馬國芳，李東民 ,2，萬祖保，李 佳

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)電工程系，山東 泰安 271000；2.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310000；3.陜西中太能源投資有限公司 朱家峁煤礦，陜西 榆林 719000）

在松軟突出煤礦開采的過程中，瓦斯突出是影響開采的災(zāi)害之一，通過施工鉆孔可以將煤層中的瓦斯提前抽采出來，保證煤礦的安全生產(chǎn)。肋骨鉆桿配合風(fēng)力排渣是一種十分適合在松軟突出煤層中鉆孔的方法，但是這一方法仍然存在著排渣能力不足的問題[1]。在鉆進(jìn)過程中，煤渣會逐漸在其排渣通道內(nèi)積累并將排渣通道阻塞，最終導(dǎo)致卡鉆現(xiàn)象，所以排渣技術(shù)是長鉆孔成孔的關(guān)鍵[2]。為了提高長鉆孔的成孔率，避免卡鉆的發(fā)生，針對肋骨鉆桿水平鉆進(jìn)過程中的風(fēng)力排渣機(jī)理進(jìn)行分析，找出肋骨鉆桿排渣過程中存在的問題并提出合理的解決方案。

1 肋骨鉆桿風(fēng)力排渣力學(xué)機(jī)理分析

肋骨鉆桿的為中部空心，適合高壓流體通過，在鉆桿的外表面有一圈扁平的葉片，這樣的結(jié)構(gòu)使肋骨鉆桿相比外平鉆桿的純流體排渣多了一種機(jī)械排渣方式[3]。在肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中，流體排渣與機(jī)械排渣相互配合：當(dāng)排渣通道未發(fā)生煤渣阻塞時，排渣的方式主要為流體帶動煤渣排出孔外；當(dāng)排渣通道發(fā)生阻塞時，流體排渣方式暫時失效，肋骨鉆桿可以利用螺旋葉片對煤渣進(jìn)行推移的方式對阻塞段進(jìn)行疏通[4]。所以風(fēng)力排渣是肋骨鉆桿的最主要的排渣方式[5]。

1.1 煤渣運(yùn)動模型建立

肋骨鉆桿在水平鉆孔的過程如圖1，煤渣顆粒將在鉆桿葉片與外部高壓流體的協(xié)同作用下從鉆桿與孔壁之間形成的空隙排出。在煤渣的氣力排渣過程中，雖然煤渣本身為單個顆粒，但是煤渣顆粒總是以群的形式存在，因此真正有實際意義的物料臨界速度值是顆粒群的臨界速度[6]。對L 段煤渣顆粒群進(jìn)行受力分析，建立排渣過程中煤渣顆粒群的力學(xué)模型。

圖1 煤渣顆粒受力示意圖Fig.1 Force of slag particle

在實際排渣過程中的高壓流體有一定的黏性，將煤渣看作球體，當(dāng)流體與煤渣顆粒接觸時，會在煤渣的表面形成1 層附面層，煤渣受到的壓力則與流體在附面層上的速度梯度分布以及脫離狀態(tài)相關(guān)，附面層的形成與煤渣顆粒的尺寸、流體的速度、密度以及黏性相關(guān)。除此之外，煤渣顆粒還受到高壓空氣的切向摩擦應(yīng)力，以上2 部分應(yīng)力積分的總和就是流體對煤渣顆粒的作用力F[7]，在實際應(yīng)用中，F(xiàn) 常表示為式（1）的形式：

式中：C 為阻力系數(shù)；A 為煤渣顆粒群最大迎流面積，m2；ρα為高壓氣體的密度，kg/m3；vre為煤渣顆粒群與流體的相對速度，m/s。

由于煤渣顆粒群在輸送過程中處于懸浮狀態(tài)，采用懸浮沉降狀態(tài)下的阻力系數(shù)Cn進(jìn)行代替，處于同一阻力區(qū)的阻力系數(shù)的換算關(guān)系如式（2）：

式中：vn為煤渣顆粒的懸浮速度；K 為阻力與雷諾數(shù)關(guān)系式中的待定系數(shù)。

將式（2）代入式（1）可得：

式中：qf為單位時間煤渣顆粒群輸送質(zhì)量，kg/s;vf為煤渣顆粒群輸送速度，m/s;Ll為段的長度，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

煤渣顆粒群在運(yùn)動過程中除了受氣動推力，還會受到孔壁的阻力，阻力Tf的計算公式如式（4）：

式中：△p 為 L 段壓差；λ 為煤渣顆粒群的阻力系數(shù)；ρf為輸送過程中懸浮狀態(tài)下煤渣顆粒群密度，kg/m3；D 為孔腔直徑，m；vs為煤渣顆粒群的輸送速度，m/s。

當(dāng)煤渣處于懸浮狀態(tài)并勻速輸送時，根據(jù)牛頓第二定律可得：

式中：M 為 L 段煤渣顆粒群質(zhì)量，kg；FW為 L 段煤渣顆粒群質(zhì)量力，N。

將式（3）和式（4）代入式（5），且由于是水平方向鉆孔，質(zhì)量在水平方向作用力為0，得煤渣顆粒群運(yùn)動方程為：

式中：V 為氣流速度，m/s。

根據(jù)井下現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)，φ73 mm 肋骨鉆桿配合φ90 mm 的鉆頭形成的孔徑的平均直徑為93.5 mm，鉆桿的葉片高度為5 mm，葉片寬度為18 mm，螺距為96 mm。根據(jù)以上參數(shù)求得排渣通道實際過流面積為5.957×10-3m2，實際過流濕周周長為0.558 m，特征長度為0.042 7 m。當(dāng)使用風(fēng)力作為排渣介質(zhì)時，排渣通道正常風(fēng)速一般在10 m/s 以上，求得雷諾數(shù)Re≥500，處于牛頓慣性阻力區(qū)，確定煤渣顆粒群運(yùn)動方程如式（7）：

1.2 流體排渣時煤渣運(yùn)動輸送量分析

當(dāng)煤渣顆粒群在流體作用力F 與孔壁阻力Tf同時作用下達(dá)到勻速運(yùn)動時，為求煤渣顆粒群的速度大小，令dvs/dt=0，得：

根據(jù)氣體輸送理論，考慮到孔腔空間限制，煤渣顆粒形狀為不規(guī)則，對所得的煤渣顆粒懸浮速度vn采用有效界面系數(shù)和形狀系數(shù)Ks進(jìn)行修正，修正的為如式（9）：

式中：df為煤渣顆粒直徑，m；d 為鉆桿直桿。

煤渣顆粒群密度ρf是一個與氣固比m 有關(guān)的量，ρf=m（ραV）/vs，查閱資料得氣固比與最小風(fēng)速之間的回歸方程[8]如式（10）：

式中：v0為最小風(fēng)速。

根據(jù)排渣通道正常風(fēng)速最低值約為10 m/s，取v0=10，m=2.5，可得 ρf=10（ραV）/vs，將與 ρf代入式（7），并取煤渣顆粒直徑為 1 mm，阻力系數(shù) λ=0.3，形狀系數(shù)Ks=1.17，可得煤渣顆粒運(yùn)動速度vs方程如式（11）：

由式（11），可以代入實際孔腔直徑D，鉆桿直徑d 及不同氣流速度V 來求得煤渣顆粒運(yùn)動速度vs。另外根據(jù)氣固比 m=（ρfvs）/(ραV)，可以得出正常排渣時單位時間風(fēng)力排渣質(zhì)量Q 的計算公式如式（12）：

2 煤渣阻塞機(jī)理分析與鉆進(jìn)工藝改進(jìn)

在松軟煤層中進(jìn)行鉆孔施工過程中，引起卡鉆的原因中最重要的一點就是煤渣在孔內(nèi)積聚并將排渣通道阻塞致使鉆桿無法正?；顒覽9]，在鉆進(jìn)的過程中，理想狀態(tài)下單位時間產(chǎn)生的煤渣量計算公式如式（13）：

式中：QP為鉆進(jìn)過程單位時間產(chǎn)生的煤渣量，m3/s；R 為孔腔半徑，m；vR為鉆桿的鉆進(jìn)速度，m/s；ρ為煤的密度，kg/m3。

經(jīng)過對肋骨鉆桿排渣機(jī)理的分析，在正常的鉆孔過程中產(chǎn)生的煤渣會通過流體排渣的方式排出孔外，保持排渣通道的通暢。但如果煤渣產(chǎn)生的速率大于煤渣排出的速率，此時煤渣就會在排渣通道內(nèi)逐漸積累導(dǎo)致排渣通道阻塞并引起卡鉆[10]。所以單位時間產(chǎn)生的煤渣量應(yīng)當(dāng)小于或者等于肋骨鉆桿流體排渣單位時間所能排出的煤渣量，以常用的φ73 mm 肋骨鉆桿為例，根據(jù)工況選擇壓縮空氣的流量為 3 m3/min，計算可得流體速度 V 為 8.4 m/s，通過式（12）計算出其理想狀態(tài)下單位時間排出的煤渣量應(yīng)為0.413 kg/s，所以，理論上肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中單位時間產(chǎn)生的煤渣量應(yīng)該控制在0.413 kg/s 以內(nèi)。

3 實驗室驗證合理鉆進(jìn)速度

3.1 試驗裝置

肋骨鉆桿排渣過程是風(fēng)泵提供的壓力氣流由鉆桿中間的通風(fēng)孔進(jìn)入，達(dá)到孔底攜帶煤渣從鉆桿與孔壁形成的環(huán)狀排渣通道排出孔外，鉆桿的旋轉(zhuǎn)對煤渣起到一定的揚(yáng)起作用。根據(jù)肋骨鉆桿的排渣過程，搭建試驗臺，具體的試驗設(shè)備及裝置如下：①實驗臺基礎(chǔ)設(shè)備：主要由鉆桿、鐵皮支架、煤渣投放裝置、煤渣收集裝置、亞克力管道組成；②供風(fēng)系統(tǒng)：由風(fēng)泵、pvc 管道及接頭、pvc 軟管、轉(zhuǎn)子流量計組成；③回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由交流電機(jī)、傳動裝置、電機(jī)調(diào)速器；④其他設(shè)備：電子秤、計時器。排渣試驗裝置如圖2。

圖2 排渣試驗裝置Fig.2 The test device for slag discharge

所有設(shè)備準(zhǔn)備齊全后，首先測量好各裝置之間的位置，然后將鐵皮支架固定好，將亞克力管的兩端插入支架上預(yù)留好的空洞中，在亞克力管孔底的一端安裝煤渣投放裝置，另一端放入鉆桿，最后將煤渣收集裝置、傳動裝置、供風(fēng)裝置安裝在亞克力管空口一端。

3.2 試驗方案與結(jié)果

通過煤渣投放裝置控制煤渣的投放速率，每組不同的煤渣投放量的實驗進(jìn)行5 次時間長度為30 s的排渣模擬,試驗共分為6 組，每組的煤渣的投放速率分別為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45 kg/s。觀察每次試驗煤渣通道的阻塞情況并統(tǒng)計亞克力管中剩余的煤渣質(zhì)量并對其求平均值，以此來測定最適合φ73 mm 肋骨鉆桿的單位時間煤渣產(chǎn)生量，試驗的結(jié)果如下：

1）煤渣投放速率為 0.2、0.25、0.3、0.35 kg/s 的 4組試驗均未出現(xiàn)煤渣阻塞情況，煤渣投放速率為0.4 kg/s 的 1 組試驗中出現(xiàn)了2 次煤渣阻塞，煤渣投放速率為0.45 kg/s 的1 組試驗中出現(xiàn)了5 次煤渣阻塞。

2）對每組試驗剩余煤渣質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計，煤渣投放速率為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 kg/s 的試驗所對應(yīng)的平均剩余煤渣質(zhì)量分別為 0.444、0.504、0.064、0.792、0.917 kg，由于煤渣投放速率為 0.45 kg/s 的 1組試驗的試驗結(jié)果均為發(fā)生阻塞，所以沒有進(jìn)行剩余煤渣質(zhì)量的統(tǒng)計。

通過分析6 種煤渣投放速率的肋骨鉆桿排渣試驗數(shù)據(jù)的可以看出，隨著煤渣的投放速率的提升，由亞克力管模擬的排渣通道內(nèi)剩余煤渣質(zhì)量逐漸增多。當(dāng)煤渣投放速率低于0.35 kg/s 時，肋骨鉆桿的排渣通道一般不會產(chǎn)生阻塞的情況；當(dāng)煤渣投放速率超過0.40 kg/s 時，肋骨鉆桿的排渣通道存在出現(xiàn)阻塞的可能性；而當(dāng)煤渣投放速率達(dá)到0.45 kg/s時，肋骨鉆桿的排渣通道一定會產(chǎn)生阻塞。所以，肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中單位時間產(chǎn)生的煤渣量應(yīng)該控制在0.35 kg/s 以內(nèi)，低于前文理論計算所得到的理想狀態(tài)下單位時間排出的煤渣量0.413 kg/s。利用式（13）可得：當(dāng)肋骨鉆桿的鉆進(jìn)速率在0.036 m/s 以內(nèi)時，可以在達(dá)到最高的鉆進(jìn)效率的同時有效避免排渣通道阻塞。

4 結(jié) 語

通過分析肋骨鉆桿鉆進(jìn)過程中煤渣在排渣通道內(nèi)的受力和速度，建立煤渣顆粒在高速流體作用下的力學(xué)模型以及單位時間排渣速率的計算公式，提出了控制鉆進(jìn)速度可以有效避免發(fā)生煤渣阻塞的觀點。通過試驗驗證，對于常用的φ73 mm 的肋骨鉆桿，將煤渣投放速率可有效地防止煤渣阻塞的發(fā)生，通過單位時間產(chǎn)生的煤渣量的計算公式反推可得：肋骨鉆桿的鉆進(jìn)速率應(yīng)當(dāng)控制在0.036 m/s 以內(nèi)。