張義俊，余大有，夏紅兵，張 雷，鄭應鍵

(1．安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001;2．安徽省煤田地質局第一勘探隊，安徽 淮南 232035)

近幾年來，越來越多的煤礦，采取大口徑瓦斯抽排井作為防治瓦斯災害和合理利用瓦斯的主要方法[1－2］。隨著開采的深度越來越大，相應瓦斯抽排井工作管長度越來越長，工作管的重量已經(jīng)大大超過了目前鉆井機械的起吊能力。因此，人們提出了很多減輕鉆塔吊載的方法，較常用的浮力法下管技術。浮力法下管技術[3－6］在工作管內充入空氣，置換泥漿，來減輕吊載，分為單塞浮力法和雙塞浮力法。由于下管深度的增大，單塞浮力法中的空氣柱長度會隨著泥漿壓力的變大而變短，空氣柱所提供的浮力變小，鉆塔的吊載減輕不明顯。雙塞下管時，兩塞間的空氣柱體積不變，但下管結束時，上塞排氣速度難以控制，造成泥漿管噴現(xiàn)象;當鋼管上段空管(未充入泥漿)的高度較大時，管內外壓差較大，發(fā)生癟管事故?；谝陨显?，本文提出了一套以陶粒作為浮管材料來減輕鉆塔吊載的下管方法(已申請發(fā)明專利)，以期實現(xiàn)安全下放大口徑瓦斯抽排管。

1 癟管原因分析

淮南礦業(yè)集團某礦下瓦斯抽排管，采用單塞浮力法，總管深580m。當下管深度達到565m時，發(fā)生癟管[7－9］事故。所用管材為 Q235 鋼材，φ630 mm ×14mm，上部未注漿的空管段長度為160m，泥漿密度取1 150kg/m3，拉力表讀數(shù)為500kN。

160m空管的浮力，方向向上，為

式中:D為鋼管外徑。

代入計算參數(shù)可得:F=573.3kN。

160m空管的重量，方向向下，為

式中:t為鋼管壁厚。

代入計算參數(shù)可得:G=345.6kN。

吊鉤顯示拉力為 T，方向向上(見圖1)，T=500kN。由力的平衡

圖1 套管160米處截面受力狀態(tài)

代入計算參數(shù)，得到160m截面處的拉力為L=727.7kN。

對應的拉應力為

代入計算參數(shù)，得160m截面處σ1=26.28MPa，將取σ1為最大主應力。

取泥漿的密度為1 150kg/m3，壓差最大在160m處，內外壓差為

計算得到套管160m處的內外壓差為p=1.84MPa，對應的環(huán)向壓應力為

計算得到σ3=－41.4 MPa，將σ3取為最小主應力。

首先，按第三強度理論

式中:n為安全系數(shù)，對于長圓筒一般取1.25;σs=235MPa。

可以得到:σ1－σ3=67.68MPa，[σ］=188MPa，因此，(σ1－σ3)＜[σ］。管材受到的應力小于屈服強度，此時管材未屈服，因此不屬于壓力作用下的屈服破壞。

其次，將套管視作環(huán)向外壓作用下的失穩(wěn)計算，由外壓作用下的工作管的穩(wěn)定條件[3］

式中:p為環(huán)向外壓;m為長圓筒穩(wěn)定性安全系數(shù)，對于明管一般取3;[p］為管材徑向均布外壓許用值;Pcr為臨界壓力。

式中:μ=0.3;E為Q235鋼管的彈性模量。

將t、D、E、μ 代入上式，計算得到pcr=5.42MPa，[P］=5.42/3=1.807MPa。而此時160m空管的最大外壓為1.84MPa，大于臨界應力1.807MPa，因此發(fā)生癟管。

2 陶?？箛鷫涸囼?/h2>

陶粒由頁巖與粘土煅燒而成[10－12］，陶粒的外觀特征大部分呈圓形或橢圓形球體，它的表面是一層堅硬的外殼，這層外殼呈陶質或釉質，具有隔水保氣作用，并且賦予陶粒較高的強度。陶粒具有以下優(yōu)點:密度輕:陶粒的堆積密度小于900 kg/m3，分為超輕陶粒(200～300kg/m3)、普通(結構保溫)陶粒(500～700 kg/m3)、高強陶粒(700～900 kg/m3);耐久性好，強度大:粉煤灰陶粒的耐久性主要表現(xiàn)在抗凍性、吸水率、安定性、軟化系數(shù)等方面，用粉煤灰陶粒制造的混凝土比用天然石料生產(chǎn)的混凝土強度大;適應性強:根據(jù)各地資源條件不同，可分別采用黏土、頁巖、粉煤灰或其他固體廢棄物生產(chǎn)陶粒，根據(jù)用途不同和市場需要，可以生產(chǎn)不同堆積密度和粒度的陶粒產(chǎn)品，也可生產(chǎn)有特殊用途的陶粒，如耐高溫陶粒、耐酸陶粒和花卉陶粒等。

2.1 試驗設備

抗圍壓試驗壓力罐(內腔直徑300 mm、深500mm)，手動油泵和0～6 MPa量程壓力表如圖2所示。

圖2 抗圍壓試驗壓力罐和手動油泵

2.2 陶粒試樣

本次試驗選用陶粒普通陶粒，粒徑為10～20 mm，其堆積密度為500 kg/m3，筒壓強度為1.6MPa(見圖3)。

圖3 陶粒試樣(試驗前)

2.3 試驗步驟

1)將普通陶粒涂抹高耐候性外墻乳膠涂料當做防油層，再將普通陶粒試樣做封皮處理，目的是防止試樣在壓力罐中受壓時，液壓油進入試樣中。

2)將做好防油層封皮的試塊放入抗圍壓試驗壓力罐，蓋上法蘭盤，對好螺絲孔，擰緊所有螺栓;安裝好壓力表(0～6 MPa)，把手動油泵的輸油管連接于壓力表和油泵;檢查個螺絲桿是否擰緊，檢查壓力表、輸油管、油泵相互之間連接處是否擰緊;最后，使用手動油泵慢慢加壓，并觀察壓力表讀數(shù)的變化過程，記錄壓力表讀數(shù)(見圖4)。

圖4 試樣放入壓力罐、蓋上法蘭盤

2.4 試驗結果及分析

2.4.1 試驗記錄數(shù)據(jù) 試驗完畢后，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。分別拆開陶粒試樣1、2、3，試驗1、2已經(jīng)發(fā)生破壞，并隨著壓力增加，破壞越明顯。三個試樣的防油層封皮拆完之后的狀態(tài)如圖5所示。

表1 陶?？箛鷫涸囼灁?shù)據(jù)記錄

圖5 陶粒試樣1、2、3的承壓后的破壞狀態(tài)

2.4.2 試驗結果及分析 每次試驗液壓表讀數(shù)由最大降低到最低的原因在于:①試樣的體積收縮，造成壓力罐中液壓油的體積相對增大，壓強變小;②壓力罐的罐體膨脹，壓力罐中液壓油的體積相對增大，壓強變小。

陶粒試樣1、2都已經(jīng)發(fā)生破壞，試樣1中的陶粒絕大部分發(fā)生整體破壞，近一半發(fā)生粉碎性破壞;試樣2發(fā)生顆粒局部破壞，但還具有完整的穩(wěn)定性和強度;試驗3外觀依然保持完好，強度和穩(wěn)定性也和承壓之前相同。分析陶粒試樣1、2的破壞原因，得出的結果是:當最大壓力為3.2 MPa時，壓力已經(jīng)超出了陶粒破壞強度極限，陶粒之間相互擠壓，導致絕大部分陶粒整體碎裂;當最大壓力為2.9MPa時，壓力接近陶粒的破壞極限，并且由于陶粒的形狀的不規(guī)則，其表面的尖突點與相鄰陶粒的平滑位置相互擠壓，導致尖突位置的高耐候性外墻乳膠涂料防油層脫落，其整體穩(wěn)定并沒有發(fā)生變化;當最大壓力為2.7MPa時，壓力小于陶粒破壞極限，陶粒之間雖發(fā)生相互擠壓，但是其并沒有發(fā)生任何破壞，說明陶粒的抗圍壓強度不小于2.4MPa。

3 現(xiàn)場應用

山西省柳林縣某煤礦瓦斯抽排井孔下管，孔深為830m，工作管尺寸為Φ830 mm×18 mm，工作管總重為3 037 kN，但是起吊設備最大提重不超過800kN，超出負荷2 237kN。因此，采用雙塞自平衡下管法和陶粒置換上部管內泥漿發(fā)下管。泥漿密度取1 200kg/m3(見圖6)。

圖6 山西某煤礦瓦斯抽排井孔下管

為確保陶粒與泥漿隔離，先將陶粒裝入塑料袋內，并扎好口;為防止施工中損壞塑料袋，再外套編織袋，并扎上口;為阻止陶粒袋在工作管中上浮，用鐵絲在鋼管內設置三角形阻攔索。

考慮到下管施工中孔壁與工作管的摩阻力，為了安全起見，將下管施工時鉆塔的起吊最大負荷設定為600kN。以600 kN承重，計算出鉆機承受最大工作管長度為190m。根據(jù)以往下管的施工經(jīng)驗，當上部空管段超過160m時，發(fā)生癟管現(xiàn)象，為此上部空管段控制在100m。因此在下管190m至370m之間采用雙塞自平衡浮力法下管，370m至530m段采用注滿泥漿，530m至730m采用放入直徑750袋裝普通陶粒，并且陶粒袋和管壁之間注滿泥漿，730m至830m段采用空管段(不注泥漿)。陶?？偢×?18kN，經(jīng)計算共需陶粒88m3，每節(jié)管材最多放置4m3，在第54節(jié)鋼管內放入袋裝陶?！，F(xiàn)場所用陶粒袋為直徑760 mm、高1 000 mm的圓柱體，由工廠定制，每袋陶粒重2.9kN。

當所有工作管下完時，使用Φ750 mm鉆頭將工作管內固定陶粒袋的阻攔索以及固定鐵絲的螺母掃掉，然后取出漂浮在工作管內的袋裝陶粒。

4 結論

1)雙塞下管，管材破壞按長管失穩(wěn)計算，安全系數(shù)m值取3，計算出的失穩(wěn)載荷與現(xiàn)場載荷一致。

2)通過對普通陶粒的抗圍壓試驗研究，普通陶粒的抗圍壓強度不小于2.4 MPa，對應泥漿中的最大放置深度為200m。

3)現(xiàn)場應用表明，陶粒置換管內泥漿，減輕鉆塔負載，效果較好。

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