孫利海

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039）

我國煤礦中約50%以上煤層屬于松軟（碎軟）煤層，隨著煤層開采深度的逐漸加深，高瓦斯碎軟煤層比例越來越大[1]。碎軟煤層因其煤質(zhì)軟而破碎、透氣性差，在鉆孔施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，導致順煤層鉆孔成孔性較差、成孔深度較淺[2]。而采用常規(guī)鉆機進行壓風回轉(zhuǎn)鉆進時，雖能一定程度增加鉆孔成孔深度，并提高鉆孔成孔性，但采用常規(guī)鉆機壓風回轉(zhuǎn)鉆進時無法實現(xiàn)受控定向鉆進，易提前見煤層頂板或底板巖層而終孔，鉆孔深度較淺，煤層鉆遇率較低，且由于鉆孔軌跡不可控，容易導致抽采盲區(qū)，無法有效保障煤礦的安全高效生產(chǎn)[3]。

針對碎軟煤層成孔率低、成孔深度淺的問題，中煤科工集團重慶研究院有限公司開發(fā)出了碎軟煤層空氣螺桿馬達定向鉆進工藝，適用于煤的硬度系數(shù)f≥0.3以及煤層厚度≥1.5 m。采用該工藝施工定向順層鉆孔，鉆孔深度一般為200～400 m。該工藝是利用防爆空壓機提供壓縮空氣驅(qū)動空氣螺桿馬達帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)從而破碎煤層，并利用定向鉆機、隨鉆測量系統(tǒng)和通纜鉆桿等裝備實現(xiàn)受控定向鉆進[4-6]。碎軟煤層空氣定向鉆進工藝在使用過程中對風量、風壓的控制尤為重要，直接關系到鉆孔能否有效排渣和鉆進的需要，其受孔深、孔徑、鉆具結(jié)構(gòu)及尺寸、鉆孔傾角、鉆進速度、環(huán)空尺寸、煤體密度、風流密度、鉆孔溫度、鉆屑粒徑及形狀等多參數(shù)耦合影響。

為此，對碎軟煤層空氣定向鉆進工藝的關鍵參數(shù)最小供風量進行分析，確定供風量的合理使用范圍，更好的發(fā)揮碎軟煤層空氣定向鉆進工藝的優(yōu)勢，為碎軟煤層空氣定向鉆進工藝的應用提供借鑒。

1 碎軟煤層空氣定向鉆進工藝及配套裝備

1.1 鉆進工藝

由于空氣定向鉆進工藝主要在碎軟煤層中使用，在該類煤層中鉆進時鉆渣較多，故在鉆進過程中為保證鉆孔排渣順暢和成孔效率，一般采用復合定向鉆進與滑動定向鉆進相結(jié)合的方式[2,7]。

1）復合定向鉆進。施工過程中，利用空壓機向孔內(nèi)供風，此時空氣螺桿馬達開始工作。需要復合鉆進時，通過鉆機動力頭提供扭矩回轉(zhuǎn)鉆具，與此同時空氣螺桿馬達在壓縮空氣的作用下帶動鉆頭回轉(zhuǎn)，可有效提高空氣鉆進的排渣效果，確?？變?nèi)暢通，但在復合鉆進狀態(tài)下時無法實現(xiàn)受控定向鉆進[2,8-12]。

2）滑動定向鉆進。復合定向鉆進時，若鉆孔的實際軌跡與設計軌跡存在偏差，可通過滑動鉆進進行糾偏[2,9,13-15]。但滑動定向鉆進時，鉆桿不回轉(zhuǎn)，定向鉆機只向孔內(nèi)鉆具提供推進力，空氣螺桿馬達在空壓力提供的壓縮空氣驅(qū)動作用下帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎煤層或巖石，滑動定向鉆進狀態(tài)狀態(tài)下時實現(xiàn)受控定向鉆進[3,8,10-12,16-17]。

1.2 配套裝備

空氣定向鉆進工藝及配套裝備示意圖如圖1。

圖1 空氣定向鉆進工藝及配套裝備示意圖Fig.1 Schematic diagram of air directional drilling technology and supporting equipment

碎軟煤層空氣定向鉆進工藝的配套設備定向鉆機配備ZYWL-4000DS或ZYWL-6000DS型定向鉆機，采用負載敏感和先導比例控制液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)熱量小，調(diào)速性能好，且選用可靠性更高的進口元部件，保障鉆機整體性能的可靠性。

采用扭矩300 N·m、轉(zhuǎn)速180～200 r/min的空氣螺桿馬達，該螺桿馬達采用大導程、流線型密封腔設計，實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大扭矩，保證使用壽命，提高鉆進效率。防爆空壓機選用性能指標為流量17.7 m3/min、壓力1.3 MPa，采用負載敏感技術，可根據(jù)實際工況自動調(diào)節(jié)輸出流量和壓力，保障鉆孔安全。孔口除塵裝置，除塵效率大于90%，能保證操作人員職業(yè)健康。

2 空氣鉆進巖屑受力分析

巖屑顆粒在運動過程中主要承受重力、浮力、氣動阻力、壓強梯度、附加質(zhì)量力、巴塞特力、薩夫曼升力、馬格努斯升力等的作用[18-20]。在空氣定向鉆進分析過程中，要抓住主要矛盾，因此分析過程中可忽略巴賽特力、薩夫曼力與馬格努斯升力[18]。且若在顆粒較小的情況下或煤粉為球形顆粒時，可忽略上舉力的影響[18-20]。巖屑顆粒受力模型如圖2。顆粒A受氣流正面推力Fx、浮重Fg2個力；Ft、Fw為Fg在平行氣流方向和垂直氣流方向的分力。

圖2 巖屑顆粒受力模型Fig.2 Mechanical model of cuttings

1）顆粒在氣流中所受的浮重Fg[20-21]：

式中：Fg為顆粒浮重，N；d為顆粒直徑，m；ρs為顆粒密度，kg/m3；ρ為氣體密度，kg/m3。

2）顆粒受到的氣流正面推力Fx[20-21]：

式中：Fx為正面推力，N；u為氣流的瞬時流速，m/s；λx為正面推力系數(shù)，0.44。

3 攜巖臨界流速與最小供風流量

3.1 臨界流速

正面推合力、浮重的力臂Lx、Lw分別為[22-23]：

式中：E為沉陷度，m；r為顆粒半徑，m；E′為無因沉陷度，E′min=0.134，E′max=1，由休止角的大小近似計算E′無因次沉陷度大小約在0.5～0.6之間[23]。

在氣流作用下，顆粒要發(fā)生滾動必須滿足以下力矩平衡條件[23]：

整理得到臨界瞬時流速公式為[20，23]：

式中：uL為臨界流速；α為氣流方向與重力方向的夾角。

3.2 供風流量

供風流量以使鉆孔內(nèi)煤粉處于“懸浮”狀態(tài)為準，結(jié)合水平孔內(nèi)煤粉的運移特點，供風流量為[24]：

式中：Q為供風流量，m3/min；D為孔徑，m；φ為鉆桿直徑，m；uL為上返臨界風速，m/s；k為系數(shù)，一般取1.3左右；λ為鉆孔擴徑系數(shù)，一般取值為1～1.1之間[24]。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)攜巖臨界流速公式和供風流量公式對不同粒徑巖屑在不同鉆孔傾角情況下的攜巖臨界流速和供風流量進行計算，計算基本參數(shù)為：鉆孔直徑按照擴徑率系數(shù)λ取1.1計算取105.6 mm，鉆桿直徑取φ73 mm，巖屑顆粒密度取1 400 kg/m3，氣體密度取2 kg/m3，顆粒直徑范圍取2～10 mm、無因次沉陷度E′取0.6、鉆孔傾角范圍取-60°～60°。鉆孔傾角、巖屑粒徑與臨界流速的關系如圖3，鉆孔傾角、巖屑粒徑與供風流量的關系如圖4。

圖3 鉆孔傾角、巖屑粒徑與臨界流速的關系Fig.3 Relationship among borehole inclination,cuttings size and critical velocity

圖4 鉆孔傾角、巖屑粒徑與供風流量的關系Fig.4 Relationship among borehole inclination,cuttings diameter and air flow rate

由圖3和圖4可知，當鉆孔為上向孔時巖屑的臨界起動流速隨傾角增大而逐漸減小，鉆孔傾角最大為90°時，鉆進施工產(chǎn)生的巖屑在自重作用下就可以排出，此時巖屑的臨界起動流速達到最小值0 m/s。當鉆孔傾角為-30°左右時，巖屑的臨界起動流速最大，此時鉆孔的供風流量為最大供風流量，其中不同粒徑巖屑（2、5、10、15、20 mm）的攜巖臨界速度分別為6.1、9.6、13.5、16.6、19.2 m/s，對應的最小供風流量分別為1.8、2.8、4.0、4.9、5.6 m3/min。不同粒徑巖屑在不同鉆孔傾角情況下時，不同粒徑巖屑攜巖起動的臨界流速和最小供風流量的變化趨勢一致，其中粒徑的大小情況對攜巖臨界速度和最小供風流量的影響最大。

4 數(shù)值模擬

4.1 邊界條件設置

數(shù)值模擬以碎軟煤層空氣定向鉆進工藝關鍵參數(shù)最小供風流量為研究對象，模擬單相氣體在鉆孔環(huán)空內(nèi)的流動狀態(tài)。假設鉆孔內(nèi)的氣體不可壓縮，鉆孔為規(guī)則圓柱體，鉆孔孔壁光滑，鉆桿表面光滑，且鉆柱與鉆孔軸心一致。內(nèi)凹PDC鉆頭直徑為96 mm，定向鉆桿的外徑為73 mm，定向鉆桿內(nèi)通孔直徑為36 mm，鉆孔孔徑按1.1的擴徑率系數(shù)計算為105.6 mm，鉆頭高度為20 cm；氣體密度為2 kg/m3，氣體溫度為40℃，楊氏模量為1.43×105N/m2，忽略空氣的可壓縮性；根據(jù)不同粒徑、不同傾角計算的攜巖臨界流速來設置模擬參數(shù)。

4.2 模型網(wǎng)格和參數(shù)

在數(shù)值分析軟件中設置邊界條件參數(shù)，建立簡化的空氣流速三維模型，并進行網(wǎng)格劃分以及設置模擬參數(shù)，從而對攜巖臨界流速的分布進行數(shù)值模擬分析；將劃分好的網(wǎng)格文件，根據(jù)模擬需要進行參數(shù)設置，流體材料選為空氣，氣體密度設置為2 kg/m3，氣體溫度設置為40℃，楊氏模量為1.43×105N/m2；分別定義鉆桿內(nèi)通孔為速度入口，鉆孔與鉆桿間的環(huán)狀間隙端面為速度出口。

4.3 模擬結(jié)果

通過對模型的邊界條件進行定義和設置、建立簡化模型，以粒徑2 mm巖屑傾角-30°空氣流速分布模擬為例，空氣流速軸向分布云圖如圖5?？諝饬魉購较蚍植荚茍D如圖6。

圖5 空氣流速軸向分布云圖Fig.5 Axial distribution of air velocity

圖6 空氣流速徑向分布云圖Fig.6 Radial distribution of air velocity

通過模擬分析空氣流速分布云圖可得出，空氣從孔口鉆桿內(nèi)通孔進入后，由于鉆桿內(nèi)通孔的壓力逐漸減小，使得空氣流速在鉆桿內(nèi)通孔內(nèi)向孔底流動時逐漸增大，直至趨于平穩(wěn)；當空氣流動到孔底時，由于孔底巖石阻力作用，改變了空氣流動的方向以及孔底與鉆頭的間隙變小，使得空氣流速增大，且在湍流作用影響下，在孔底處形成形成明顯的高低流速區(qū)；空氣流經(jīng)鉆頭與孔壁環(huán)狀間隙處，空氣流速趨于穩(wěn)定；空氣流經(jīng)鉆頭與鉆桿連接處時，由于環(huán)空橫截面積突然增大，產(chǎn)生突擴效應，氣體速度突然減小，形成明顯高低速層流區(qū)，環(huán)空截面變化的臺階處并靠近鉆桿外壁位置空氣流速小，逐漸遠離該部位時，空氣流速增大并趨于平穩(wěn)；隨著空氣在鉆桿與孔壁環(huán)空間隙繼續(xù)流動至孔口，氣體速度趨于穩(wěn)定。

在軸向上，由孔底和孔口的空氣流速云圖可知（圖5），出口速度達到6.1 m/s，而入口速度為14.6 m/s，并在孔底形成明顯的高、低流速分區(qū)，根據(jù)模擬結(jié)果顯示最大空氣流速為39.6 m/s，最小空氣流速為9.7 m/s，高流速區(qū)有利于鉆渣的運移排出，而由于孔底鉆頭的轉(zhuǎn)動及及切削作用，使得低流速區(qū)的鉆渣在鉆頭的轉(zhuǎn)動以及反復切削作用下被空氣運移排出。在鉆頭與鉆桿連接處，從鉆頭與孔壁環(huán)狀間隙至鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙截面積突然增大處存在1個條帶狀的低流速區(qū)，空氣流速最大為15.6 m/s，空氣流速最小為0.7 m/s，這是由于鉆孔孔壁與鉆頭之間環(huán)狀間隙在鉆孔孔壁與鉆桿之間環(huán)狀間隙在該處突變，過流截面積突然增大，產(chǎn)生突擴效應，導致空氣流速在突變處瞬間降低。隨著空氣在鉆桿與孔壁環(huán)空間隙繼續(xù)流動至孔口，氣體速度趨于穩(wěn)定。

由圖6可以看出，在徑向上，空氣流速在環(huán)空截面中心處最大，向兩邊孔壁、鉆桿外壁或鉆頭壁以及鉆桿內(nèi)壁逐漸減??；在軸向上，從孔口通過鉆桿內(nèi)通孔至孔底，空氣流速逐漸增大，在孔底形成明顯的高低流速分區(qū)，空氣流經(jīng)鉆頭與鉆桿連接處時，產(chǎn)生突擴效應，氣體速度突然減小，形成明顯高低速層流區(qū)，隨后在鉆桿與孔壁間環(huán)狀間隙空氣流速趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1）當鉆孔傾角為-30°左右時，巖屑的臨界起動流速最大，以2 mm粒徑巖屑為例，60°、30°、0°、-30°、-60°傾角情況下攜巖臨界流速分別為4、5.2、5.9、6.1、5.7 m/s。

2）在不同鉆孔傾角情況下，不同粒徑巖屑攜巖起動的臨界流速和最小供風流量的變化趨勢一致，其中粒徑的大小情況對攜巖臨界速度和最小供風流量的影響最大。

3）在徑向上，空氣流速在環(huán)空截面中心處最大，向兩邊孔壁、鉆桿外壁或鉆頭壁以及鉆桿內(nèi)壁逐漸減??；在軸向上，從孔口通過鉆桿內(nèi)通孔至孔底，空氣流速逐漸增大，在孔底形成明顯的高低流速分區(qū)，空氣流經(jīng)鉆頭與鉆桿連接處時，產(chǎn)生突擴效應，氣體速度突然減小，形成明顯高低速層流區(qū)，隨后在鉆桿與孔壁間環(huán)狀間隙空氣流速逐漸趨于穩(wěn)定。