張金寶

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)煤礦井下開采深度不斷增加，地質(zhì)條件也愈加復(fù)雜，松軟突出煤層日益增多，瓦斯突出危害已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素[1-2]。施工瓦斯抽采鉆孔對(duì)預(yù)開采煤層瓦斯進(jìn)行抽采消突是解決瓦斯危害直接而有效手段，但是煤礦井下的復(fù)雜地層尤其是松軟煤層或松軟突出煤層，由于煤層松軟、破碎，極易引起坍塌、堵塞等孔內(nèi)安全事故，破壞了孔壁的完整性；或是瓦斯壓力聚積后突然釋放，其攜帶的大量煤粉顆粒阻塞鉆孔，均會(huì)破壞瓦斯的抽采通道，造成瓦斯抽不出或抽采量減少[3-5]。完孔后下篩管護(hù)孔技術(shù)是解決裸眼完孔抽采通道易堵塞，提高瓦斯抽采效果的有效手段[6]。

采用篩管護(hù)孔起到了較好地保持瓦斯抽采通道暢通的作用，目前已成為煤礦井下瓦斯抽采孔完孔護(hù)壁的主要方法[7-8]。但是煤礦井下瓦斯抽采用篩管普遍采用常規(guī)的圓形篩眼，在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)煤粉穿過篩眼堵塞抽采內(nèi)通道，從而影響抽采效果的問題[9]。對(duì)于割縫篩管在石油開采的防砂中有大量應(yīng)用，取得很好的采油防砂效果，而在煤礦領(lǐng)域，僅在地面煤層氣井的抽采中見有少量的研究，未在煤礦井下瓦斯抽采中開展相關(guān)理論及試驗(yàn)研究[10-12]。由于煤粉是散體顆粒，屬于非連續(xù)體，因此無法用傳統(tǒng)工程流體力學(xué)的方法進(jìn)行分析研究，而離散元法可以很好地解決此問題，在涉及到散體力學(xué)的許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[13-15]。因此，本文采用PFC3D離散元軟件對(duì)常規(guī)圓孔篩管和改進(jìn)的割縫篩管的煤粉通過性進(jìn)行了模擬，對(duì)比分析了篩眼直徑、割縫寬度和割縫長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)煤粉顆粒通過篩管性能的影響規(guī)律，研究了割縫篩管與常規(guī)圓孔篩管在煤粉通過體積量上的差異，并優(yōu)化了割縫篩管的割縫參數(shù)。參考模擬分析結(jié)果，選取三種割縫篩管和一種圓孔篩管進(jìn)行了煤礦井下瓦斯抽采對(duì)比試驗(yàn)，通過對(duì)比實(shí)際抽采效果，研究篩管的割縫型式和尺寸參數(shù)對(duì)抽采通道的煤粉抗堵性能，為瓦斯抽采篩管的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 煤粉顆粒流數(shù)值分析

1.1 PFC3D模型建立與參數(shù)匹配

數(shù)值模擬中的所有篩管均采用煤礦井下雙抗U-PVC 管，外徑25 mm，壁厚2.9 mm。其規(guī)格設(shè)計(jì)為兩種類型：一種為圓孔篩管，如圖1a 所示，孔徑4～10 mm；一種為矩形割縫篩管，如圖1b 所示，縫長(zhǎng)20～60 mm，縫寬2～6 mm，割縫長(zhǎng)度方向與篩管長(zhǎng)度方向平行。

離散元法中通過對(duì)顆粒的幾何參數(shù)、接觸特性等進(jìn)行賦值取得顆粒流模型介質(zhì)的宏觀力學(xué)性質(zhì)。在巖土工程中，常采用三軸壓縮試驗(yàn)來匹配顆粒賦值參數(shù)，而煤粉顆粒性質(zhì)類似于砂土，粘聚力很小，無法通過三軸試驗(yàn)進(jìn)行賦值，因此采用PFC3D中的滑動(dòng)模型來進(jìn)行模擬，顆粒微觀參數(shù)取值采用煤粉的天然休止角模擬試驗(yàn)進(jìn)行匹配。具體過程為：在現(xiàn)場(chǎng)收集了鉆孔排粉的煤粉試樣，測(cè)得其物性參數(shù)和顆粒級(jí)配，根據(jù)取得的煤粉試驗(yàn)參數(shù)生成相應(yīng)級(jí)配的顆粒模型，并不斷調(diào)整顆粒的微觀參數(shù)進(jìn)行模擬天然休止角試驗(yàn)，最后取顆粒模型與天然煤粉相同的天然休止角對(duì)應(yīng)的顆粒參數(shù)值，做為相應(yīng)的顆粒微觀參數(shù)取值，顆粒的微觀物理參數(shù)為：法向粘結(jié)強(qiáng)度145 Pa，切向粘結(jié)強(qiáng)度130 Pa，法向剛度108N/m，切向剛度108N/m，圍壓1.0 MPa，摩擦因數(shù)1.0，密度1400 kg/m3。墻體的微觀物理參數(shù)為：法向剛度1010N/m，切向剛度1010N/m。

1.2 煤粉顆粒通過性能分析

在模型內(nèi)部生成具有一定級(jí)配的顆粒，模擬篩管周圍煤層，按隨機(jī)位置將顆粒在區(qū)域內(nèi)填充，通過循環(huán)來消除試樣內(nèi)部非均勻應(yīng)力；然后以伺服控制邊界墻體的方法對(duì)模型在x，y，z三個(gè)方向施加應(yīng)力，分別代表煤粉在原有地應(yīng)力作用下的應(yīng)力。初始化所有顆粒的速度、位移均為0；將割縫(圓孔)處墻體刪除，繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，并改變相關(guān)參數(shù)，研究顆粒在縫隙中的通過性能。

在圍壓(1 MPa)相同的情況下，通過改變篩眼直徑、割縫寬度、割縫長(zhǎng)度，分別得到篩眼直徑4～10 mm、割縫寬度在2～6 mm、割縫長(zhǎng)度20～60 mm的煤粉通過篩眼(割縫)顆粒體積，并計(jì)算100 mm2等效過流面積下的顆粒通過體積，分別如圖2a、b 所示，顆粒的微觀參數(shù)取值見1.1。

由圖2a可以看出，穿過篩眼或割縫的顆粒體積隨著篩眼直徑或割縫寬度和長(zhǎng)度的增大而增大，對(duì)于圓孔篩管，穿過篩眼的顆粒體積呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；對(duì)于割縫篩管，穿過割縫的顆粒體積隨著割縫寬度和長(zhǎng)度的增大基本呈線性增大趨勢(shì)。由圖2b可以看出，在等效過流面積下，對(duì)于圓孔篩管，煤粉顆粒通過體積量雖然隨著篩眼直徑變化有一定波動(dòng)，但其增長(zhǎng)趨勢(shì)基本隨篩眼直徑呈線性關(guān)系；對(duì)于割縫篩管，煤粉顆粒通過體積量隨割縫寬度和割縫長(zhǎng)度的增大均呈線性增大趨勢(shì)。

通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出，對(duì)于割縫篩管，改變割縫寬度對(duì)篩管煤粉顆粒通過體積量的影響要大于改變割縫長(zhǎng)度；對(duì)于圓孔篩管，改變篩眼直徑對(duì)于篩管煤粉顆粒通過體積量的影響要較割縫篩管更為顯著。在保證篩管過流面積一樣的前提下，對(duì)于圓孔篩管，可采用小孔徑的篩眼來減少煤粉通過量，但同時(shí)會(huì)使篩眼數(shù)量呈指數(shù)增加；對(duì)于割縫篩管，為保證通過割縫的煤粉體積量不致過多，應(yīng)采用較小的割縫寬度和割縫長(zhǎng)度為宜，同時(shí)考慮PVC 篩管其本身強(qiáng)度有限，易在地應(yīng)力作用下使割縫產(chǎn)生閉合，割縫寬度不宜小于2 mm，割縫長(zhǎng)度由20 mm 增加到30 mm 過程中，煤粉通過量變化很小，100 mm2等效過流面積下的煤粉通過量反而有所減少，割縫長(zhǎng)度超過30 mm 后煤粉通過量又顯著增加，因此可選擇寬度2 mm，長(zhǎng)度30 mm 割縫作為最優(yōu)割縫。

圖2穿過篩眼(割縫)的顆粒體積隨篩眼直徑、割縫參數(shù)的變化關(guān)系

2 瓦斯抽采對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)施

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為陽泉寺家莊煤礦15117工作面回風(fēng)巷，施工煤層為15號(hào)煤層，煤層厚度約5.5 m，局部煤層有波狀起伏，傾角一般4°～13°，整體傾角7°。工作面揭露一條向斜。頂板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，含少量砂質(zhì)，節(jié)理發(fā)育，含苛達(dá)葉化石，下部夾薄層FeS2，底板黑灰色砂質(zhì)泥巖，含菱鐵礦條帶，底部為層面夾有炭質(zhì)，逐步變?yōu)槟鄮r。

15號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含矸2～3層，塊狀及粉狀，以鏡煤為主，其次為暗煤，工作面的煤層較為穩(wěn)定，傾角變化明顯，局部存在撓曲，煤質(zhì)碎軟，瓦斯含量較高。

2.2 試驗(yàn)配套設(shè)備及鉆具

2.2.1 鉆機(jī)

試驗(yàn)采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY3000LG型履帶式全液壓坑道鉆機(jī)(圖3)。該鉆機(jī)是一種特別適于螺旋鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)，其整機(jī)質(zhì)量為6700 kg，額定轉(zhuǎn)矩3000 N·m，額定轉(zhuǎn)速800 r/min，主軸可實(shí)現(xiàn)±90°傾角，具有技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、搬遷方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于煤礦井下小直徑瓦斯抽放孔及其它工程孔的施工。

圖3 ZDY3000LG型履帶式全液壓坑道鉆機(jī)

2.2.2 鉆桿、鉆頭

采用?100/63.5-28 mm大通徑寬葉片螺旋鉆桿(圖4)，提高排粉效率。鉆頭采用一字鉸接型內(nèi)芯可開閉前置式鉆頭。該鉆頭結(jié)構(gòu)由空心鉆頭體、中心活動(dòng)翼片、鉸接銷、定位彈簧銷、外圓切削齒、內(nèi)芯切削齒、保徑齒、反切削齒等組成，如圖5所示。

圖4 大通徑寬葉片螺旋鉆桿

1-空心鉆頭體；2-中心活動(dòng)翼片；3-鉸接銷；4-定位彈簧銷；5-外圓切削齒；6-內(nèi)芯切削齒；7-保徑齒；8-反切削齒

2.3 篩管設(shè)計(jì)

2.3.1 篩管選材

篩管的管材選用適合煤礦井下使用的聚氯乙烯管，并添加抗阻燃抗靜電成分加工成礦用雙抗PVC管。其主要性能參數(shù)為：公稱直徑25 mm、壁厚2.9 mm、公稱壓力1.0 MPa、單位管重0.375 kg/m，具有抗靜電、阻燃性好、安全性高、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于煤礦井下抽放瓦斯、正負(fù)壓通風(fēng)等領(lǐng)域。

2.3.2 篩管結(jié)構(gòu)

結(jié)合模擬分析結(jié)果，篩管共設(shè)計(jì)4種結(jié)構(gòu)，其中3種割縫篩管，一種圓孔篩管，每種結(jié)構(gòu)的單根篩管過流面積均相同。第一種(圖6a)縫寬6 mm，縫長(zhǎng)18 mm，呈相位120°交錯(cuò)布設(shè)，共3排，相鄰割縫沿管長(zhǎng)間距50 mm；第二種(圖6b)縫寬2 mm，縫長(zhǎng)30 mm，呈相鄰交錯(cuò)對(duì)穿布設(shè)，相位90°，相鄰對(duì)穿縫間距60 mm，共4排，同排相鄰間距120 mm；第三種(圖6c)縫寬3 mm，縫長(zhǎng)20 mm，呈相鄰交錯(cuò)對(duì)穿布設(shè)，相位90°，相鄰對(duì)穿縫間距60 mm，共4排，同排相鄰間距120 mm；第四種(圖6d)為圓孔型篩眼，孔眼直徑10 mm，呈相位120°交錯(cuò)布設(shè)，共3排，相鄰割縫沿管長(zhǎng)間距40 mm。

圖6 篩管結(jié)構(gòu)

2.4 試驗(yàn)鉆孔布置及篩管下入情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從2016年11月9日早班開始，鉆孔施工截止日期2016年12月11日，抽采截止至2017月1月10日，累計(jì)施工鉆孔58個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺7021.5 m。其中下篩管鉆孔數(shù)20個(gè)，鉆孔深度為120～178 m，單排布孔，水平鉆孔間距3 m，累計(jì)進(jìn)尺2844.5 m。每種型式篩管分五孔下入，總長(zhǎng)度600 m，4種規(guī)格篩管共計(jì)2400 m，每孔封孔段采用直管，封孔長(zhǎng)度9 m，20孔共計(jì)180 m，平均下管長(zhǎng)度達(dá)到總孔深的90.7%。具體鉆孔及篩管下入情況見表1。

3 瓦斯抽采對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將抽采瓦斯篩管分為4個(gè)抽采組，第一組為6 mm×18 mm割縫篩管，第二組為2 mm×30 mm割縫篩管，第三組為3 mm×20 mm割縫篩管，第四組為?10 mm圓孔篩管。篩管全部下入后進(jìn)行集中抽采，分別記錄抽采當(dāng)天、7、15、21及30 d的各孔抽采數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總分析如圖7所示。

表1 鉆孔及篩管下入明細(xì)

第一組瓦斯孔抽采至15 d時(shí)，1-2號(hào)孔出現(xiàn)抽采中斷，瓦斯?jié)舛冉禐?，判斷1-2號(hào)篩管抽采通道已被煤粉堵塞；抽采至30 d時(shí)，混合氣平均流量為0.2 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?6.8%/孔。第二組瓦斯孔除2-1號(hào)孔抽采至21 d因封孔問題出現(xiàn)停檢外，其余4孔抽采正常，至30 d時(shí)平均混合氣流量為0.325 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?5%/孔。第三組抽采至21 d，3-2號(hào)孔出現(xiàn)抽采中斷，瓦斯?jié)舛冉禐?，判斷3-2號(hào)篩管抽采通道已被煤粉堵塞；抽采至30 d時(shí)，混合氣平均流量為0.2 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?5.6%/孔。第四組抽采至21 d時(shí)4-2、4-3號(hào)孔出現(xiàn)抽采中斷，瓦斯?jié)舛冉禐?，抽采至30 d，除4-4號(hào)孔外，其余4孔均出現(xiàn)抽采中斷，混合氣平均流量為0.04 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?2.8%/孔。

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，割縫篩管抽采30 d后，平均抽采流量0.24 m3/min/孔，平均抽采濃度49.1%/孔，分別是常規(guī)圓孔篩管的6倍和3.8倍。其中，第二組瓦斯孔抽采效果相比最好，5孔中除了1個(gè)孔因封孔問題抽采中斷外，其余孔抽采30 d后平均混合氣流量和濃度均較其余組孔要高，這說明瓦斯抽采通道仍維持較好，未出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象，采用2 mm×30 mm割縫型式防堵效果最好。第一組和第三組孔均有1個(gè)孔在抽采過程中出現(xiàn)篩管抽采通道堵塞現(xiàn)象，至抽采30 d后，第三組平均混合氣流量和瓦斯?jié)舛容^第一組高，這說明第三組篩管抗堵性能較優(yōu)。第四組瓦斯孔至抽采30 d后已出現(xiàn)4孔堵塞現(xiàn)象，為4組篩管中堵塞現(xiàn)象最嚴(yán)重，這說明采用?10 mm圓孔型式篩管抗堵效果相對(duì)最差。

圖7瓦斯抽采數(shù)據(jù)

結(jié)合上節(jié)模擬分析結(jié)果來看，在這4種篩管割縫型式中，2 mm×30 mm 割縫煤粉通過體積量最小，3 mm×20 mm 割縫和6 mm×18 mm 割縫依次增大，?10 mm 篩眼通過煤粉體積量最大，現(xiàn)場(chǎng)抽采試驗(yàn)基本驗(yàn)證了模擬分析的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)就總體趨勢(shì)來說，割縫篩管的煤粉通過量要小于同等過流面積的圓孔篩管，圓孔篩管篩眼直徑在4～10 mm時(shí)煤粉通過量分別是2 mm×30 mm割縫篩管的12～33倍。

(2)對(duì)于割縫篩管，割縫寬度對(duì)煤粉通過量的影響要大于割縫長(zhǎng)度，綜合考慮割縫篩管材料性能和瓦斯抽采過流面積的需要，對(duì)于?25 mm瓦斯抽采管將割縫參數(shù)設(shè)定為2 mm×30 mm，煤粉通過量達(dá)到最小。

(3)通過4種型式的篩管現(xiàn)場(chǎng)抽采試驗(yàn)結(jié)合模擬分析，煤粉通過量越小的篩管，其抗堵性能越優(yōu)，瓦斯抽采效果也越好，而割縫篩管整體上抽采效果優(yōu)于常規(guī)圓孔篩管，表明采用割縫型式的篩眼布置方式可有效提高抗堵性能，更好保持瓦斯抽采通道的暢通。