非金屬瓦斯抽采管耐外壓變形規(guī)律

任中華，魏風(fēng)清，張益民

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 45400）

平煤集團(tuán)勘探工程處通過多年的科技攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新，廣泛采取穿層鉆孔“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，這一技術(shù)為煤礦安全生產(chǎn)提供了重要技術(shù)保障。“兩堵一注”帶壓注漿封孔的瓦斯治理效果與抽采鉆孔的設(shè)計(jì)、施工、封孔、抽采等多個環(huán)節(jié)密切相關(guān)。其中，封孔質(zhì)量是影響瓦斯治理效果的重要因素。

在注漿封孔過程中，為了使注漿材料盡可能多的注入鉆孔周圍的裂隙，防止裂隙漏氣，就需要一定的注漿壓力。但是注漿壓力過大，容易出現(xiàn)抽采管被壓扁的現(xiàn)象。抽采管壓扁后，瓦斯流動通道截面積變小，在抽采負(fù)壓的作用下，煤屑和水混合成為煤泥團(tuán)堵塞在壓扁處，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果[1]。為此，通過對抽采管的耐外壓能力進(jìn)行研究，分析影響抽采管耐外壓能力的主要因素，合理確定注漿壓力參數(shù)，從而提高封孔質(zhì)量，對保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 瓦斯抽采管的使用現(xiàn)狀與檢測

煤礦井下使用過的瓦斯抽采管依時間先后順序分別是鋼質(zhì)焊縫鋼管或螺旋管、玻璃鋼瓦斯抽采管和目前廣泛使用的PE和PVC瓦斯抽采管。鋼管的優(yōu)點(diǎn)是剛度大，生產(chǎn)工藝簡單且成熟，但鋼管質(zhì)量大，耐腐蝕性差，已逐步被淘汰。玻璃鋼管又稱作玻璃纖維增強(qiáng)塑料管，具有質(zhì)量輕、剛度大、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，但易碎裂，阻燃性能差，已被禁用。隨著改性樹脂材料的抗靜電和阻燃性能得以解決，PE（聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）瓦斯抽采管因具有抗沖擊性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦得到了大量使用[2-4]。

在安標(biāo)網(wǎng)上統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)具有MA標(biāo)志，名稱為煤礦井下聚乙烯管、煤礦井下用聚乙烯管、煤礦用聚乙烯管、煤礦井下用聚乙烯瓦斯抽放管等的非金屬瓦斯抽采管生產(chǎn)廠家多達(dá)百家，雖然產(chǎn)品名稱不盡相同，但是其生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都是MT 558.1—2005煤礦井下用塑料管材第1部分聚乙烯管材[5]、MT 558.2—2005煤礦井下用塑料管材第2部分聚氯乙烯管材[6]、AQ 1071—2009煤礦用非金屬瓦斯輸送管材安全技術(shù)要求[7]，標(biāo)準(zhǔn)對非金屬瓦斯抽采管的外觀、尺寸、不圓度、扁平、耐壓、拉伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、環(huán)剛度、耐正壓、落錘沖擊、阻燃、抗靜電性能進(jìn)行了要求、并明確了試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。

為保證瓦斯抽采管安全可靠工作，孔令剛深入研究了瓦斯抽采管的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]，李少輝等人對非金屬管耐負(fù)壓性能檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究[9]。前述研究都是從抽采管抽放工作狀態(tài)提出要求和檢驗(yàn)方法。利用環(huán)剛度這一指標(biāo)來反映了管材耐負(fù)壓的能力，如果耐負(fù)壓能力不夠，會引起管材被吸癟而導(dǎo)致管道堵塞。目前標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的管材耐負(fù)壓力能力（環(huán)剛度）的檢驗(yàn)，是按照GB/T 9647—2003熱塑性塑料管材 環(huán)剛度的測定規(guī)定的方法，在試驗(yàn)溫度（23±2）℃條件下，利用材料萬能試驗(yàn)機(jī)，用2個相互平行的平板對1段水平放置的管材，以恒定的速率在垂直方向進(jìn)行壓縮，以管材在恒速變形時所測得的負(fù)荷和變形量確定環(huán)剛度[10]。該方法與瓦斯抽采管在封孔過程中的實(shí)際工況不盡相符，主要表現(xiàn)在：①未考慮環(huán)境溫度的影響；②抽采管工作狀態(tài)與試驗(yàn)機(jī)條件下對管材的試驗(yàn)狀態(tài)不同。

在封孔操作過程中，鉆孔施工完成后，抽采管隨兩堵一注封孔器插入鉆孔中，等待數(shù)小時甚至數(shù)十小時后再統(tǒng)一注漿封孔，受鉆孔周圍巖石溫度的影響，非金屬抽采管的性能會發(fā)生顯著改變?，F(xiàn)場施工過程中曾遇到，在注漿前抽出抽采管進(jìn)行檢查，抽采管受熱變成軟管的現(xiàn)象，這也是施工單位在地面試驗(yàn)確定好注漿壓力后，在井下施工中還會出現(xiàn)抽采管被壓扁的根本原因。另一方面利用材料萬能試驗(yàn)機(jī)和平板從垂直方向進(jìn)行正壓試驗(yàn)測定環(huán)剛度時，對檢驗(yàn)試件的圓度、直線度提出了一定的要求，而在施工現(xiàn)場，PE抽采管由于打卷搬運(yùn)，不能保證圓度、直線度符合要求，這也影響了抽采管的耐外壓能力。

2 非金屬抽采管耐外壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與原理

結(jié)合非金屬抽采管在封孔過程中的實(shí)際工作狀況，設(shè)計(jì)試制了非金屬瓦斯抽采管耐外壓實(shí)驗(yàn)裝置，抽采管耐外壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1。

圖1 抽采管耐外壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of external pressure resistance test device for extraction pipe

裝置主要由：加壓部件、試驗(yàn)加壓筒體部件、容積變化檢測部件3部分組成。加壓部件主要由溢流閥、加壓泵、水箱、加熱器以及連接管路組成。加壓泵可以持續(xù)向試驗(yàn)加壓筒體充入恒定壓力的液體；溢流閥起到調(diào)整壓力的作用、加熱器主要提供一定溫度的液體來模擬不同的環(huán)境溫度。試驗(yàn)加壓筒體部件主要由放液閥門、溫度計(jì)、耐壓筒體、壓力表、放氣閥門等組成。溫度計(jì)和壓力表分別檢測試驗(yàn)抽采管受到的壓力和試驗(yàn)時的溫度，耐壓筒體通過端部的密封端蓋與試驗(yàn)抽采管外壁形成環(huán)形密閉空間。向該空間內(nèi)壓入一定溫度的帶壓液體，即可模擬出抽采管在封孔時的實(shí)際工作狀況。放氣閥門主要起到排出環(huán)形空間和管路里的空氣之用。放液閥門能在試驗(yàn)完畢后放出環(huán)形密閉空間內(nèi)的液體。容積變化檢測部件主要由抽采管堵頭、試驗(yàn)抽采管、抽采管中空堵頭、排水集氣瓶、量筒及連接管路等組成。抽采管堵頭和抽采管中空堵頭與試驗(yàn)抽采管內(nèi)壁構(gòu)成封閉空間，通過軟管與排水集氣瓶相連。當(dāng)試驗(yàn)抽采管受壓變形后，封閉空間的體積變小，氣體被壓入到集氣瓶，集氣瓶中的水被壓入氣體等體積的排到量筒中，根據(jù)排出水的體積，即可推算試驗(yàn)抽采管的變形程度。

3 非金屬抽采管耐外壓變形試驗(yàn)

為檢驗(yàn)非金屬抽采管耐外壓試驗(yàn)裝置的性能，在平煤勘探工程處十三礦施工工區(qū)選取正在使用的PE-KM1.6/32型瓦斯抽采管進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)前按照圖1連接好加壓部件、試驗(yàn)加壓筒體部件、容積變化檢測部件。水箱中加入清水，連接好加熱器。將排水集氣瓶內(nèi)充滿清水。截取長度為1.2 m的試驗(yàn)抽采管，校直后準(zhǔn)備使用。

試驗(yàn)步驟如下：

1）用游標(biāo)卡尺分別測量試驗(yàn)抽采管的直徑和壁厚。每個位置測量3次，取平均值。

2）將試驗(yàn)抽采管安裝到加壓筒體中。將試驗(yàn)抽采管從加壓筒體的一端插入筒體中，安裝好兩端的密封端蓋。密封堵頭和中空密封堵頭均插入試驗(yàn)抽采管內(nèi)，超過密封端蓋內(nèi)邊緣30 mm，起到密封抽采管內(nèi)壁空間并支撐抽采管，防止抽采管密封端蓋部位受壓變形，保證抽采管外壁和試驗(yàn)筒體形成的環(huán)形空間密封性的作用。

3）向加壓筒體部件內(nèi)充入液體，并保溫一定時間。打開加壓筒體上的排氣閥門，開動加壓泵將一定溫度的液體注入筒體內(nèi)。當(dāng)排氣閥門開始出水后，關(guān)閉加壓泵，關(guān)閉排氣閥門。保溫20 min，使試驗(yàn)抽采管與液體同溫后，讀取溫度計(jì)讀數(shù)。

4）向加壓筒體內(nèi)加壓，記錄流入量筒內(nèi)液體的體積。在加壓過程中，首先調(diào)整溢流閥使起始壓力從0.1 MPa開始，一直升壓到1.5 MPa。每次升高0.1 MPa，加壓后保壓1 min，讀取量筒內(nèi)流出液體的體積，并記錄數(shù)據(jù)。

5）結(jié)束試驗(yàn)。升壓到1.5 MPa后，關(guān)閉加壓泵，依次打開排液閥門、排氣閥門，加壓筒體內(nèi)的液體流回水箱，拆除試驗(yàn)抽采管。

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟，以水溫22℃，PE-KM1.6/32型抽采管（外徑32 mm，壁厚3.4 mm）的耐外壓變形試驗(yàn)為例，試驗(yàn)過程如下：

壓力從0.1 MPa開始，直到0.6 MPa，加壓后保壓1 min，排水集氣瓶中沒有氣泡進(jìn)入，表示試驗(yàn)抽采管沒有發(fā)生變形。

壓力達(dá)到0.7 MPa時，集氣瓶中開始有氣泡進(jìn)入，壓力表顯示壓力輕微下降后，再保持到0.7 MPa，保壓過程中，集氣瓶中出現(xiàn)緩慢連續(xù)的氣泡，表示試驗(yàn)抽采管開始發(fā)生輕微變形。量筒中收集排出的液體約4 mL。

壓力在0.7～1.1 MPa加壓過程中，每增加0.1 MPa，均保壓1 min，試驗(yàn)現(xiàn)象相同，在此范圍內(nèi)，試驗(yàn)抽采管發(fā)生緩慢變形。量筒中收集的液體體積分別為4、6、10、12 mL。

壓力升到1.2 MPa時，壓力表顯示壓力突然下降到0，集氣瓶中收集的氣體明顯增多，在加壓泵的作用下，壓力逐漸升高，20 s后壓力回復(fù)到1.2 MPa，保壓1 min排出394 mL液體。試驗(yàn)抽采管在1.2 MPa時，發(fā)生劇烈變形。至此共收集排出的液體426 mL，試驗(yàn)抽采管內(nèi)壁與堵頭形成封閉空間的體積為486 mL,表明試驗(yàn)抽采管在1.2 MPa時，就幾乎被完全壓扁。

繼續(xù)升壓到1.5 MPa，集氣瓶中還出現(xiàn)緩慢連續(xù)的氣泡，量筒中收集的液體體積分別為6、3、2 mL。

關(guān)閉加壓泵，依次打開排液閥門、排氣閥門，試驗(yàn)筒體內(nèi)的液體流回水箱。

試驗(yàn)抽采管內(nèi)壁形成的封閉空間，變形前為一圓柱體，變形后近似橢圓柱體，變形前后，試驗(yàn)抽采管長度不變，抽采管截面的周長不變?？筛鶕?jù)抽采管截面的面積計(jì)算公式以及排水集氣法收集的液體體積來推算抽采管變形后的直徑。

變形前：抽采管截面積Sq=πr2、橫截面周長Lq=2πr、封閉空間體積Vq=πr2h。式中：r為變形前截面圓半徑，經(jīng)測量可得；h為試驗(yàn)抽采管內(nèi)部兩封堵頭之間的距離。

變形后:抽采管截面積Sh=πab、橫截面周長Lh=2πb+4（a-b）、封閉空間體積Vh=πabh。式中：a為變形后截面橢圓長半徑；b為變形后截面橢圓短半徑。

根據(jù)：Lh=Lq，得：

Vh=Vq-△p，得：

式中：△p為抽采管變形排出液體的體積，試驗(yàn)測量可得。

由式（1）和式（2），可以計(jì)算出抽采管變形后的短邊直徑2b，用短邊直徑的數(shù)值反映抽采管的變形程度。

試驗(yàn)對同一生產(chǎn)廠家，2個批次的PE-KM1.6/32型外徑32 mm的抽采管依次進(jìn)行不同溫度下的耐外壓試驗(yàn)，分別以管A（壁厚3.4 mm）、管B（壁厚3.9 mm）表示）。試件在不同環(huán)境溫度下，初始變形和被壓扁時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。抽采管A、抽采管B在不同溫度下被壓扁時的壓力值對比如圖2。抽采管A外徑變形與溫度和壓力的關(guān)系如圖3。

表1 抽采管外徑變形耐外壓數(shù)值Table 1 External pressure resistance value of outer diameter deformation of extraction pipe

圖2 不同壁厚抽采管被壓扁時溫度、壓力對比Fig.2 Comparison of temperature and pressure in flattening of extraction pipes with different wall thickness

圖3 抽采管A外徑變化與壓力、溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between the change of outer diameter of extraction pipe A and pressure and temperature

分析圖2可知，壁厚對抽采管的耐外壓能力影響顯著，壁厚越厚，承外壓能力越強(qiáng)。

分析圖3可得出，在同一環(huán)境溫度下，壓力越高瓦斯抽采管變形越嚴(yán)重；當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，抽采管劇烈變形，被完全壓扁，之后，壓力升高，直徑變化不大。環(huán)境溫度越高，抽采管被壓扁的壓力值越低。

PE-KM1.6/32型試驗(yàn)抽采管（壁厚3.4 mm）注漿壓力推薦值見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，為保證抽采管在注漿過程中不被壓扁，當(dāng)選用外徑32 mm，壁厚3.4 mm的PE抽采管時，注漿壓力可參考表2選取。若瓦斯抽采管的直徑、壁厚、材料有變化時需要測試其在不同溫度下的耐外壓值。

表2 PE-KM1.6/32型試驗(yàn)抽采管（壁厚3.4 mm）注漿壓力推薦值Table 2 Recommended grouting pressure of PE-KM1.6/32 type test extraction pipe（wall thickness 3.4 mm）

4 結(jié) 語

1）在非金屬瓦斯抽采管直徑、材質(zhì)、壁厚確定的情況下，影響瓦斯抽采管變形的主要因素是外加壓力和環(huán)境溫度。同一環(huán)境溫度下，外加壓力越高抽采管變形越嚴(yán)重；環(huán)境溫度越高，抽采管被壓扁的壓力值越低。

2）非金屬瓦斯抽采管的壁厚對抽采管承外壓能力有重要影響。當(dāng)抽采管直徑、材質(zhì)、環(huán)境溫度等條件相同時，壁厚越厚，抽采管承外壓能力越大，抗變形能力越強(qiáng)。

3）為提高封孔質(zhì)量，保證瓦斯抽采效果，建議抽采鉆孔在封孔前應(yīng)檢測封孔段鉆孔巖石溫度，根據(jù)巖石溫度合理選擇注漿壓力，確保抽采管的完整性。