冀前輝，董萌萌，劉建林，石 磊

煤礦井下碎軟煤層泡沫鉆進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用

冀前輝1,2，董萌萌2，劉建林2，石 磊2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對(duì)煤礦井下碎軟煤層瓦斯抽采中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)施工中排粉能力有限，易造成粉塵污染問(wèn)題，提出采用煤礦井下泡沫灌注系統(tǒng)及寬翼螺旋鉆桿進(jìn)行高效泡沫鉆進(jìn)的技術(shù)方案。通過(guò)對(duì)鉆孔環(huán)空間隙流場(chǎng)的數(shù)值模擬，研究寬翼螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫鉆進(jìn)高效排粉的影響，確定頭數(shù)3、槽寬26 mm、螺距110 mm 為寬翼螺旋鉆桿的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。在淮北某礦3204工作面碎軟煤層中進(jìn)行了深度達(dá)195 m的本煤層鉆孔試驗(yàn)，結(jié)果表明，相對(duì)于中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力降低了42%~48%，表現(xiàn)出高效的排粉效果，可提高煤礦井下碎軟煤層鉆孔深度和成孔率。該工藝可為類(lèi)似煤礦井下深鉆孔施工提供借鑒。

泡沫鉆進(jìn)；瓦斯抽采；高效排粉；螺旋鉆桿

施工鉆孔抽采瓦斯是防止瓦斯事故的有效手段，在本煤層中直接施工鉆孔具有有效進(jìn)尺比例高、抽采效果好等特點(diǎn)，常被首選為瓦斯治理方法[1]。保證鉆孔軌跡在煤層中盡可能有效地延伸，進(jìn)而提高瓦斯抽采率，對(duì)保證煤層瓦斯治理效果、保障煤礦開(kāi)采安全，具有至關(guān)重要的意義[2-3]。我國(guó)煤礦煤層賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜，受成因、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，有相當(dāng)數(shù)量的煤層堅(jiān)固性系數(shù)≤0.5，煤質(zhì)碎軟、易坍塌、構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯高富集，施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)噴孔、垮孔等異?，F(xiàn)象，容易發(fā)生孔內(nèi)事故，在這類(lèi)碎軟煤層中施工鉆孔遇到巨大困難，其順層長(zhǎng)鉆孔施工一直是國(guó)內(nèi)外沒(méi)有很好解決的難題[4-6]。中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)提高了碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔成孔深度和成孔率，得到廣泛的推廣應(yīng)用[7]，但是，該技術(shù)本身存在一定的局限性：空氣作為沖洗介質(zhì)時(shí)，其鉆進(jìn)排粉能力有限；高速流動(dòng)的粉塵污染鉆場(chǎng)工作環(huán)境；在施工含水地層時(shí)，水與煤粉混合后產(chǎn)生煤泥狀鉆屑，黏在鉆桿周?chē)?，易造成卡鉆、抱鉆。為了提高煤礦井下碎軟煤層鉆進(jìn)的工藝適應(yīng)性，采用泡沫替代空氣作為沖洗介質(zhì)，通過(guò)數(shù)值模擬研究?jī)?yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高攜、排粉能力，并在淮北某礦3204工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提高了鉆進(jìn)深度和排粉效果。

1 碎軟煤層泡沫鉆進(jìn)工藝與裝備

泡沫鉆進(jìn)是多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)方法之一，泡沫是介于空氣和清水之間的鉆進(jìn)沖洗介質(zhì)，在潮濕、含水、漏水、水敏性強(qiáng)以及不穩(wěn)定等地層中鉆進(jìn)具有獨(dú)特優(yōu)越性，與采用泥漿、純壓縮氣體作為沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)相比，泡沫鉆進(jìn)具有以下幾方面的特點(diǎn)[8-10]。

a. 攜粉能力強(qiáng)，孔內(nèi)凈化效果好 泡沫流體的攜粉能力比空氣的攜粉能力大得多，孔內(nèi)巖粉排出徹底，施工過(guò)程中能夠避免孔底巖屑的重復(fù)破碎，有利于延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。

b.冷卻效果好 泡沫的熱容量比純氣體的大，冷卻散熱能力強(qiáng)，能夠降低熱量在鉆頭上的聚集，有效避免燒鉆。

c.孔內(nèi)事故少 泡沫鉆進(jìn)時(shí)泡沫流的上返速度低，只有純氣體鉆進(jìn)時(shí)氣體上返速度的十幾分之一，因此，對(duì)孔壁的沖刷擾動(dòng)作用小，利于防止孔壁出現(xiàn)力學(xué)性失穩(wěn)。

充分考慮泡沫鉆進(jìn)工藝本身及具體應(yīng)用環(huán)境的特殊性，研究設(shè)計(jì)了煤礦井下用泡沫灌注系統(tǒng)，由防爆空壓機(jī)、泡沫液泵、泡沫發(fā)生器、氣體流量計(jì)、泡沫液體流量計(jì)及控制閥門(mén)、泡沫液罐、管件等組成，如圖1所示。防爆空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣與泡沫液泵供應(yīng)的泡沫劑溶液在泡沫發(fā)生器內(nèi)混合后形成穩(wěn)定泡沫，經(jīng)高壓膠管、送水器進(jìn)入鉆桿內(nèi)孔，通過(guò)鉆頭水眼噴出后，將煤粉攜帶出鉆孔實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。進(jìn)入泡沫發(fā)生器內(nèi)的壓縮空氣體積流量由氣體流量控制單元來(lái)調(diào)節(jié)，借助氣體流量計(jì)顯示；分流的壓縮空氣供給消泡器使用[11]。進(jìn)入泡沫發(fā)生器的泡沫劑溶液量由液體流量控制單元來(lái)調(diào)節(jié)，借助泡沫液體流量計(jì)顯示；分流的泡沫液返回泡沫液箱。泡沫液泵的出口處設(shè)計(jì)了旁通管路單元，用于加接鉆桿時(shí)臨時(shí)關(guān)停泡沫劑溶液的供給，避免頻繁開(kāi)關(guān)泡沫液泵。

2 寬翼螺旋鉆桿參數(shù)數(shù)值模擬

碎軟煤層鉆進(jìn)時(shí)，煤質(zhì)松軟且瓦斯壓力大，鉆進(jìn)過(guò)程中需要在短時(shí)間內(nèi)排出大量的煤粉，高效排粉是實(shí)現(xiàn)碎軟煤層鉆孔成功的關(guān)鍵，鉆井液鉆井的研究成果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)都表明，增加循環(huán)介質(zhì)的紊流度對(duì)于解決井眼清潔問(wèn)題有積極作用[8,12]。

圖1 煤礦井下泡沫灌注系統(tǒng)

在鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，常規(guī)外平鉆桿旋轉(zhuǎn)增加循環(huán)化介質(zhì)紊流度的作用有限，采用在鉆桿外壁加工有螺旋槽的整體式寬翼螺旋鉆桿(圖2)，能夠有效提高環(huán)空間隙的紊流度；同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的螺旋槽能夠?qū)⒖椎壮练e的煤粉攪起，使煤粉始終處于懸浮態(tài)或底密流狀態(tài)，然后在泡沫作用下將煤粉排出孔外[13]；當(dāng)遇到塌孔、埋鉆致使排粉通道堵塞時(shí)，鉆桿螺旋槽形成螺旋輸送帶，將堵塞位置的煤粉扒動(dòng)，使排粉通道慢慢打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)；其功能以攪粉為主，排粉為輔[14]。

螺旋槽參數(shù)對(duì)于鉆桿施工工程中的排粉能力具有重要的影響[15]，以提高鉆桿的攪粉能力為目標(biāo)，采用流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)在泡沫流體中的排粉能力進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到高效排粉的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

結(jié)合碎軟煤層鉆孔常用鉆具配比尺寸，建立泡沫鉆進(jìn)排粉環(huán)空間隙數(shù)值模型(圖3)，其中鉆孔直徑100 mm，鉆桿直徑73 mm，鉆桿長(zhǎng)度為1.5 m，采用四面體網(wǎng)格，所有模型均采用相同的網(wǎng)格尺度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為600~900萬(wàn)。泡沫采用冪律非牛頓流體模型(Non-Newtonian-Power-Law)，密度取500 kg/m3，入口流速取0.6 m/s。

建立寬翼螺旋鉆桿DPM離散相模型，選取頭數(shù)、螺寬和螺距結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1 頭數(shù)

當(dāng)槽寬=22 mm、槽深=5 mm、螺距=90 mm時(shí)，分別計(jì)算頭數(shù)=1、2、3的流場(chǎng)，分析排粉效率隨頭數(shù)的變化趨勢(shì)(圖4)，確定頭數(shù)。由圖4可知，當(dāng)螺旋槽的槽深、槽寬、螺距及轉(zhuǎn)速一定時(shí)，單頭螺旋槽環(huán)空底部顆粒沉積現(xiàn)象嚴(yán)重，隨著頭數(shù)的增加，環(huán)空上部風(fēng)速逐漸降低，而環(huán)空下部的風(fēng)速逐漸增加，環(huán)空底部顆粒沉積現(xiàn)象明顯改善。由此可見(jiàn)，增加螺旋槽的頭數(shù)能提高寬翼螺旋鉆桿攪粉能力，頭數(shù)越多，環(huán)空底部空氣速度越大，顆粒的輸送效果越好。

2.2 槽寬

當(dāng)頭數(shù)=3、槽深=5 mm、螺距=90 mm時(shí)，槽寬分別選取18 mm、22 mm、26 mm進(jìn)行計(jì)算，分析排粉效率隨槽寬的變化趨勢(shì)(圖5)，確定槽寬。由圖5可知，當(dāng)螺旋槽頭數(shù)、槽深、螺距及轉(zhuǎn)速一定時(shí)，槽寬越窄，環(huán)空底部顆粒沉積現(xiàn)象越嚴(yán)重；隨著槽寬的增加，環(huán)空底部的風(fēng)速逐漸增加，環(huán)空底部顆粒沉積現(xiàn)象明顯改善。由此可見(jiàn)，增加螺旋槽槽寬能提高寬翼螺旋鉆桿攪粉能力，槽寬越大，環(huán)空底部空氣速度越大，顆粒的輸送效果越好。

2.3 螺距

當(dāng)頭數(shù)=3、槽深=5 mm、槽寬=22 mm時(shí)，螺距分別選取70 mm、90 mm、110 mm、150 mm進(jìn)行計(jì)算，分析排粉效率隨螺距的變化趨勢(shì)(圖6)，確定螺距。當(dāng)螺旋槽頭數(shù)、槽寬、槽深以及轉(zhuǎn)速一定時(shí)，對(duì)不同螺距的速度場(chǎng)及顆粒分布進(jìn)行模擬得出(圖6)：隨著螺距從70 mm增加到110 mm，環(huán)空上部風(fēng)速逐漸降低，而環(huán)空底部風(fēng)速逐漸增加，環(huán)空底部顆粒沉積現(xiàn)象逐漸改善；當(dāng)螺距達(dá)到150 mm時(shí)，環(huán)空底部風(fēng)速降低，顆粒在環(huán)空底部沉積嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，增加螺旋槽螺距在一定范圍內(nèi)能提高寬翼螺旋鉆桿攪粉能力，螺距越大，環(huán)空底部空氣速度越大，顆粒的輸送效果越好，但超過(guò)一定的臨界值后，寬翼螺旋鉆桿攪粉能力反而下降。

圖5 不同槽寬的速度場(chǎng)及顆粒分布

圖6 不同螺距的速度場(chǎng)及顆粒分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，獲得影響排粉效果的寬翼螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，綜合考慮加工難度，采用=3、=26 mm、=110 mm作為寬翼螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)控銑床的整體銑削、鉆桿與接頭摩擦焊接等工序，生產(chǎn)出適合于泡沫鉆進(jìn)高效排粉的專(zhuān)用寬翼螺旋鉆桿。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證泡沫鉆進(jìn)工藝及寬翼螺旋鉆桿高效排粉能力，通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)試驗(yàn)，分別對(duì)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝和泡沫鉆進(jìn)工藝進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)采用ZDY3200S型鉆機(jī)、MLGF17/12.5-132G型空壓機(jī)、3BZ-20/18型泡沫液注入泵、泡沫灌注系統(tǒng)、寬翼螺旋鉆桿及復(fù)合片鉆頭等裝備，采用5‰K12和0.8‰田菁膠粉復(fù)配并加入1.0‰HEC穩(wěn)泡劑作為泡沫劑配方。

試驗(yàn)地點(diǎn)位于淮北某礦3204工作面，該工作面32煤層厚度2.56~3.87 m，平均厚度2.96 m，煤質(zhì)松軟。采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)，配套外平鉆桿，鉆進(jìn)深度80~100 m。以1201鉆場(chǎng)5號(hào)孔為試驗(yàn)鉆孔， 0~95 m全段利用中風(fēng)壓鉆進(jìn)工藝配合外平鉆桿施工，施工過(guò)程中正常鉆進(jìn)孔內(nèi)風(fēng)壓阻力小于0.3 MPa，供風(fēng)體積流量為4.2~5.4 m3/min，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力為3.5~4.8 MPa；鉆進(jìn)至95 m時(shí)，多次出現(xiàn)鉆機(jī)系統(tǒng)壓力異常升高、孔口反渣不暢等現(xiàn)象，更換泡沫鉆進(jìn)系統(tǒng)，采用泡沫鉆進(jìn)工藝配合整體式寬翼螺旋鉆桿進(jìn)行施工。在氣液比250︰1~300︰1、泡沫液流量400~700 L/h的情況下，壓縮空氣體積流量控制在2.0~3.5 m3/min，試驗(yàn)過(guò)程中排粉順暢，孔口返出的泡沫均勻連續(xù)，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力明顯下降(小于2.0 MPa)，與采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)相比，回轉(zhuǎn)阻力降低了42%~ 48%。鉆進(jìn)至195 m后，由于回風(fēng)巷、機(jī)巷多個(gè)鉆場(chǎng)同時(shí)使用同一空壓機(jī)風(fēng)源，致使試驗(yàn)鉆場(chǎng)內(nèi)風(fēng)壓偏低(靜壓力約為0.7 MPa)導(dǎo)致泡沫不能順暢地注入孔內(nèi)，試驗(yàn)持續(xù)約1 h左右風(fēng)壓始終沒(méi)有明顯提高，未能形成連續(xù)泡沫液流，終孔提鉆。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用表明：寬翼螺旋鉆桿攪粉充分，煤塊經(jīng)螺旋槽破碎明顯；排粉通道暢通，在系統(tǒng)風(fēng)壓的作用下可以將破碎的煤、巖順利排出孔外，排粉效果好。相比于空氣鉆進(jìn)深度100 m左右的鉆孔能力，在同一地層、相似地質(zhì)條件下，采用泡沫鉆進(jìn)配套整體式寬翼螺旋鉆桿，一方面有效提高了鉆進(jìn)深度，另一方面也達(dá)到了高效排粉的效果，從而在施工中降低了回轉(zhuǎn)阻力，取得良好的鉆進(jìn)施工效果。但泡沫鉆進(jìn)工藝相對(duì)復(fù)雜，泡沫液流量和壓縮空氣流量控制調(diào)節(jié)非常關(guān)鍵，對(duì)操作人員素質(zhì)要求較高，同時(shí)由于需要進(jìn)行多個(gè)操作，鉆進(jìn)輔助時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

a.通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，研究了寬翼螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫鉆進(jìn)排粉效率的影響：增加螺旋槽槽寬和頭數(shù)能提高寬翼螺旋鉆桿鉆進(jìn)攪粉和排粉能力；槽寬和頭數(shù)一定時(shí)，螺距為110 mm時(shí)，鉆桿具有較好的排粉效果。

b.結(jié)合鉆孔的需求，設(shè)計(jì)了煤礦井下泡沫灌注系統(tǒng)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)鉆桿和泡沫鉆進(jìn)工藝。在淮北某礦3204工作面開(kāi)展了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：與中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)相比，該系統(tǒng)使得鉆機(jī)設(shè)備回轉(zhuǎn)壓力降低超過(guò)40%，表明鉆進(jìn)旋轉(zhuǎn)阻力小，排粉效果較好，適合在碎軟煤層中施工近兩百米深度鉆孔，且鉆進(jìn)過(guò)程中孔口無(wú)粉塵，施工作業(yè)環(huán)境得到了極大改善。

c.現(xiàn)場(chǎng)施工中，發(fā)現(xiàn)泡沫鉆進(jìn)系統(tǒng)所配備的設(shè)備為獨(dú)立布置，增加了操作的復(fù)雜性。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化泡沫鉆進(jìn)工藝操作流程，改進(jìn)灌注系統(tǒng)的流量調(diào)控方式，簡(jiǎn)化操作程序。

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Foam drilling technology and application for broken soft coal seam in underground coal mine

JI Qianhui1,2, DONG Mengmeng2, LIU Jianlin2, SHI Lei2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

Aiming at the limitation of middle pressure air drilling for gas drainage in soft and broken coal seam, such as limited drill cutting removal capacity, and dust pollution, foam drilling technique research in underground coal mines was carried out. CFD simulation of the flow field during the drilling process was conducted to obtain the optimized drilling tool structure parameters for efficient drill cutting transportation. Optimal structural parameters of wide-blade milled auger drill rod with the number of heads 3, the groove width 26 mm, and the pitch 110 mm were determined. A foam perfusion system suitable for underground coal mining was developed. Field test applications show that foam drilling technique and assorted wide-blade milled auger drill rods have high efficiency of cutting transportation. Rotatory resistance was reduced in a range of 42%-48%. The technique can improve drilling depth in soft and broken coal seam and provide a reference for similar deep coal mine drilling construction.

foam drilling; gas drainage; efficient drilling cutting removal; auger drill rod

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.005

1001-1986(2020)02-0025-05

2019-12-20；

2020-02-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0808200)

National Key R&D Program of China(2018YFC0808200)

冀前輝，1984年生，男，河南禹州人，博士研究生，副研究員，從事煤礦井下鉆探技術(shù)研究. E-mail：jiqianhui@cctegxian.com

冀前輝，董萌萌，劉建林，等. 煤礦井下碎軟煤層泡沫鉆進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：25–29.

JI Qianhui，DONG Mengmeng，LIU Jianlin，et al. Foam drilling technology and application for broken soft coal seam in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：25–29.

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)