馬國芳,李東民 ,2,萬祖保,李 佳
(1.山東科技大學(xué) 機(jī)電工程系,山東 泰安 271000;2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310000;3.陜西中太能源投資有限公司 朱家峁煤礦,陜西 榆林 719000)
在松軟突出煤礦開采的過程中,瓦斯突出是影響開采的災(zāi)害之一,通過施工鉆孔可以將煤層中的瓦斯提前抽采出來,保證煤礦的安全生產(chǎn)。肋骨鉆桿配合風(fēng)力排渣是一種十分適合在松軟突出煤層中鉆孔的方法,但是這一方法仍然存在著排渣能力不足的問題[1]。在鉆進(jìn)過程中,煤渣會(huì)逐漸在其排渣通道內(nèi)積累并將排渣通道阻塞,最終導(dǎo)致卡鉆現(xiàn)象,所以排渣技術(shù)是長鉆孔成孔的關(guān)鍵[2]。為了提高長鉆孔的成孔率,避免卡鉆的發(fā)生,針對(duì)肋骨鉆桿水平鉆進(jìn)過程中的風(fēng)力排渣機(jī)理進(jìn)行分析,找出肋骨鉆桿排渣過程中存在的問題并提出合理的解決方案。
肋骨鉆桿的為中部空心,適合高壓流體通過,在鉆桿的外表面有一圈扁平的葉片,這樣的結(jié)構(gòu)使肋骨鉆桿相比外平鉆桿的純流體排渣多了一種機(jī)械排渣方式[3]。在肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中,流體排渣與機(jī)械排渣相互配合:當(dāng)排渣通道未發(fā)生煤渣阻塞時(shí),排渣的方式主要為流體帶動(dòng)煤渣排出孔外;當(dāng)排渣通道發(fā)生阻塞時(shí),流體排渣方式暫時(shí)失效,肋骨鉆桿可以利用螺旋葉片對(duì)煤渣進(jìn)行推移的方式對(duì)阻塞段進(jìn)行疏通[4]。所以風(fēng)力排渣是肋骨鉆桿的最主要的排渣方式[5]。
肋骨鉆桿在水平鉆孔的過程如圖1,煤渣顆粒將在鉆桿葉片與外部高壓流體的協(xié)同作用下從鉆桿與孔壁之間形成的空隙排出。在煤渣的氣力排渣過程中,雖然煤渣本身為單個(gè)顆粒,但是煤渣顆粒總是以群的形式存在,因此真正有實(shí)際意義的物料臨界速度值是顆粒群的臨界速度[6]。對(duì)L 段煤渣顆粒群進(jìn)行受力分析,建立排渣過程中煤渣顆粒群的力學(xué)模型。
圖1 煤渣顆粒受力示意圖Fig.1 Force of slag particle
在實(shí)際排渣過程中的高壓流體有一定的黏性,將煤渣看作球體,當(dāng)流體與煤渣顆粒接觸時(shí),會(huì)在煤渣的表面形成1 層附面層,煤渣受到的壓力則與流體在附面層上的速度梯度分布以及脫離狀態(tài)相關(guān),附面層的形成與煤渣顆粒的尺寸、流體的速度、密度以及黏性相關(guān)。除此之外,煤渣顆粒還受到高壓空氣的切向摩擦應(yīng)力,以上2 部分應(yīng)力積分的總和就是流體對(duì)煤渣顆粒的作用力F[7],在實(shí)際應(yīng)用中,F(xiàn) 常表示為式(1)的形式:
式中:C 為阻力系數(shù);A 為煤渣顆粒群最大迎流面積,m2;ρα為高壓氣體的密度,kg/m3;vre為煤渣顆粒群與流體的相對(duì)速度,m/s。
由于煤渣顆粒群在輸送過程中處于懸浮狀態(tài),采用懸浮沉降狀態(tài)下的阻力系數(shù)Cn進(jìn)行代替,處于同一阻力區(qū)的阻力系數(shù)的換算關(guān)系如式(2):
式中:vn為煤渣顆粒的懸浮速度;K 為阻力與雷諾數(shù)關(guān)系式中的待定系數(shù)。
將式(2)代入式(1)可得:
式中:qf為單位時(shí)間煤渣顆粒群輸送質(zhì)量,kg/s;vf為煤渣顆粒群輸送速度,m/s;Ll為段的長度,m;g為重力加速度,g=9.81 m/s2。
煤渣顆粒群在運(yùn)動(dòng)過程中除了受氣動(dòng)推力,還會(huì)受到孔壁的阻力,阻力Tf的計(jì)算公式如式(4):
式中:△p 為 L 段壓差;λ 為煤渣顆粒群的阻力系數(shù);ρf為輸送過程中懸浮狀態(tài)下煤渣顆粒群密度,kg/m3;D 為孔腔直徑,m;vs為煤渣顆粒群的輸送速度,m/s。
當(dāng)煤渣處于懸浮狀態(tài)并勻速輸送時(shí),根據(jù)牛頓第二定律可得:
式中:M 為 L 段煤渣顆粒群質(zhì)量,kg;FW為 L 段煤渣顆粒群質(zhì)量力,N。
將式(3)和式(4)代入式(5),且由于是水平方向鉆孔,質(zhì)量在水平方向作用力為0,得煤渣顆粒群運(yùn)動(dòng)方程為:
式中:V 為氣流速度,m/s。
根據(jù)井下現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù),φ73 mm 肋骨鉆桿配合φ90 mm 的鉆頭形成的孔徑的平均直徑為93.5 mm,鉆桿的葉片高度為5 mm,葉片寬度為18 mm,螺距為96 mm。根據(jù)以上參數(shù)求得排渣通道實(shí)際過流面積為5.957×10-3m2,實(shí)際過流濕周周長為0.558 m,特征長度為0.042 7 m。當(dāng)使用風(fēng)力作為排渣介質(zhì)時(shí),排渣通道正常風(fēng)速一般在10 m/s 以上,求得雷諾數(shù)Re≥500,處于牛頓慣性阻力區(qū),確定煤渣顆粒群運(yùn)動(dòng)方程如式(7):
當(dāng)煤渣顆粒群在流體作用力F 與孔壁阻力Tf同時(shí)作用下達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),為求煤渣顆粒群的速度大小,令dvs/dt=0,得:
根據(jù)氣體輸送理論,考慮到孔腔空間限制,煤渣顆粒形狀為不規(guī)則,對(duì)所得的煤渣顆粒懸浮速度vn采用有效界面系數(shù)和形狀系數(shù)Ks進(jìn)行修正,修正的為如式(9):
式中:df為煤渣顆粒直徑,m;d 為鉆桿直桿。
煤渣顆粒群密度ρf是一個(gè)與氣固比m 有關(guān)的量,ρf=m(ραV)/vs,查閱資料得氣固比與最小風(fēng)速之間的回歸方程[8]如式(10):
式中:v0為最小風(fēng)速。
根據(jù)排渣通道正常風(fēng)速最低值約為10 m/s,取v0=10,m=2.5,可得 ρf=10(ραV)/vs,將與 ρf代入式(7),并取煤渣顆粒直徑為 1 mm,阻力系數(shù) λ=0.3,形狀系數(shù)Ks=1.17,可得煤渣顆粒運(yùn)動(dòng)速度vs方程如式(11):
由式(11),可以代入實(shí)際孔腔直徑D,鉆桿直徑d 及不同氣流速度V 來求得煤渣顆粒運(yùn)動(dòng)速度vs。另外根據(jù)氣固比 m=(ρfvs)/(ραV),可以得出正常排渣時(shí)單位時(shí)間風(fēng)力排渣質(zhì)量Q 的計(jì)算公式如式(12):
在松軟煤層中進(jìn)行鉆孔施工過程中,引起卡鉆的原因中最重要的一點(diǎn)就是煤渣在孔內(nèi)積聚并將排渣通道阻塞致使鉆桿無法正常活動(dòng)[9],在鉆進(jìn)的過程中,理想狀態(tài)下單位時(shí)間產(chǎn)生的煤渣量計(jì)算公式如式(13):
式中:QP為鉆進(jìn)過程單位時(shí)間產(chǎn)生的煤渣量,m3/s;R 為孔腔半徑,m;vR為鉆桿的鉆進(jìn)速度,m/s;ρ為煤的密度,kg/m3。
經(jīng)過對(duì)肋骨鉆桿排渣機(jī)理的分析,在正常的鉆孔過程中產(chǎn)生的煤渣會(huì)通過流體排渣的方式排出孔外,保持排渣通道的通暢。但如果煤渣產(chǎn)生的速率大于煤渣排出的速率,此時(shí)煤渣就會(huì)在排渣通道內(nèi)逐漸積累導(dǎo)致排渣通道阻塞并引起卡鉆[10]。所以單位時(shí)間產(chǎn)生的煤渣量應(yīng)當(dāng)小于或者等于肋骨鉆桿流體排渣單位時(shí)間所能排出的煤渣量,以常用的φ73 mm 肋骨鉆桿為例,根據(jù)工況選擇壓縮空氣的流量為 3 m3/min,計(jì)算可得流體速度 V 為 8.4 m/s,通過式(12)計(jì)算出其理想狀態(tài)下單位時(shí)間排出的煤渣量應(yīng)為0.413 kg/s,所以,理論上肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中單位時(shí)間產(chǎn)生的煤渣量應(yīng)該控制在0.413 kg/s 以內(nèi)。
肋骨鉆桿排渣過程是風(fēng)泵提供的壓力氣流由鉆桿中間的通風(fēng)孔進(jìn)入,達(dá)到孔底攜帶煤渣從鉆桿與孔壁形成的環(huán)狀排渣通道排出孔外,鉆桿的旋轉(zhuǎn)對(duì)煤渣起到一定的揚(yáng)起作用。根據(jù)肋骨鉆桿的排渣過程,搭建試驗(yàn)臺(tái),具體的試驗(yàn)設(shè)備及裝置如下:①實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)備:主要由鉆桿、鐵皮支架、煤渣投放裝置、煤渣收集裝置、亞克力管道組成;②供風(fēng)系統(tǒng):由風(fēng)泵、pvc 管道及接頭、pvc 軟管、轉(zhuǎn)子流量計(jì)組成;③回轉(zhuǎn)系統(tǒng):由交流電機(jī)、傳動(dòng)裝置、電機(jī)調(diào)速器;④其他設(shè)備:電子秤、計(jì)時(shí)器。排渣試驗(yàn)裝置如圖2。
圖2 排渣試驗(yàn)裝置Fig.2 The test device for slag discharge
所有設(shè)備準(zhǔn)備齊全后,首先測量好各裝置之間的位置,然后將鐵皮支架固定好,將亞克力管的兩端插入支架上預(yù)留好的空洞中,在亞克力管孔底的一端安裝煤渣投放裝置,另一端放入鉆桿,最后將煤渣收集裝置、傳動(dòng)裝置、供風(fēng)裝置安裝在亞克力管空口一端。
通過煤渣投放裝置控制煤渣的投放速率,每組不同的煤渣投放量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5 次時(shí)間長度為30 s的排渣模擬,試驗(yàn)共分為6 組,每組的煤渣的投放速率分別為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45 kg/s。觀察每次試驗(yàn)煤渣通道的阻塞情況并統(tǒng)計(jì)亞克力管中剩余的煤渣質(zhì)量并對(duì)其求平均值,以此來測定最適合φ73 mm 肋骨鉆桿的單位時(shí)間煤渣產(chǎn)生量,試驗(yàn)的結(jié)果如下:
1)煤渣投放速率為 0.2、0.25、0.3、0.35 kg/s 的 4組試驗(yàn)均未出現(xiàn)煤渣阻塞情況,煤渣投放速率為0.4 kg/s 的 1 組試驗(yàn)中出現(xiàn)了2 次煤渣阻塞,煤渣投放速率為0.45 kg/s 的1 組試驗(yàn)中出現(xiàn)了5 次煤渣阻塞。
2)對(duì)每組試驗(yàn)剩余煤渣質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),煤渣投放速率為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 kg/s 的試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的平均剩余煤渣質(zhì)量分別為 0.444、0.504、0.064、0.792、0.917 kg,由于煤渣投放速率為 0.45 kg/s 的 1組試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果均為發(fā)生阻塞,所以沒有進(jìn)行剩余煤渣質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)。
通過分析6 種煤渣投放速率的肋骨鉆桿排渣試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可以看出,隨著煤渣的投放速率的提升,由亞克力管模擬的排渣通道內(nèi)剩余煤渣質(zhì)量逐漸增多。當(dāng)煤渣投放速率低于0.35 kg/s 時(shí),肋骨鉆桿的排渣通道一般不會(huì)產(chǎn)生阻塞的情況;當(dāng)煤渣投放速率超過0.40 kg/s 時(shí),肋骨鉆桿的排渣通道存在出現(xiàn)阻塞的可能性;而當(dāng)煤渣投放速率達(dá)到0.45 kg/s時(shí),肋骨鉆桿的排渣通道一定會(huì)產(chǎn)生阻塞。所以,肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中單位時(shí)間產(chǎn)生的煤渣量應(yīng)該控制在0.35 kg/s 以內(nèi),低于前文理論計(jì)算所得到的理想狀態(tài)下單位時(shí)間排出的煤渣量0.413 kg/s。利用式(13)可得:當(dāng)肋骨鉆桿的鉆進(jìn)速率在0.036 m/s 以內(nèi)時(shí),可以在達(dá)到最高的鉆進(jìn)效率的同時(shí)有效避免排渣通道阻塞。
通過分析肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中煤渣在排渣通道內(nèi)的受力和速度,建立煤渣顆粒在高速流體作用下的力學(xué)模型以及單位時(shí)間排渣速率的計(jì)算公式,提出了控制鉆進(jìn)速度可以有效避免發(fā)生煤渣阻塞的觀點(diǎn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)于常用的φ73 mm 的肋骨鉆桿,將煤渣投放速率可有效地防止煤渣阻塞的發(fā)生,通過單位時(shí)間產(chǎn)生的煤渣量的計(jì)算公式反推可得:肋骨鉆桿的鉆進(jìn)速率應(yīng)當(dāng)控制在0.036 m/s 以內(nèi)。