王 建

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦二號(hào)井，山西 晉城 048000）

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于風(fēng)力排渣做了大量的研究與探討[1-4]，但是對(duì)于在瓦斯抽放過(guò)程中鉆孔流場(chǎng)內(nèi)的變化情況并沒(méi)有做出具體的說(shuō)明。寺河礦二號(hào)井屬高瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為93.72m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為22.52m3/t。本文利用FLUENT軟件模擬了寺河礦二號(hào)井瓦斯抽放在風(fēng)力排渣過(guò)程中鉆孔流場(chǎng)的變化情況，從而可以找出在鉆孔時(shí)風(fēng)力排渣遇到的阻力原因，并加以解決，提高瓦斯抽放效果。

1 風(fēng)力排渣原理的介紹

風(fēng)力排渣成孔的原理是通過(guò)對(duì)鉆孔內(nèi)的氣體進(jìn)行壓縮，使孔內(nèi)的空氣快速流動(dòng)并使懸浮在孔內(nèi)的鉆屑被輸送到鉆孔口，最終完成風(fēng)力排渣。在這一過(guò)程中還能夠使鉆頭達(dá)到冷卻的效果。在此過(guò)程中，壓風(fēng)會(huì)削弱對(duì)鉆孔壁的沖擊，并且促使煤層中的瓦斯及時(shí)地進(jìn)行排放。為了保證鉆孔內(nèi)的鉆屑被快速、暢通無(wú)阻地排出去，在成孔的過(guò)程中需要達(dá)到一定的排渣能力。

2 風(fēng)力排渣的相關(guān)參數(shù)

2.1 風(fēng)速的確定

鉆孔內(nèi)風(fēng)流速度的大小與鉆屑顆粒的直徑有著很大的關(guān)系。為了保證鉆屑顆粒能被及時(shí)快速地排出孔外，孔內(nèi)的風(fēng)速必須大于顆粒的沉降速度，并且還要考慮其與鉆孔壁之間的摩擦阻力。通常情況下，鉆屑顆粒的直徑都比較大，在沉降的過(guò)程中流體對(duì)于顆粒的空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)要在500以上，此時(shí)顆粒的沉降速度一般滿足牛頓阻力定律。

式中：

ut-煤渣顆粒沉降速度，m/s；

ρa(bǔ)-空氣密度，kg/m3；

ρs-鉆屑密度，kg/m3；

ds-鉆屑粒徑，m；

g-重力加速度，m/s2。

為了克服煤渣顆粒和孔壁面的阻力以及位能的損失，使顆粒排出孔外的最小風(fēng)速為：

式中：

ua-風(fēng)流的最小速度，m/s；

ζs-磨擦系數(shù)，其值取1；

θ-鉆孔傾角，（°）。

ua通常指的是鉆屑顆粒在鉆孔壁流動(dòng)過(guò)程中的風(fēng)流速度，而在鉆孔成孔的過(guò)程中會(huì)有大量的鉆屑顆粒出現(xiàn)，它們之間會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦從而使得鉆孔堵塞。因此，為了避免這一情況的發(fā)生，鉆孔內(nèi)的風(fēng)速要達(dá)到下面的條件：

式中：

ub-不發(fā)生鉆孔堵塞的最小風(fēng)速，m/s；

Ws-總的產(chǎn)渣量，kg/s。

由上可知，為了使得煤渣被及時(shí)排出孔外所需的風(fēng)速ua、ub應(yīng)達(dá)到最大值。

2.2 供風(fēng)壓力的確定

風(fēng)力排渣首先要保證足夠大的風(fēng)速，而為了達(dá)到如此大的風(fēng)速需要提供足夠的供風(fēng)壓力，進(jìn)而克服此過(guò)程中的摩擦阻力，其阻力損失的計(jì)算公式如下所示：

式中：

△p-壓風(fēng)過(guò)程中的阻力損失，Pa；

△pa-風(fēng)流由孔底流向孔口的阻力損失，Pa；

△ps-煤渣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力損失，Pa；

△pt-壓風(fēng)過(guò)程中的阻力損失，Pa；

△psac-鉆屑在增加運(yùn)動(dòng)中的阻力損失，Pa；

△pz-風(fēng)流在孔內(nèi)流動(dòng)的阻力損失，Pa。

3 順層鉆孔風(fēng)力排渣模擬研究

3.1 CFD模擬程序介紹

本文基于CFD程序?qū)︼L(fēng)力排渣進(jìn)行模擬，主要是模擬流體的流動(dòng)狀態(tài)，一是可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流的情況，二是兩相流的問(wèn)題。本模擬還根據(jù)FLUENT以及GAMBIT軟件對(duì)整個(gè)鉆孔成孔過(guò)程中流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行了模擬說(shuō)明，分析出流場(chǎng)中鉆屑顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和壓力損失情況。

3.2 模擬過(guò)程的建立

首先在GAMBIT軟件中確定顆粒的流動(dòng)范圍、確定邊界種類并生成網(wǎng)格。把鉆孔壁看作是一個(gè)剛形體，基于實(shí)際礦井工作中鉆桿的尺寸大小及其鉆孔的深度分別為：鉆桿內(nèi)徑是28mm，鉆桿外孔直徑是68mm，孔徑是89mm，其孔深是180000mm。確定出邊界條件分為壓力出、入口及鉆孔壁面等情況，生成的網(wǎng)絡(luò)為六面體。

其次把建立的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件當(dāng)中，對(duì)一些特定的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并選取相關(guān)的模型。邊界條件的相關(guān)參數(shù)主要包括：鉆孔壓力出、入口的值為0atm、7atm，水力直徑的大小值設(shè)定為21mm、28mm，湍流強(qiáng)度的大小值設(shè)定為4.8%、4.6%，而水力直徑以及湍流強(qiáng)度可以根據(jù)下面的公式進(jìn)行求解：

式中：

d-水力直徑，m；

A-面積，m2

S-周界長(zhǎng)度，m。

式中：

v-流體的速度m/s；

ρ-流體的密度，kg/m3；

μ- 流體的粘度，Pa·s。

式中：

I-湍流強(qiáng)度，%；

u′-湍流的脈動(dòng)速度，m/s；

-湍流的平均速度，m/s；

ReH-雷諾數(shù)。

本模擬主要用到的模型是離散型和方程模型，前者主要是模擬煤屑運(yùn)動(dòng)的情況，后者模擬的是風(fēng)流湍流運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。因此，結(jié)合本模擬的特征采用相間耦合的方法來(lái)模擬煤屑在風(fēng)流作用下的流動(dòng)情況。

對(duì)離散相模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置：選用的寺河礦二號(hào)井煤粒徑大小為0.45mm，其密度值為1420kg/m3，而排渣的總量是0.02kg/s。參數(shù)被設(shè)置好后進(jìn)而進(jìn)行模擬分析，煤顆粒流動(dòng)軌跡圖如圖1所示。

由圖2可知煤渣顆粒在鉆孔深度影響下的變化情況。在鉆孔中產(chǎn)生的煤渣在風(fēng)流的影響下速度急劇上升到約22.5m/s，在鉆頭周圍大約20m左右速度的變化幅度約為0～20m/s，煤渣會(huì)隨風(fēng)任意飄揚(yáng)。此過(guò)程中的煤渣顆粒由于在自身重力的影響下，它們之間以及與孔壁之間相互摩擦使其速度值上下增減。接著在其后約為160m左右風(fēng)流速度趨于平緩，將煤渣顆粒吹出鉆孔外。根據(jù)圖3可知此煤渣顆粒在整個(gè)過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間大約為7s左右。

圖1 煤顆粒流動(dòng)軌跡圖

圖2 煤顆粒速度隨著孔深變化的示意圖

圖3 煤顆粒速度隨著時(shí)間變化的示意圖

4 結(jié)論

（1）風(fēng)流在流動(dòng)的過(guò)程中具有可壓縮的性質(zhì)，所以當(dāng)其流過(guò)鉆桿孔內(nèi)部時(shí)體積會(huì)呈現(xiàn)出膨脹的狀態(tài)。風(fēng)流速度在鉆桿孔初期增加幅度較少，隨著鉆孔深度的增加，其速度會(huì)大幅度增長(zhǎng)，當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)鉆頭處時(shí)會(huì)有大量的能量轉(zhuǎn)換，之后風(fēng)速減緩并以較低的風(fēng)速流出鉆孔口。在流向鉆孔外部時(shí)，風(fēng)流的速度大致趨于線性的變化并慢慢減小。

（2）寺河礦二號(hào)井瓦斯抽放鉆孔施工時(shí)，鉆孔內(nèi)煤渣顆粒的速度會(huì)因鉆孔深度的變化而變化。風(fēng)流從鉆孔口流向鉆頭的過(guò)程中，孔內(nèi)的壓力會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其靜壓力也會(huì)相應(yīng)地變小，當(dāng)風(fēng)流到達(dá)鉆孔口時(shí)，其值慢慢減為零。