劉 智，劉建林，李泉新，王四一

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安，710077）

煤礦井下定向鉆孔施工普遍采用清水作為沖洗液。水箱中的清水經(jīng)泥漿泵加壓后，經(jīng)膠管、送水器、鉆桿柱中心孔進(jìn)入孔底，驅(qū)動螺桿馬達(dá)做功后攜帶煤渣屑沿鉆桿柱與孔壁之間的環(huán)狀間隙涌出。經(jīng)孔口裝置分離后，瓦斯進(jìn)入專用抽采管路，沖洗液攜帶煤渣屑進(jìn)入沉淀池。初步沉淀后，排污泵將沉淀池上部含有細(xì)小煤粉的沖洗液排入污水管路，人工將沉淀池底部煤渣屑清理、外運(yùn)。這種沖洗液的使用方式存在用水量大、排污量大、人工勞動強(qiáng)度高等問題。隨著大功率泥漿泵車陸續(xù)投入生產(chǎn)，部分礦井供水量不足的問題逐漸凸顯[1-4]。

油氣鉆井領(lǐng)域利用固控系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔沖洗液循環(huán)利用，其目的是去除沖洗液中的鉆渣屑等有害固相，保留重晶石等有用固相。定向鉆孔沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)的目的是最大限度的去除沖洗液中鉆渣屑等有害固相含量，以減少對泥漿泵、孔底動力鉆具的使用壽命影響，二者的使用目的具有本質(zhì)區(qū)別[5-6]。油氣鉆井領(lǐng)域的固控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸普遍偏大，并且其相關(guān)電氣設(shè)備也不具備煤礦井下I類電氣防爆的要求。鑒于此，研發(fā)了一款適合煤礦井下定向鉆孔施工用KG-300-2J型沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)。

1 技術(shù)方案

根據(jù)煤礦井下定向鉆孔施工的特點(diǎn)及煤層賦存瓦斯的特殊性，利用定向鉆孔施工中特有的孔口負(fù)壓抽采裝置處理瓦斯，實現(xiàn)氣-液分離；利用鉆孔沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)處理煤渣屑與沖洗液的混合物，實現(xiàn)固-液分離。凈化后的沖洗液進(jìn)入水箱中，實現(xiàn)沖洗液的循環(huán)利用。

KG-300-2J型鉆孔沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)由振動篩單元、離心機(jī)單元及必要的供液泵和連接管路、反沖洗裝置組成。振動篩單元和離心機(jī)單元分別用于沖洗液的一級和二次凈化[7-8]，供液泵和連接管路用于單元之間沖洗液的輸送和流量匹配調(diào)節(jié)，返沖洗裝置用于振動篩單元和離心機(jī)單元使用后清洗工作。振動篩單元和離心機(jī)單元均設(shè)置有儲液罐，用于儲存經(jīng)一級或者二級凈化后的沖洗液。

沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)的工作原理如下：從孔口裝置返出的攜帶煤渣屑的沖洗液進(jìn)入振動篩單元。振動篩網(wǎng)高頻振動，篩分出比篩網(wǎng)篩眼大的固體顆粒，通過排渣口排出，沖洗液攜帶細(xì)小的煤屑透過篩網(wǎng)進(jìn)入振動篩儲液罐，完成一級凈化。供液泵將一級凈化后的沖洗液輸送到離心機(jī)單元進(jìn)行二級凈化。2級凈化后的沖洗液即可達(dá)到循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)，由供液泵輸送到水箱進(jìn)行循環(huán)使用。凈化循環(huán)系統(tǒng)中還設(shè)置了補(bǔ)給裝置，定時向系統(tǒng)中補(bǔ)充沖洗液。

技術(shù)參數(shù)如下：

1）系統(tǒng)參數(shù)。①處理量：300 L/min；②總?cè)莘e：18 m3；③清水管線額定工作壓力：2.0 MPa。

2）振動篩單元參數(shù)。①振幅：2.5～4 mm；②拋擲系數(shù)：6.5～7 G；③振動頻率：18～25 Hz；④電機(jī)功率：2.2 kW；⑤質(zhì)量：1 300 kg；⑥外形尺寸（長×寬×高）：2.50 m×1.60 m×1.75 m。

3）離心機(jī)單元參數(shù)。①額定轉(zhuǎn)速：3 200 r/min；②分離因數(shù)：1 917 G；③分離點(diǎn)：2～5μm；④電機(jī)功率：18.5 kW；⑤質(zhì)量：1 800 kg；⑥外形尺寸（長×寬×高）：2.50 m×1.60 m×1.80 m。

2 關(guān)鍵零部件

2.1 振動篩單元

振動篩單元包括振動篩、振動電機(jī)、調(diào)角裝置、儲液罐等。振動篩單元采取分體式結(jié)構(gòu)，調(diào)角裝置與儲液罐融合設(shè)計為一體，振動篩及振動電機(jī)與調(diào)角裝置通過角度調(diào)節(jié)支柱、隔震橫梁和篩箱彈性支承連接。搬運(yùn)輸過程中可將振動篩及振動電機(jī)取下。

振動篩箱是振動篩進(jìn)行沖洗液篩分的構(gòu)件，由篩箱側(cè)板以及支撐篩網(wǎng)托架和支撐橫梁組成。工作過程中，篩箱承受較大的激振力，需要篩箱具有足夠的強(qiáng)度和剛度。側(cè)板采用8 mm厚的低合金鋼板制成，利用多根橫梁將2塊側(cè)板連接起來，使篩箱成為一個整體。側(cè)板的邊緣采用折彎工藝以提高側(cè)板的剛度。為了提高篩分效率，選用了較大功率的激振電機(jī)[9]。篩箱側(cè)板和激振電機(jī)橫梁的連接處是整個篩箱的薄弱環(huán)節(jié)。激振電機(jī)橫梁采用無縫圓鋼，在連接處設(shè)置縱向小梁、補(bǔ)強(qiáng)板等措施提高強(qiáng)度。

沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)罐體容積參數(shù)體現(xiàn)了整套系統(tǒng)儲液和供液的能力。設(shè)計系統(tǒng)處理能力為300 L/min。系統(tǒng)中具有儲存沖洗液能力的罐體有振動篩罐體、離心機(jī)罐體和水箱。根據(jù)三者在系統(tǒng)中的功能不同，設(shè)計振動篩罐體的儲存能力為6 m3?；诰o湊型的設(shè)計理念，振動篩罐體上集成了篩箱底座和調(diào)角機(jī)構(gòu)。罐體立柱為內(nèi)外套雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外套之間可相對滑移。利用調(diào)角機(jī)構(gòu)可使篩網(wǎng)呈現(xiàn)+3°、+2°、+1°、0°、-1°、-2°、-3°共7種角度，可滿足不同黏度和固相含量沖洗液篩分處理要求。

2.2 離心機(jī)單元

離心機(jī)單元主要包括離心機(jī)和儲液罐。離心機(jī)單元通過建立離心力場使具有密度差的煤渣屑和沖洗液分離[10]。離心機(jī)單元的動力源為防爆電機(jī)，其通過膠帶帶動旋轉(zhuǎn)分離總成旋轉(zhuǎn)，建立離心力場。當(dāng)煤水混合物進(jìn)入旋轉(zhuǎn)分離總成后，經(jīng)加速錐加速，固液兩相因密度差而受到大小不同的離心力，其中密度大的煤渣屑快速沉積在旋轉(zhuǎn)部件的內(nèi)壁上，密度小的沖洗液貼附到固相沉積層表面，固液兩相之間形成了一個分界面，隨著煤渣屑沉積的增多，在旋轉(zhuǎn)部件作用下，分層的煤渣屑和沖洗液分別向旋轉(zhuǎn)分離總成的兩端運(yùn)動，煤渣屑經(jīng)出渣口排出，凈化后的沖洗液進(jìn)入儲液罐。

離心機(jī)工作過程中，轉(zhuǎn)鼓及螺旋推送器高速轉(zhuǎn)動并以一定的轉(zhuǎn)速差運(yùn)動。由于轉(zhuǎn)鼓及螺旋推送器結(jié)構(gòu)緊密，相對間隙較小，存在因故障發(fā)生碰撞產(chǎn)生電火花的可能性，本方案對轉(zhuǎn)鼓及螺旋推送器進(jìn)行了特殊設(shè)計。在轉(zhuǎn)鼓外壁上設(shè)計有若干個凹槽，凹槽內(nèi)安裝10 mm厚的黃銅板，黃銅板邊緣是轉(zhuǎn)鼓的最大外徑。轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)過程中若出現(xiàn)故障，黃銅板最先與外殼碰撞摩擦，避免產(chǎn)生電火花。同理，在螺旋推送器最大邊緣處鑲嵌了不會因碰撞產(chǎn)生火花的陶瓷材料。

3 工業(yè)性試驗

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用

煤礦井下沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)在保德煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。施工3 353 m超長超大盤區(qū)瓦斯抽采定向鉆孔，利用沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)對鉆進(jìn)過程中的沖洗液進(jìn)行凈化處理，循環(huán)利用。根據(jù)現(xiàn)場條件，試驗場地布置如圖1。

圖1 試驗場地布置Fig.1 Test site layout

在二級氣水分離器一側(cè)的排污泵池內(nèi)放置氣動隔膜泵，由氣動隔膜泵將排污泵池內(nèi)的煤水混合物輸送到振動篩單元進(jìn)行一級凈化處理。篩分后的大顆粒煤粉由振動篩出渣口排出裝入手推車，一級凈化處理的含有細(xì)顆粒煤粉的沖洗液進(jìn)入振動篩儲液罐。在振動篩儲液罐上端放置另1臺氣動隔膜泵，將經(jīng)過一級凈化處理的沖洗液輸送到離心機(jī)單元進(jìn)行二級凈化。經(jīng)過離心機(jī)凈化處理的沖洗液進(jìn)入離心機(jī)罐體，煤泥由排渣口排出。離心機(jī)罐體內(nèi)的沖洗液充滿后，在重力作用下沿著管路流回到水箱內(nèi)，為泥漿泵車供水。

鉆孔施工前先在水箱充滿清水，由泥漿泵向鉆進(jìn)系統(tǒng)供水?？卓诜党龅臎_洗液經(jīng)過處理后逐漸充滿振動篩罐體、離心機(jī)罐體及水箱。關(guān)閉靜壓水，實現(xiàn)沖洗液閉式循環(huán)。鉆機(jī)和泵車的冷卻水出水管連接水箱，進(jìn)入沖洗液循環(huán)系統(tǒng)，解決了冷卻水排放問題的同時對凈化循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。振動篩箱體、離心機(jī)箱體和水箱均做為儲存沖洗液的罐體，3個箱總的儲存能力為18 m3，滿足定向鉆進(jìn)需要。

試驗過程中，選用復(fù)合定向鉆進(jìn)施工工藝，采用這種鉆進(jìn)方法沖洗液攜帶的煤粉粒徑較小，選用120μm的細(xì)目振動篩網(wǎng)，運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)振動篩處理能力不足而發(fā)生跑漿現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)篩網(wǎng)損壞、振動彈簧斷裂變形等現(xiàn)象。離心機(jī)單元運(yùn)行平穩(wěn)，噪音符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。離心機(jī)單元配套氣動隔膜泵型號為BQG-300-0.2，其理論排量為300 L/min，未設(shè)置旁通分流管路。離心機(jī)單元的處理效率滿足設(shè)計要求。

正常鉆進(jìn)工況下所需的沖洗液供液量為200～350 L/min，鉆進(jìn)過程中存在上鉆桿時間、鉆孔軌跡測量時間等必要的間歇時間，此時泥漿泵車停止工作，沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)正常工作。沖洗液處理流程與定向鉆進(jìn)工藝流程相結(jié)合，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的處理能力，最大限度的發(fā)揮出了沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)“小體積，大能力”的性能需求。

定向鉆進(jìn)鉆孔從開始正常施工直至施工完成，累計進(jìn)尺4 428 m，累計處理沖洗液約4 500 m3。試驗過程中，沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作時間超過300 h，凈化速度滿足使用要求，實現(xiàn)了井下順煤層超長定向孔鉆進(jìn)沖洗液循環(huán)利用。

3.2 效果分析

選取具有代表性的孔口沖洗液、沉淀池沖洗液、振動篩篩分后的沖洗液、離心機(jī)分離后的沖洗液及靜壓水管路中的清水5種樣品，供室內(nèi)測試、分析凈化循環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和處理效果。利用ZNG泥漿固相含量測定儀對經(jīng)2級凈化后的沖洗液樣品固相含量進(jìn)行了測定。測試結(jié)果顯示：處理后的沖洗液最大固相含量不超過0.15%，顆粒最大粒徑不大于5μm。

4 結(jié)語

沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)采用振動篩單元和離心機(jī)單元2級凈化方式，振動篩單元采用調(diào)角裝置與儲液罐融合設(shè)計為一體，在保證調(diào)角性能的基礎(chǔ)上最大限度的縮小了整體外形尺寸。在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓及螺旋推送器上設(shè)計安裝有防止碰撞產(chǎn)生電火花的材料，從本質(zhì)上解決了引起瓦斯爆炸的可能性。現(xiàn)場應(yīng)用證明，沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性高，凈化處理能力及凈化精度滿足使用要求，為綠色鉆探提供了一種技術(shù)與裝備支持。