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        下行瓦斯抽采穿層鉆孔排水技術(shù)及裝置研究與應用

        2019-10-30 03:42:24孟戰(zhàn)成
        中國煤炭 2019年9期
        關鍵詞:閥門

        孟戰(zhàn)成

        (平煤股份勘探工程處,河南省平頂山市,467000)

        鉆孔抽采瓦斯是實現(xiàn)突出煤層安全開采的前提和保證。為了降低費用,實現(xiàn)“一巷兩用”,部分礦井在高位巷施工下行穿層鉆孔治理煤巷瓦斯。但在打鉆過程中巷道風流瓦斯?jié)舛瘸迒栴}不僅影響了鉆孔施工效率,而且對鉆機作業(yè)和井下巷道環(huán)境安全構(gòu)成嚴重威脅[1-5]。

        在高位巷施工下行穿層瓦斯抽采鉆孔時,由于施工過程排渣、排水難度大,造成鉆孔內(nèi)積渣、積水無法排出鉆孔,影響封孔、抽采效果,無法達到預期抽采目標。目前,高位巷下行穿層瓦斯抽采鉆孔施工及封孔過程中有以下問題:下行鉆孔向上排粉難,鉆孔易積渣、易積水;封孔前孔內(nèi)有積渣、積水,封孔管不能下至指定位置;因封孔段有水,導致封孔效果不好;抽采段有水,導致抽采效果差。

        1 下行穿層鉆孔排渣機理與供水參數(shù)優(yōu)化

        1.1 下行穿層鉆孔排渣機理

        下行穿層鉆孔目前大多采用沖洗液(高壓風或高壓水)正循環(huán)的方式排渣成孔,即沖洗液從鉆桿中心進入,通過鉆頭上的孔洞進入鉆削部位,再沿著鉆桿與孔壁之間的間隙帶著礦渣流出孔口,完成排渣過程。排渣過程中的動力來自于外在沖洗液的動力,沖洗液正循環(huán)排渣示意圖見圖1。

        圖1 沖洗液正循環(huán)排渣示意圖

        在鉆孔鉆進過程中,鉆渣在鉆頭孔口沖洗液射流的作用下離開孔底,進入鉆桿與孔壁之間的空間,并上返至孔口。經(jīng)分析,鉆渣上返過程中在孔壁與鉆桿之間的空間運動中會形成3個區(qū)域。

        (1)鉆渣上返區(qū)。該區(qū)與孔口相連,鉆渣顆粒直徑小,孔內(nèi)鉆渣量較少,沖洗液的流速高,在沖洗液的作用下,這一區(qū)域的鉆渣能順利地排到孔外。

        (2)鉆渣聚集區(qū)。在鉆渣上返區(qū)下部就逐漸聚集一些較大的鉆渣顆粒,這些大顆粒無法上返而逐漸聚集起來。

        (3)鉆渣擠壓區(qū)。隨著鉆孔深度繼續(xù)增加,鉆渣聚集區(qū)下部,在鉆頭、鉆桿的攪動下,小顆粒穿過聚集區(qū)上返,大顆粒則聚集在下邊,鉆渣聚集區(qū)下部的鉆渣被逐漸壓實,形成鉆渣擠壓區(qū);隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)在擠壓區(qū)的鉆渣被二次粉碎,小顆粒上返。當鉆機扭矩不足,不能把大顆粒鉆渣擠破時,就會產(chǎn)生鉆渣將鉆桿緊緊抱死的“卡鉆”現(xiàn)象。

        在下行穿層鉆孔鉆進過程中,這3個區(qū)域是動態(tài)變化的、依次逐步形成的,并最終同時存在。在鉆進過程中,不斷提鉆或增大沖洗液壓力,一定程度上破壞了鉆渣擠壓區(qū)和鉆渣聚集區(qū),緩和了鉆渣擠壓區(qū)的形成,使得鉆進可以得到持續(xù);不斷提鉆,擠壓區(qū)的鉆渣將掉入孔底,鉆頭對鉆渣反復破碎,有利于鉆渣的排出,但降低了鉆進的速度。

        1.2 下行穿層鉆孔供水參數(shù)優(yōu)化

        (1)巖屑顆粒沉降速度。靜止液體中,巖屑顆粒受力示意圖見圖2。

        圖2 靜止液體中,巖屑顆粒受力示意圖

        圖2中,假定巖屑顆粒為球形,其重力為G,方向向下,在重力作用下顆粒下沉;P1為浮力,大小等于顆粒所排出同體積液體的重量,方向向上;P2為顆粒在液體中下沉運動所遇到的阻力,方向向上。得出:

        式中:G——球形顆粒的重量,N;P1——浮力,N;

        P2——顆粒在液體中下沉運動所遇到的阻力,N;

        γ1——巖屑顆粒密度,取2.5×103kg/m3;

        d1——球形巖屑直徑,m。

        γ2——沖洗液體密度,取1×103kg/m3;

        W——巖屑顆粒在液體中的沉降速度,m/s

        F1——受到阻力的面積,即垂直于運動方向的巖屑橫斷面積,m2;

        C——阻力系數(shù),與巖屑形狀、大小、液體粘度等有關。

        將式(1)簡化:

        設定巖屑顆粒直徑為3 mm,C值取2.5,則其在水中的沉降速度W=0.166 m/s。

        (2)沖洗液流量的計算。Q=F2×v1(3)

        式中:Q——沖洗液流量,m3/s;

        F2——上返液流流過的斷面,m2;

        v1——沖洗液上返速度,m/s。正循環(huán)沖洗時,式(3)轉(zhuǎn)化為:

        式中:m——由于孔徑不規(guī)則,上返速度不均勻系數(shù),取1.07;

        d2——孔徑,取0.094 m;

        d外——鉆桿外徑,取0.073 m;

        v1——沖洗液上返速度,取0.6 m/s。

        將相關參數(shù)代入式(4)得Q為0.00175 m3/s(0.1 m3/min)。

        此值表明,要使直徑3 mm的巖石顆粒能夠上返,沖洗液的流量不低于0.1 m3/min。

        下行鉆孔若要順利高效率排渣,最小管路直徑為34 mm,或最小流速增加到3.56 m/s。

        2 封孔排水技術(shù)和裝置研究

        潛入式排水裝置結(jié)構(gòu)如圖3,實物如圖4所示,裝置的筒體長1000 mm,筒體直徑76 mm,排水管外徑16 mm,進排氣管外徑8 mm,氣源壓力大于等于0.3 MPa,一個循環(huán)排水量4 L。潛入式排水器的排水管管口位于筒體底部,進排氣管管口位于筒體頂部,底部控制閥為一單向?qū)ㄩy門,水只能從外部經(jīng)此處進入筒體,不能從此處流出。

        圖3 潛入式排水器結(jié)構(gòu)圖

        圖4 潛入式排水器筒體實物

        抽采鉆孔打孔結(jié)束,退出鉆桿鉆頭之后,封孔之前,先把排水管、進、排氣管插到筒體上的快速接頭上,把牽引繩的一頭拴在繩鼻上,然后將排水器插入孔內(nèi),直至接近孔底。在排水器插入孔底的過程中,孔內(nèi)積水進入筒體內(nèi)部,打開三通閥手柄,向筒體內(nèi)通入壓縮空氣,單向?qū)ㄩy關閉,筒體內(nèi)形成封閉空間,在壓縮空氣的作用下,筒體內(nèi)的積水通過排水管排到孔外。當排水管不再出水,噴出氣體時,筒體內(nèi)積水就基本排除完畢。停止供氣,轉(zhuǎn)動三通閥手柄,進、排氣管處于排氣狀態(tài),在外部水壓的作用下,積水通過單向?qū)ㄩy進入筒體,同時,筒體內(nèi)的空氣通過排氣管排到孔外。至此完成一個排水、進水循環(huán)。

        重復上述循環(huán),就排出了孔內(nèi)積水。需要注意的是在排水時,排水管管口附近嚴禁站人,以防高壓水噴出傷人。

        3 抽采過程中排水技術(shù)和裝置研究

        3.1 抽采過程中排水技術(shù)

        下行抽采鉆孔正壓排水器結(jié)構(gòu)和實物圖如圖5和圖6所示。當鉆孔內(nèi)有積水時,排水器安裝在鉆孔的瓦斯抽采管上,排水器由帶快速接頭的三通、密封接頭、排水管、排水管閥門、進氣閥門、抽采管閥門等組成??焖俳宇^與抽采鉆孔的抽采管相連,固定于抽采鉆孔孔口(當排水器為臨時設置時,采用帶快速接頭的三通,若排水器長期固定使用,則采用膠粘的方式)。排水管出水端安裝閥門,排水狀態(tài)打開,抽采狀態(tài)關閉,排水管穿過密封接頭,通過三通的直管段到達抽采鉆孔孔底。三通的另一端安裝進氣閥門和抽采管閥門。

        圖5 下行抽采鉆孔正壓排水器結(jié)構(gòu)示意圖

        圖6 下行抽采鉆孔正壓排水器實物圖

        下行抽采鉆孔封孔結(jié)束之后,在接通抽采系統(tǒng)之前(也適用于抽采過程中的鉆孔),將下行抽采鉆孔正壓排水裝置安裝固定于抽采鉆孔孔口,排水管通過密封三通安放至鉆孔孔底,并旋緊密封接頭,三通的另一端通過抽采管閥門與抽采管路相連接。當需要排水時,關閉抽采管閥門,打開壓縮空氣進氣閥門、排水管閥門,依靠壓縮空氣的作用,將鉆孔內(nèi)的積水排出。

        3.2 正壓排水裝置安裝步驟

        (1)安裝三通。將正壓排水裝置的三通接頭安裝固定于抽采鉆孔孔口。

        (2)安裝排水管。將正壓排水裝置排水管通過三通的直管段,送到抽采鉆孔孔底,向外拔出200 mm后,在孔口留出適當長度切斷,在排水管外露端部安裝排水閥門,并關閉排水閥門。旋緊排水管密封接頭。

        (3)連接抽采系統(tǒng)。將正壓排水裝置抽采系統(tǒng)與三通的直角端相連接,打開抽采管閥門。

        3.3 正壓排水裝置排水步驟

        (1)關閉抽采管閥門,切斷抽采鉆孔的抽采負壓。

        (2)用連接軟管連接進氣接口閥門和井下壓風系統(tǒng)。

        (3)打開排水管閥門。

        (4)打開進氣接口閥門,向抽采鉆孔內(nèi)注入壓縮空氣。

        (5)在氣體壓力的作用下,鉆孔內(nèi)的積水被排出(排水口不再噴水、噴氣時,表示排水完畢)。

        (6)關閉進氣接口閥門和排水管閥門。

        (7)打開抽采管閥門,使抽采鉆孔處于抽采狀態(tài)。

        (8)排水過程中,排水口嚴禁對準人或設備,防止噴出的高壓水、氣傷人。

        裝置主要特點:以壓縮空氣為動力,對下行鉆孔內(nèi)的積水進行排放,操作簡單、方便可靠;采用三通結(jié)構(gòu)形式與抽采管、抽采管路相連接,固定于抽采鉆孔孔口,不影響抽采鉆孔正常抽采,排水效率高;裝置與抽采鉆孔抽采管采用快插式連接,連接速度快。

        4 工業(yè)性試驗

        為了保證試驗效果,在平煤股份一礦戊8-31220風巷高抽巷和六礦戊8-32010機巷高抽巷2條巷道進行了工業(yè)性試驗。

        4.1 潛入式排水裝置排水試驗情況

        下行穿層鉆孔水排粉施工時,可以杜絕粉塵飛揚,同時杜絕了孔內(nèi)著火事故,為煤礦安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。但是成孔后,鉆孔內(nèi)積水無法排出,造成封孔管無法安裝到設計位置、積水稀釋注漿液等問題,導致封孔不符合設計、鉆孔封孔效果差、鉆孔漏氣,影響抽采效果。封孔前,采用潛入式排水裝置排出孔內(nèi)積水,可以解決上述兩個問題,可以提高瓦斯抽采效果。

        在平煤股份一礦戊8-31220風巷高抽巷試驗了封孔前潛入式排水器,共試驗213個鉆孔。

        在潛入式排水器進水口單向閥下部增加粒度不大于5 mm的濾網(wǎng),如圖7所示,保證既能排出積水中一定大小的鉆渣顆粒,同時顆粒又不堵塞排水管路。試驗過程中,使用定量水桶量取排水量。排水6 min,排出水量138 L,排出的水呈渾濁狀,并含有顆粒狀巖石,平均排水23 L/min。受排水管長度限制,下放排水器沉入孔中20 m。若出現(xiàn)不出水或堵塞現(xiàn)象,需更換進排氣口,向排水口充氣,通暢后,再正常排水。

        圖7 改進后排水器筒體底部濾網(wǎng)

        排水前后封孔漏氣情況見表1。

        (1)排水后注漿量的變化。在平煤股份一礦戊8-31220風巷高抽巷第164組和165組鉆孔進行了試驗,165組沒有應用潛入式排水裝置,164組鉆孔應用了潛入式排水裝置,對兩組鉆孔注漿量進行對比分析,統(tǒng)計的鉆孔注漿量如圖8所示。

        表1 排水前后封孔漏氣情況

        圖8 封孔使用膨脹水泥量對比

        由圖8可以看出,改進封孔工藝后,在注漿液配比和封孔段長度相同的情況下,單孔注漿液進入鉆孔量明顯增加,由原來的平均每孔43.2 kg左右增加到平均每孔61.3 kg左右,最大注漿量為66 kg,單孔注漿液使用量平均提高了41.0%。該裝置的應用,排出了孔內(nèi)積水,提高了封孔、注漿效果,提高了瓦斯抽采效果。

        (2)排水后注漿效果。沒有采用潛入式排水裝置的鉆孔數(shù)和漏氣鉆孔數(shù)的對比如圖9所示,潛入式排水裝置的鉆孔數(shù)和漏氣鉆孔數(shù)的對比如圖10所示。

        通過相同條件下封孔工藝革新前后每月漏氣鉆孔個數(shù)所占當月施工鉆孔比例對比,封孔工藝革新后漏氣鉆孔所占比例減少3.8%,證明革新后的封孔工藝更能對鉆孔進行有效地封堵,封孔質(zhì)量得到明顯提高。

        圖9 不排水鉆孔漏氣對比圖

        4.2 正壓排水試驗情況

        圖10 排水后鉆孔漏氣統(tǒng)計情況

        在六礦打鉆工區(qū)戊8-32010機巷高抽巷選定20個試驗孔進行正壓排水試驗,其中有2個孔在試驗過程中因抽采管破損無法排水、測量數(shù)據(jù),實際有效試驗孔18個。鉆孔孔徑為94 mm,封孔管徑為50 mm。18個有效試驗孔統(tǒng)計見表2和表3。

        表2 18個有效試驗排水記錄表 L

        在風壓0.3~0.6 MPa的條件下,排水用時1~15 min,分別排出水量1~47 L積水,平均每孔累計排水53 L,每孔平均每次排水0.2~14.2 L。

        對18個試驗抽采孔進行1個月排水試驗,各孔排水量趨勢如圖11所示。除個別鉆孔如264-5#、265-3#、268-2#、272-4#的排水量在排水前期變化值比較大外,其余鉆孔隨著排水天數(shù)的增加,排水量呈逐漸減少的趨勢,第8次排水(20 d)后,各孔排水量基本趨于穩(wěn)定,個別鉆孔已排不出水,但大部分都會排出少量的積水。由圖11可知:

        (1)第一次排水1~47 L,平均排水12.3 L,隨著排水次數(shù)的增加,除264-5、265-3、272-4鉆孔外,其他鉆孔的排水量逐漸下降直至為0 L;

        (2)264-5、265-3、272-4鉆孔排水量較大、持續(xù)時間較長,根據(jù)現(xiàn)場查看分析,推測可能有其他水源引入;

        (3)風壓對排水有影響,風壓越大排水效率越高。

        表3 排水統(tǒng)計表

        4.3 瓦斯抽采濃度

        (1)單孔瓦斯抽采濃度。在六礦戊8-32010機巷高抽巷268-2進行排水試驗,排水前后瓦斯?jié)舛茸兓鐖D12所示。由圖12可知,排水前,8次測量平均值為17.75%;排水后,8次測量平均值為41.26%,增幅132%。

        344-3鉆孔排水前后濃度變化如圖13所示。由圖13可知,排水前,鉆孔瓦斯抽采濃度8次測量平均值為45.91%;排水后,鉆孔瓦斯抽采濃度8次測量平均值為60.67%,增幅32%。

        圖11 各試驗鉆孔排水量趨勢圖

        圖12 268-2試驗抽采孔排水前后濃度變化趨勢圖

        圖13 344-3試驗抽采孔排水前后濃度變化趨勢圖

        345-3鉆孔排水前后濃度變化如圖14所示。由圖14可知,排水前,8次測量平均值為34.50%;排水后,8次測量平均值為56.36%,增幅63.3%。

        圖14 345-3試驗抽采孔排水前后濃度變化趨勢圖

        (2)整體分析。當抽采鉆孔中充滿積水時,一定高度的水柱在孔底會產(chǎn)生靜壓,這個壓力對于煤層中瓦斯的逸出產(chǎn)生“水封”效應,瓦斯從鉆孔內(nèi)只能自然逸出,瓦斯治理效果差。通過排水,提高瓦斯抽采濃度,排水前后瓦斯抽采濃度如圖15、圖16所示。

        由圖15和圖16可知,排水前,瓦斯抽采濃度普遍較低,個別施工地點瓦斯抽濃度低于10%。初次排水后,瓦斯抽采濃度在30%以上,有22%的鉆孔排水后,瓦斯抽采濃度達到45%以上,瓦斯抽采時間可延長至20 d以上。最大單孔濃度由原來的0%提高至70%,7 d內(nèi)抽采濃度提高30%以上的有11個孔,所占試驗比率73.3%。

        圖15 排水前后瓦斯抽采濃度

        圖16 排水后瓦斯抽采濃度

        5 結(jié)論

        (1)現(xiàn)場使用水排粉的供水參數(shù)中,供水流量不滿足使用要求,實際為0.00098 m3/s,理論計算需要最低流量為0.00175 m3/s,供水管路直徑到34 mm,或最小增加流速至3.56 m/s;現(xiàn)場打鉆過程中,采用的供水管路直徑19 mm,供水流速2 m/s,供水流量為0.0098 m3/s。

        (2)研制了封孔前排水裝置——潛入式排水器,最大排水深度20 m。潛入式排水器排水后,注漿量增加41.9%;封孔漏氣率降低到1.7%以下,同比減少3.8%;平均每分鐘排水可達23 L。

        (3)研制了抽采過程中的正壓排水裝置,排水后,瓦斯抽濃度可達到30%以上。

        通過排水裝置的研究與應用,為下行瓦斯抽采鉆孔排水提供了一條解決途徑,提高了瓦斯抽采濃度和瓦斯治理效果。

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