松軟煤層壓風(fēng)鉆進(jìn)及下篩管地面模擬實(shí)驗(yàn)

秦金輝

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán) 李雅莊煤礦,山西 霍州 031400)

瓦斯作為一種高效清潔能源,國家鼓勵(lì)抽采和利用瓦斯,鼓勵(lì)企業(yè)“以用促抽、以抽保安全”[1-3],保證煤炭資源安全、高效開采。高濃度瓦斯松軟煤層中施工順煤層鉆孔時(shí),在鉆進(jìn)、退鉆過程中及退鉆后,鉆孔在地應(yīng)力、瓦斯壓力和鉆擾動(dòng)力的綜合作用下易出現(xiàn)塌孔,一方面會(huì)嚴(yán)重影響鉆進(jìn)深度,另一方面會(huì)堵塞抽采通道,影響瓦斯抽采效果[4-10]。采用壓風(fēng)鉆進(jìn)和孔內(nèi)下篩管的方法能夠提高鉆孔的鉆進(jìn)深度和成孔率,煤層預(yù)抽效果將顯著提高[11-16]。壓空氣鉆進(jìn)在松軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔時(shí)，以礦井壓風(fēng)作為風(fēng)源,供風(fēng)壓力低,且風(fēng)量不穩(wěn)定,鉆孔施工至一定深度后排粉困難。有關(guān)研究以現(xiàn)場實(shí)踐和理論分析為主,而孔內(nèi)風(fēng)壓沿程損失規(guī)律、孔底風(fēng)壓變化規(guī)律等沒有直觀觀測,限制了其成孔深度。此外,松軟煤層中瓦斯抽采鉆孔成孔提鉆后易出現(xiàn)坍塌堵孔現(xiàn)象,影響瓦斯抽采效果。

霍州煤電集團(tuán)李雅莊礦主采2#煤層,煤層埋深565～610 m,煤層平均厚度2.75 m,煤層傾角6°左右,煤堅(jiān)固性系數(shù)一般在0.46～0.80之間,部分區(qū)域小于0.5。預(yù)抽鉆孔鉆進(jìn)困難,鉆孔長度難以突破150 m,需要在工作面兩巷施工鉆孔,且塌孔嚴(yán)重,成孔率不足30%,預(yù)抽效果較差。如何實(shí)現(xiàn)本煤層長距離鉆進(jìn)及成孔成為保障本煤層預(yù)抽效果的當(dāng)務(wù)之急。本文針對李雅莊煤礦壓風(fēng)鉆進(jìn)過程中存在的問題,開展了松軟煤層風(fēng)力排渣鉆進(jìn)地面模擬實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了松軟煤層長距離鉆進(jìn)和護(hù)孔。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

為初步掌握風(fēng)力排粉過程中風(fēng)壓在鉆孔環(huán)狀間隙內(nèi)的變化規(guī)律和煤屑運(yùn)動(dòng)方式,驗(yàn)證鉆桿內(nèi)下放瓦斯抽采篩管護(hù)孔技術(shù)的工藝可行性,在此與中煤科工集團(tuán)重慶研究院合作研制了模擬實(shí)驗(yàn)裝置。地面模擬實(shí)驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

1)根據(jù)松軟煤層特點(diǎn)選擇具有代表性的煤屑作為模擬煤層填充材料,根據(jù)工藝要求選擇套管和有機(jī)玻璃管的尺寸,設(shè)計(jì)制作模擬施鉆煤層。

2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c工藝要求連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材,在適當(dāng)位置安裝傳感器及相應(yīng)線路,建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3)模擬實(shí)際鉆進(jìn)過程,改變風(fēng)量、風(fēng)壓等鉆進(jìn)工藝參數(shù),利用可移動(dòng)高清攝像機(jī)在有機(jī)玻璃管處觀察鉆頭破碎孔底煤層情況和煤屑在鉆孔環(huán)狀間隙內(nèi)的運(yùn)移情況。

4)利用壓力變送器采集各測點(diǎn)風(fēng)壓數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理,總結(jié)不同工況下孔內(nèi)風(fēng)壓變化規(guī)律。

5)護(hù)孔篩管下放到位后與內(nèi)芯可脫式鉆頭配合進(jìn)行鉆頭自脫,檢驗(yàn)內(nèi)芯可脫式鉆頭結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為了使模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場施工情況相符,同時(shí)能夠獲得相關(guān)技術(shù)資料,在此除了使用與工業(yè)性試驗(yàn)相同的設(shè)備與器材外,還應(yīng)該建立與松軟煤層較為相似的模擬煤層和完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本次模擬實(shí)驗(yàn)方案如下。

1)設(shè)計(jì)制作模擬煤層。模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際鉆進(jìn)過程的相似度主要取決于模擬煤層與松軟煤層的相似程度。實(shí)驗(yàn)所建立的模擬煤層應(yīng)具有松軟煤層的顯著特點(diǎn),并具有良好的成孔性。為了達(dá)到該目的,選擇與實(shí)驗(yàn)用鉆頭成孔孔徑相似的套管和有機(jī)玻璃管,在內(nèi)部填充源自松軟煤層的煤屑,長度為100～200 m。

2)建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)場采用風(fēng)力排粉鉆進(jìn)時(shí),無論使用礦井系統(tǒng)壓風(fēng)還是由空壓機(jī)提供壓縮空氣,對風(fēng)壓和風(fēng)量的控制概念均較為淡化,沒有充分利用這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化鉆進(jìn)。本次實(shí)驗(yàn)將建立完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在模擬煤層的不同位置安裝壓力變送器,記錄不同孔深處的壓力;同時(shí)在有機(jī)玻璃管處安裝攝像機(jī),記錄煤粉在壓縮空氣的攜帶下在鉆孔環(huán)狀間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3)模擬鉆進(jìn)過程。模擬鉆進(jìn)過程與實(shí)際鉆進(jìn)過程一樣,在孔口由全液壓坑道鉆機(jī)提供的扭矩與鉆壓通過鉆桿傳遞到鉆頭,鉆頭在孔底切削破碎煤層,由空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣經(jīng)水辮、鉆桿內(nèi)通孔、鉆頭進(jìn)入孔底冷卻鉆頭,并將鉆頭切削下的鉆屑經(jīng)環(huán)狀間隙攜帶至孔外,通過孔口集塵裝置進(jìn)入除塵裝置進(jìn)行氣體與鉆屑的分離,鉆進(jìn)至預(yù)定孔深后通過鉆桿內(nèi)通孔下放護(hù)孔篩管,篩管到位后向可脫式鉆頭內(nèi)芯施加推力,使其脫離鉆頭體,然后提鉆使護(hù)孔篩管留在孔內(nèi)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括風(fēng)力參數(shù)采集系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀察系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接示意圖，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接示意圖Fig.1 Connection diagram of data collection system

風(fēng)力參數(shù)采集系統(tǒng)包括流量計(jì)、壓力變送器和無紙記錄儀。流量計(jì)用于測量空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣的壓力、流量等參數(shù),安裝于空氣壓縮機(jī)與變頭之間。壓力變送器用于采集不同孔深處環(huán)狀間隙內(nèi)的風(fēng)壓數(shù)據(jù),在模擬煤層管道上等間距布置,壓力變送器測量的數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)綗o紙記錄儀進(jìn)行記錄與顯示,必要時(shí)可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X,用電子表格進(jìn)行處理與分析。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀察系統(tǒng)包括高清攝像機(jī)、固定攝像機(jī)和錄像機(jī)解碼器。高清攝像機(jī)為可移動(dòng)式,實(shí)驗(yàn)過程中用于跟隨鉆頭拍攝鉆頭在孔底的碎巖狀態(tài)和鉆屑在沖洗介質(zhì)的帶動(dòng)下在鉆孔環(huán)狀間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。固定攝像機(jī)用于拍攝固定位置鉆屑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。錄像機(jī)解碼器連接在攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)之間,對傳輸圖像進(jìn)行解碼,并將解碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。

4 地面模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

1)建立模擬煤層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,將套管和有機(jī)玻璃管采用法蘭交替連接,連接過程中每6 m預(yù)留一個(gè)壓力變送器接口。

2)連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)?zāi)M煤層放置在地面上,為了保證鉆桿與套管的同心度,安裝鉆機(jī)時(shí)將鉆機(jī)放置在凹坑內(nèi)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器的連接,如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器連接示意圖Fig.2 Experiment equipment and instruments connection diagram

3)安裝數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。在模擬煤層套管上預(yù)留的位置安裝壓力變送器,以便在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄各測點(diǎn)壓力變化情況,用電纜將各變送器與無紙記錄儀連接,最后連接到電腦上。在空氣壓縮機(jī)和水辮之間安裝流量計(jì),記錄供風(fēng)參數(shù)。在預(yù)設(shè)地點(diǎn)安裝攝像機(jī)以拍攝煤屑在環(huán)狀間隙內(nèi)的運(yùn)移情況,并安裝可移動(dòng)高清攝像機(jī),實(shí)驗(yàn)時(shí)全程拍攝實(shí)驗(yàn)情況,將各攝像機(jī)連接到錄像機(jī)解碼器進(jìn)行圖象顯示。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

1)鉆進(jìn)過程。本次實(shí)驗(yàn)鉆進(jìn)過程是一項(xiàng)輔助工作,主要為其他各步驟提供實(shí)驗(yàn)條件。采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝,通過控制進(jìn)給速度來控制鉆屑量,通過控制風(fēng)量、風(fēng)壓來控制鉆屑在環(huán)狀間隙的運(yùn)移方式。

2)數(shù)據(jù)采集過程。在鉆進(jìn)過程中,用流量計(jì)測量由空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣的流量與壓力,各測點(diǎn)的壓力變送器對不同工況下的風(fēng)壓進(jìn)行觀測與記錄,并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),在有機(jī)玻璃管處用攝像機(jī)拍攝煤屑的運(yùn)移狀態(tài),用移動(dòng)攝像機(jī)跟隨鉆頭拍攝鉆頭破碎煤層的狀態(tài)和鉆頭處鉆屑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。地面模擬實(shí)驗(yàn)照片,如圖3所示。為了便于觀察鉆頭自脫過程,鉆進(jìn)到預(yù)定位置后,將套管在鉆頭處卸開,露出鉆桿與內(nèi)芯可脫式鉆頭,在孔口處通過鉆桿內(nèi)通孔向孔內(nèi)下放篩管,到位后篩管將向內(nèi)芯可脫式鉆頭的內(nèi)芯施加軸向推力,使其與鉆頭體分離,鉆頭自脫后提鉆,篩管留在孔內(nèi)。

圖3 地面模擬實(shí)驗(yàn)Fig.3 Simulation experiment on the ground

4.3 實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)

風(fēng)壓是空氣鉆進(jìn)技術(shù)關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一,分析風(fēng)力排粉過程中孔內(nèi)風(fēng)壓的變化規(guī)律,對深入了解空氣鉆進(jìn)原理、完善操作工藝有積極的理論指導(dǎo)意義。此次實(shí)驗(yàn)通過安裝于套管內(nèi)壁的壓力變送器監(jiān)測風(fēng)力排粉時(shí)的壓力變化情況;通過拍攝有機(jī)玻璃管內(nèi)鉆屑的運(yùn)動(dòng)情況,了解鉆屑運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

4.3.1不同鉆孔深度沿程壓力損失

隨著孔深的增加,相同深度處壓力損失會(huì)有所變化,為量化這一變化規(guī)律,對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出幾組不同孔深的壓力損失規(guī)律,如圖4所示。從圖4可以得出如下結(jié)論:

圖4 不同鉆孔深度沿程壓力示意圖Fig.4 Pressure at the different drilling depths

1)在環(huán)狀間隙內(nèi),孔底至孔口的壓力差隨著鉆孔深度的增加而增大,其主要原因是鉆孔軌跡為空間曲線且鉆孔內(nèi)壁凹凸不平,隨著鉆孔深度的增加,壓縮空氣與鉆屑組成的氣固兩相流的沿程壓力損失增加,同時(shí)空氣將鉆屑攜帶至孔口所做的功也增加,這些都需要由空氣的壓力損失來補(bǔ)償。

2)在環(huán)狀間隙內(nèi),臨近孔底段的壓力損失明顯大于相同距離其他各段的壓力損失。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)至壓力變送器附近時(shí),臨近孔底的兩個(gè)壓力變送器間的壓力損失明顯大于其他相鄰壓力變送器間的壓力損失。該段壓力損失約為鉆屑與氣體相對穩(wěn)定狀態(tài)下相鄰兩壓力變送器間壓力損失的3～5倍。

3)對于一定深度的鉆孔,當(dāng)鉆屑在壓縮空氣帶動(dòng)下開始運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)后,在環(huán)狀間隙內(nèi)單位長度下的壓力損失基本為定值,即可認(rèn)為氣固兩相流進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直至孔口,在該范圍內(nèi),兩相流的沿程壓力損失與長度呈正比。

4)孔口處兩相流的壓力損失明顯高于其在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的壓力損失,主要原因是在孔口集塵裝置內(nèi)兩相流的運(yùn)動(dòng)方向由平行于鉆桿方向變?yōu)榇怪庇阢@桿方向,在這一過程中,鉆屑發(fā)生聚集、碰撞等現(xiàn)象,將產(chǎn)生局部壓力損失。

4.3.2不同鉆孔深度下孔底風(fēng)壓變化規(guī)律

孔底風(fēng)壓隨孔深增加的變化情況,如圖5所示。

圖5 孔底風(fēng)壓隨鉆孔延伸的變化Fig.5 Wind pressure variation at the bottom with the drilling extension

從圖5可以看出,孔底風(fēng)壓隨孔深增加而增大,但其增加的幅度隨著孔深的變化有所不同。在孔深80 m以內(nèi),空壓機(jī)輸出風(fēng)壓保持在0.3 MPa左右,孔底風(fēng)壓隨孔深的增加而增大的幅度較小,在該孔段鉆進(jìn)過程中,排粉正常；當(dāng)孔深達(dá)到85 m以后,為提高孔內(nèi)排粉效率,改變鉆屑運(yùn)動(dòng)狀態(tài),空壓機(jī)輸出風(fēng)壓提高到0.5 MPa左右,此時(shí)孔底壓力增大趨勢明顯。這說明在風(fēng)力鉆進(jìn)成孔過程中,孔底風(fēng)壓的變化隨孔深增加而增大的同時(shí),與輸入風(fēng)壓密切相關(guān)。在實(shí)際鉆進(jìn)過程中,在滿足排粉要求的前提下應(yīng)盡量避免頻繁調(diào)整空壓機(jī)的供風(fēng)參數(shù),要采取必要的工藝措施保持較為均勻的鉆進(jìn)速度,使孔底壓力損失保持均勻變化,避免出現(xiàn)壓力突變而影響正常排粉。

4.3.3一定孔深處的風(fēng)壓隨孔深增加的變化規(guī)律

不同孔深位置處隨鉆孔延伸的風(fēng)壓變化情況，如圖6所示。

圖6 30 m，50 m，70 m孔深處隨鉆孔延伸的風(fēng)壓變化Fig.6 Wind pressure variation at the drilling depths of 30 m, 50 m, and 70 m

從圖6曲線可知,孔深較淺處的風(fēng)壓隨鉆孔延伸的變化幅度較大,其變化不確定性也較大?？咨钶^淺處在鉆孔延伸過程中所堆積的鉆屑會(huì)越來越多,在鉆桿回轉(zhuǎn)給進(jìn)過程中對鉆屑的擾動(dòng)直接影響了該處風(fēng)壓。此時(shí),隨著鉆孔的延伸,孔口附近孔段堆積鉆屑的及時(shí)排除就顯得尤為重要。

30 m、50 m和70 m孔深處在鉆進(jìn)過程中風(fēng)壓相差值均為10 kPa左右,并且隨著孔深增加，差值略有增大,當(dāng)鉆孔深度接近100 m時(shí),風(fēng)壓差值為15 kPa以上。結(jié)合圖6,得到如下結(jié)論:

1)當(dāng)鉆孔深度在50～85 m之間時(shí),空壓機(jī)輸出風(fēng)壓為0.3 MPa,30 m、50 m和70 m孔深處的風(fēng)壓相差值均為10 kPa左右。這表明,在保持正常鉆進(jìn)、孔內(nèi)排粉順暢的情況下,實(shí)驗(yàn)鉆孔內(nèi)部從深至淺每20 m的風(fēng)壓損失為10 kPa左右。

2)當(dāng)孔深達(dá)到85～98 m時(shí),空壓機(jī)輸出風(fēng)壓為0.5 MPa,30 m、50 m和70 m孔深處的風(fēng)壓相差值上升為20 kPa左右,由于孔深觀測范圍有限,其差值并沒有表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的規(guī)律性。

3)經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知,風(fēng)力鉆進(jìn)過程中,空氣輸送鉆屑的沿程壓力損失主要分為3個(gè)部分:鉆屑加速段、相對穩(wěn)定段和孔口段。在實(shí)驗(yàn)條件下,供風(fēng)流量一定,給進(jìn)速度一定,單位長度的壓力損失基本為一恒定值,隨著鉆進(jìn)深度的增加,壓力損失不斷累加。

4)篩管護(hù)孔工藝適應(yīng)性。鉆進(jìn)過程中,鉆頭工作條件惡劣,鉆頭與煤壁的相互作用較為復(fù)雜。內(nèi)芯可脫式鉆頭既要保證正常鉆進(jìn)需要,也要保證內(nèi)芯在受到篩管的推力時(shí)能夠靈活脫落。因此,鉆進(jìn)過程中需要考察分析內(nèi)芯可脫式鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的工作穩(wěn)定性和內(nèi)芯脫落時(shí)的靈活性。鉆進(jìn)完畢后,將末端套管法蘭卸掉,露出鉆頭,進(jìn)行內(nèi)芯耐壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)鉆頭靜止,空壓機(jī)輸出壓力0.8 MPa、風(fēng)量796.4 m3/h的情況下,壓縮空氣的推力不會(huì)使內(nèi)芯從鉆頭體脫落,二者配合穩(wěn)定可靠。鉆進(jìn)成孔后,從大通孔風(fēng)壓密封鉆桿內(nèi)輸送篩管,待篩管輸送至孔底并頂脫鉆頭的內(nèi)芯后,再提出鉆具。下放篩管工藝可以解決松軟煤層中提出鉆具后塌孔、成孔難的問題,以保證瓦斯抽采效果。鉆進(jìn)成孔后,進(jìn)行篩管輸送實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)孔內(nèi)鉆桿總長度104 m,分別輸送整體式篩管和插接式篩管。輸送前在篩管頂端安裝圓錐型導(dǎo)向頭,確保篩管在鉆桿內(nèi)部順利輸送,如圖7所示。

通過此次模擬實(shí)驗(yàn),對松軟煤層空氣鉆進(jìn)有了更加深入的認(rèn)識,初步了解了壓縮空氣與煤屑兩相流在環(huán)狀間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和壓力損失規(guī)律,驗(yàn)證了內(nèi)芯可脫式鉆頭的工作性能和在鉆桿內(nèi)通孔下放篩管的可行性。

5 結(jié)論

1)在環(huán)狀間隙內(nèi),臨近孔底段的壓力損失約為鉆屑與氣體相對穩(wěn)定狀態(tài)下相鄰兩壓力變送器間壓力損失的3～5倍。

2)模擬實(shí)驗(yàn)過程中供風(fēng)流量一定,給進(jìn)速度一定的情況下,單位長度的壓力損失基本為一恒定值,隨著鉆進(jìn)深度的增加,壓力損失不斷累加。鉆進(jìn)深度達(dá)到85 m后,空壓機(jī)輸出風(fēng)壓提高到0.5 MPa左右。在工業(yè)性試驗(yàn)和實(shí)際鉆進(jìn)過程中,鉆進(jìn)深度達(dá)到96 m后,應(yīng)逐步提高供風(fēng)壓力。

3)壓縮空氣自空壓機(jī)輸出至第一根鉆桿間的壓力損失較大,約占總損失的55%左右,在設(shè)計(jì)從空壓機(jī)出口至鉆桿的管道時(shí)應(yīng)該盡量增大過流截面,并盡量保證過流截面不變,以減少局部壓力損失。

4)整體式篩管盤在一起給運(yùn)輸和下放帶來一定困難,插接式篩管單節(jié)體積小,插接方便,便于現(xiàn)場操作,實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)優(yōu)先選擇插接式篩管。