往的研究中[15]，氣速與壓降的關(guān)系可作為區(qū)別稀相輸送和濃相輸送的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)壓降隨入口氣速增大而變大可知，該氣力排屑系統(tǒng)在此模擬工況下屬于稀相輸送。結(jié)合不同入口氣速下煤屑在鉆桿內(nèi)的分布，在保證煤屑顆粒順利排出鉆桿的前提下，為避免入口氣速過高而導(dǎo)致氣力排屑系統(tǒng)額外的能量損耗，因此，在當(dāng)前水平鉆孔鉆桿模型下，當(dāng)煤屑生成速度為10 000個/s時，最佳入口氣速為11.2 m/s。隨著煤屑生成量增大時，煤屑除了從流場獲得動能外，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿間的碰撞和摩擦壓損也消耗了大量的流場能量，因此流場壓降隨著煤屑生成速率的增大而增大。

4 結(jié)論

1)排屑氣速較低時，空氣無力輸送煤屑，煤屑易在鉆桿內(nèi)部沉積，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿間的碰撞劇烈，不利于排屑；隨著氣速的增大，煤屑呈懸浮狀分布在鉆桿內(nèi)，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿間的碰撞明顯減少。因此，為保證排屑順利，防止鉆桿堵塞，需要較大的排屑氣速。

2)排屑氣速為11.2 m/s時，煤屑的生成量對氣力排屑性能影響不大；但是，隨著鉆桿內(nèi)煤屑數(shù)目的增多，煤屑的體積分數(shù)增大，孔隙率降低，空氣無法為煤屑提供足夠大的升力來保持煤屑懸浮，煤屑由懸浮狀逐漸向鉆桿底部沉降，煤屑-煤屑、煤屑-鉆桿的碰撞增加，當(dāng)煤屑生成量足夠大時，煤屑在鉆桿內(nèi)堆積，導(dǎo)致鉆桿堵塞。

3)流場壓降與排屑氣速、煤屑生成量呈正相關(guān)。綜合考慮能耗因素，在當(dāng)前鉆桿模型下，當(dāng)煤屑顆粒生成速度為10 000個/s時，對于水平鉆孔最佳入口氣速為11.2 m/s。在實際施工中為達到最佳排屑效果，避免不必要的能耗，要選用合適的排屑氣速和鉆桿鉆速。