在松軟煤層中采用水射流割縫、水力沖孔強化瓦斯抽采時,經常出現堵孔、抱鉆等現象。 為 解決此問題,提出破煤、清淤及排渣一體化方法及裝置。 通過水壓控制流道方向,使高壓水破煤卸 壓或清淤排渣。 在分析堵孔、抱鉆原因關鍵因素的基礎上,基于連續介質模型,對鉆孔內鉆桿進行 受力分析,研究抱鉆力學機制,得出了發生抱鉆時,鉆機扭矩與堵孔長度、鉆孔參數的力學關系式。 在分析鉆孔內水射流流場的基礎上,研究了射流清淤排渣臨界參數,得出清淤噴嘴臨界安裝位置; 并研制出破煤、清淤及排渣一體化裝置和工藝。 現場試驗應
松軟低透煤層瓦斯治理一直是我國煤礦瓦斯治理的關鍵,隨著地質條件的復雜化,常規抽采方法已經無法高效解決該問題。 采用水力卸壓增透強化瓦斯抽采技術是目前廣泛應用的手段之一,如水射流割縫、水力沖孔等[1-5] 。 但在松軟煤層中,由于煤層強度較低,經常出現塌孔、抱鉆等現象,嚴重影響了該技術的推廣應用。 針對塌孔、抱鉆的原因,高軍偉從質點運動角度定性分析了水平鉆孔所受水平力,解析了抱鉆原因[6] ;王永龍針對松軟突出煤層,基于粉體力學理論,考慮了地應力及鉆孔傾角對鉆桿受力的影響[7] ,但上述分析均忽略了煤粉顆粒摩擦及水對摩擦力的影響。 對于解決塌孔、抱鉆的技術方法,盧義玉等提出在硬分層中鉆孔,在軟分層中割縫避免抱鉆的產生,但對于沒有硬分層的煤層無法實施[8];劉曉研制了鉆孔修復裝置及方法,但無法有效預防鉆孔塌孔[9] ;李定啟提出了鉆孔套管設備及改進工藝防治軟煤層塌孔問題,但護孔材料運輸量大,且在松軟煤層中起拔套管困難[10] 。
因此,松軟煤層水力卸壓增透過程中出現的塌孔、抱鉆是亟需解決的問題。 為此本文在分析塌孔、堵孔關鍵因素的基礎上,基于連續介質模型,分析鉆孔受力狀態,研究抱鉆堵孔產生的原因及其臨界條件,研制水射流破煤、清淤及排渣一體化裝置及工并進行現場應用,驗證相關理論,為解決塌孔、抱鉆問題提供新的方法。
1 水力卸壓增透堵孔誘因力學分析
1． 1 堵孔位置及關鍵因素分析
煤層在卸壓前,煤體中存在的節理、裂隙等結構面在三向應力狀態時仍有較高的力學強度,煤層處于比較穩定的狀態[9] ,當水射流沖蝕孔洞形成后,由于部分煤體卸壓,使穩定狀態被打破,導致煤體失穩,發生鉆孔垮塌。 垮落的大塊煤體短時間內不能有效的破碎,在水的攜帶下涌向鉆孔。 鉆孔與沖蝕孔之間存在突變截面,根據流體力學理論,突變截面會使煤渣流速加快,煤渣無法及時排出,并在截面處不斷堆積、壓實。 在正常鉆進過程中,鉆桿所受水平合力基本平衡。 當堵孔發生以后,煤粉包裹鉆桿的作用力逐漸增大,使鉆桿鉆進角速度受到影響,導致鉆桿受到的鉆進作用力逐漸減小。 隨著堆積長度的不斷增加,壓實煤粉與鉆桿、孔壁產生的摩擦力不斷增大,當摩擦力達到足夠大以致鉆機的扭矩無法克服靜摩擦力的時候,發生抱鉆現象。 由此可以看出,決定抱鉆的關鍵因素為鉆孔所受摩擦力,而摩擦力又決定于堵孔長度,所以堵孔長度是分析抱鉆產生的關鍵。
1． 2 堵孔臨界長度的確定
1． 2． 1 煤渣對鉆孔的軸向壓力
糧倉效應[11]發現,當填充物高度達到一定時,底 部所受壓力不再隨著填充物高度的增加而增大。 對 此現象,連續介質模型理論認為是豎直方向上的力分 解到了水平方向,通過摩擦力的作用,使鉆孔壁來支 撐起大部分煤渣的質量[10-13] 。 假如把鉆孔中的煤渣 看成固體顆粒,并且煤渣中的水平應力相對于豎直應力均衡對稱,成一定的比例關系。 即設 σxx,σyy 為水 平應力,p(z)為豎直應力,p(z)= -σzz,兩者之間關系 為
σxx = σyy = - kjp(z) (1)
式中,kj 為唯象系數。 設鉆孔半徑為 R,煤渣高度為 dz,其平衡條件滿足
式中,p∞ 為煤渣對鉆孔軸向的最大壓力,p￥ = ρgλ;H 為煤渣高度。 式(5)表明,當煤渣的堆積高度小于煤渣的特征 長度時,軸向壓力就是靜力學壓力,即 p = ρgH,并隨 著煤渣高度的增加而線性增加;當煤渣的堆積高度大 于煤渣的特征長度時,軸向壓力趨于飽和,即 p = ρgλ。 1． 2． 2 鉆桿與煤渣間的摩擦力 由連續介質模型[11] 可知,煤渣作用于鉆桿上的 壓力與煤渣對鉆孔的軸向壓強成正比關系,作用于鉆 桿的壓力為
式中,FN 為作用于鉆桿的壓力;a 為垂直壓力與水平 壓力比例系數,為 0.3 ~ 0.8;D 為鉆桿直徑;h 為堵孔 距離。根據連續介質的摩擦規律可得出抱鉆發生時鉆桿與煤渣之間摩擦力 F 為 F = μFN = πDμaρgλ[h + λ(e -h/ λ - 1)] (7) 式中,μ 為鉆桿與煤渣間摩擦因數。 1． 2． 3 抱鉆的臨界堵孔的距離 在煤層打鉆過程中,鉆孔與煤層之間存在一定的 夾角。 因此,按照式(7)可推導出在礦井打鉆過程中 抱鉆所產生的摩擦力。 圖 1 中,鉆孔與水平方向夾角 為 α,在鉆孔打鉆過程中,鉆桿受到的摩擦力由兩部 分組成,一部分是煤渣自身重力產生的摩擦力,另一 部分是大氣壓強產生的摩擦力,兩者均符合連續介質 模型,其公式滿足
F = πDμaρgλcos α[h + λ(e -h/ λ - 1)] + πDμaPm [h + λ(e -h/ λ - 1)] (8)
其中,Pm 為大氣壓強,Pm = 1．01×105 Pa;kj 取 0.3 ~0.8
打鉆過程發生抱鉆是由于煤渣壓實而產生摩擦阻力,使得煤渣和鉆桿之間的靜摩擦力超過鉆機的扭矩。 根據式(8)可計算出抱鉆時的最大摩擦力,由此也可得到鉆桿抱鉆的臨界堵孔距離h。
2 沖孔清淤與排渣一體化裝置的原理及工藝
通過對上述水力沖孔過程中發生堵孔、抱鉆原因的分析,本文研制了一種水力破煤、清淤與排渣一體化裝置。 該裝置通過調節水壓控制閥芯運動,閥芯運動可以改變沖孔鉆頭和噴嘴內高壓水流的啟閉,即能夠根據不同水壓的作用改變高壓水流的流向,從而有效防止堵孔與抱鉆,并避免水力沖孔過程中出現噴孔、頂鉆與瓦斯超限等現象。
該裝置內部結構示意如圖 2 所示。 在鉆頭正常鉆進的過程中,水流經過流道 1 從球體的兩側流出,進行排渣。 當出現返水不暢,即出現堵孔現象時,開始調整水射流壓力,球體受到的沖擊力減小從而堵住閥體,使水流從流道 2 的噴嘴噴出,對煤渣進行破碎。
切齒對煤渣中大塊煤體進行進一步的研磨破碎,保證煤渣順利流出鉆孔。 當返水恢復正常后,把壓力恢復到排渣時的壓力,球體重新回到閥體,水流繼續從鉆頭流出,進行排渣工作。
3 清淤排渣鉆頭裝置關鍵參數 實現清淤排渣的必要條件是堵孔段產生的摩擦 力小于鉆機的扭矩。 設排渣鉆頭距離堵孔段距離 為 L,高壓水在經過 L 的衰減后所產生的沖擊力能破 壞壓實的煤渣,并使堵孔距離不超過臨界距離 h 時可 消除抱鉆。 所以一體化裝置的關鍵是確定破渣噴嘴 的安設距離 L。 依照上述原因并結合水射流相關理 論,研究破煤的壓力以及射流的速度衰減規律與射流 的沖擊力是確定噴嘴安設距離的關鍵。
3． 1 破渣力的確定
水射流破渣過程中,按照靜態彈性理論,把水射 流產生的沖擊作用簡化為靜壓力,當沖擊力超過煤渣 剪應力時,煤渣開始破碎。 破碎部分的受力情況,滿 足摩爾-庫倫強度理論公式,即
τf = c + σtan θ (9)
其中,τf 為抗剪強度;c 為黏聚力;σ 為射流沖擊力;θ 為內摩擦角。 根據式(9),當射流沖擊力 σ 與黏聚 力 c 產生的剪應力超過煤渣本身的抗剪強度 τf 時, 壓實煤渣開始破碎。 黏聚力是由材料本身決定的,與 所受壓力無關。 煤渣的內摩擦角可測量得出,根據該 式可以求出破碎煤渣所需要的沖擊力。
3． 2 水射流產生的沖擊力
水射流沖擊壓實煤渣過程滿足動量守恒定律,即
F′ = ρ′u0πr20ΔV (10)
式中,F′為射流對物體的沖擊力;ρ′為射流的相對密 度;ΔV 為射流前后的流速差;u0πr20 為射流的流量。
3． 3 水射流速度衰減規律
在水力破渣過程中,高壓水從噴嘴噴出到達煤渣 之間可近似的看成淹沒射流[14] ,此過程遵循動量守 恒定律。 設圓形噴嘴出口勻速度為 u0 ,密度為 ρ′,出 口半徑為 r0 ,在射流過程中的任一截面都存在速度自 模性,任一截面的速度為 u,該過程定義為不可壓縮 流,所以密度不變為 ρ′,截面圓半徑為 r,邊界層厚度 為 b,根據動量守恒可得
ρ′u0πr20 = ∫b0 ρ′u2πr2 dr (11)
經整理可得
式中,um為軸心速度;x為射流噴射距離;k為常數。 綜上所述,排渣鉆頭沖碎煤渣滿足的條件是在經過L的衰減后,射流沖擊力仍能夠克服煤渣的抗剪強 度。 假設射流沖擊煤體后返回速度為0,即 ΔV = um , 由此結合式(10),(19)可推導出消除抱鉆的臨界沖擊力應滿足
根據式(21),已知煤渣的抗剪強度及內摩擦角,
可以求出破渣噴嘴的安設位置。
4 現場試驗
通過對沖孔清淤排渣一體化裝置的分析及關鍵
參數研究,選擇在河南煤化集團鶴壁八礦-655 軌道石門進 行 現 場 試 驗。 巷道為拱形, 寬 4．9 m, 高 4．0 m。 該石門屬底板揭煤,用于揭穿二1煤層,底板 組成為砂質泥巖和泥巖,頂板為砂巖,裂隙發育。 該石門有F4 斷層穿過,斷層的角度為 89°。 二1 煤層為 松軟低透氣性煤層,煤層傾角 25° ~ 33°,平均煤厚 4.3 m．揭煤地點的瓦斯壓力為 1．23 MPa,瓦斯含量13．69 m3 / t,為較難抽采煤層。 該區域在石門揭煤打 鉆過程中經常出現抱鉆現象,根據式(8)可求出堵孔 的臨界距離。
鶴壁八礦所用鉆機為 ZY-750 型鉆機,所使用鉆 桿規格為 ?30 mm×800 mm;鉆孔直徑為90 mm;鉆機的最大扭矩為 750 N·m;結合八礦的地質條件可得 到公式中的相關參數,具體參數為:鉆桿的直徑 D = 60 mm,鉆桿與煤粉的摩擦因數 μ = 0．3;比例系數 a = 0．3;煤 粉 的 密 度 ρ = 1．05 g / cm3 ; 鉆 孔 半 徑 R = 45 mm;煤粉與煤壁的摩擦因數 μf = 0．2; 唯象系 數 kj = 0． 3;鉆孔與煤層的夾角 α= 60°;大氣壓強 Pm = 101 000 Pa,可求得
F ≈ 1 747[h + 0． 35(e -h/ λ - 1)]
經計算在鉆機扭矩為 750 N·m 時,引發抱鉆的 臨界堵孔距離為 0．77 m。 清淤排渣鉆頭距離堵孔的 長度 L 可根據式(21)確定。
黏聚力 c 值的產生是由于煤中水分的存在使得顆粒間產生水膜,形成張力,因此表現出黏聚力。 當水含量過大時,水分趨于飽和,生成的水膜遭到破 壞,c 值也相對減小[15] 。 在本次試驗中,經測定黏聚 力較小,可忽略不計。 試驗求得鶴八礦煤體的平均內 摩擦角 θ 為 34°,煤渣的抗剪強度為 36.4 kPa,破煤 噴嘴的出口壓力為 16 MPa,出口速度 u0 = 178.8 m / s,噴嘴半徑 r0 = 1.5 mm;常數 k = 0.5。 將各參數代入 上述公 式 可 得 到 破 煤 噴 嘴 安 設 的 最 佳 距 離 L= 0．89 m。
為了驗證沖孔清淤排渣一體化裝置的效果, 在-655 軌道巷利用一體化鉆頭進行試驗。一體化裝 置在使用時,先利用高壓泵將壓力提升至 5 MPa 進 行鉆孔的鉆進,當鉆孔鉆進達到預定深度后,將壓力 提升至 25 MPa 進行水力沖孔,此時返水正常;當出 現返水不暢時,將壓力調至 16 MPa,此時球體會堵住 閥體,水流從破煤噴嘴噴對壓實的煤渣進行破碎。試驗的結果證明一體化裝置能有效消除在打鉆過程中 出現的抱鉆現象,提高打鉆效率。
5 結 論
(1)分析了松軟煤層瓦斯抽采發生堵孔,抱鉆的機理,按照連續介質模型,推導出臨界堵孔距離與鉆機扭矩的關系式。 并基于水射流破煤相關理論,得到 破煤噴嘴的安設位置。
(2)研制破煤清淤排渣一體化裝置。 并應用于鶴壁八礦-655 軌道石門揭煤瓦斯預抽,結果表明一 體化裝置能有效消除抽放過程中的堵孔,抱鉆問題, 大大提高了打鉆效率。
(3)通過現場試驗得出,鶴壁八礦-655 軌道石 門發生抱鉆的臨界堵孔距離為 0．77 m,排渣噴嘴的 安設距離為 0．89 m。
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