顺层瓦斯抽采长钻孔气举排渣模拟试验研究.docx

? ? 顺层瓦斯抽采长钻孔气举排渣模拟试验研究 ? ? 汪义龙，蔡 峰，赵清全，王宗超 （1.华能煤炭技术研究有限公司，北京 100071；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001；3.云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井，云南曲靖 655500） 随着钻进装备和技术的进步，瓦斯抽采钻孔的钻进深度在不断的提升，顺层长钻孔瓦斯抽采技术以其抽采效率高[1]、抽采范围广[2]的特点越来越受到重视，为高瓦斯和突出煤层的瓦斯抽采提供了可靠的技术保障[3-4]。同时，由于其施工成本远低于瓦斯抽采巷，顺层长钻孔技术也越来越多的用于代替瓦斯抽采巷条带预抽技术[5]，而顺层钻孔的长度是影响瓦斯抽采效果的重要因素之一[6-7]。 顺层钻孔成孔长度的影响因素很多，通常有钻机能力、钻杆性能、钻孔轨迹控制能力以及钻屑排出能力等[8-9]，前面几个因素通常与设备的性能有关，而钻屑排出（即排渣）能力通常与钻进工艺有关[10-11]，同时，排渣又分为水力排渣和气举排渣[12]。在煤层顺层钻孔钻进过程中，由于煤屑与水混合后会形成较黏稠的糊状物，再加上瓦斯压力的作用，容易形成抱钻、卡钻甚至喷孔事故[13-14]，因而对于煤层顺层钻孔通常采用气举排渣[15]。现场实践表明，气举排渣虽然在排渣能力上无法与水力排渣相比，但在风量匹配良好的情况下仍可以实现较理想的排渣效果[16-17]。 在进行气举排渣施工过程中，煤层的产屑量、风量、风压等因素均可以影响排渣效果[18]，并进一步影响顺层长钻孔的成孔质量以及抽采范围和抽采效果，最终导致抽采成本增加[19]，因而有必要对产屑量、风量和风压对顺层长钻孔气举排渣能力的影响关系进行系统的研究。为此，以华能滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井1010201 工作面为研究对象，利用数值模拟和现场试验相结合的方法，系统的研究了产屑量、风量和风压对顺层长钻孔气举排渣能力的影响关系。 1 数值仿真 利用CFD 数值模拟软件，分析研究在煤屑产量和风量一定的情况下，不同粒径的煤屑随钻具旋转过程中的分布、积聚和移动规律，同时研究在煤屑产量和风压一定的情况下，钻具不转动时煤屑在钻孔中的分布和移动规律。 通过在华能云南滇东能源有限责任公司雨汪煤矿1010201 工作面钻进施工工作面的煤屑进行取样和筛分，并对煤屑的粒径进行测定和统计，得到的煤屑粒径分布规律见表1。在数值仿真过程中，CFD软件需要将粒径设置为固定数值，故将表1 中的相关数据进行加权平均处理，获得的仿真参数见表2。 表1 煤屑粒径分布Table 1 Coal chip particle size distribution 表2 数值仿真计算用的煤屑粒径Table 2 Coal chip particle size for numerical simulation calculation 钻孔为长度250 m、直径108 mm 的水平直孔。将钻孔按照1∶1 的比例建立三维几何模型，并对流动区域和接触区域进行加密，以满足计算精度的要求，三维几何模型如图1。 图1 三维几何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model 1.1 煤屑移动规律 粒径0.1 mm 煤粉颗粒在风量400 m3/h、转速80 r/min 时截面分布如图2。 图2 粒径0.1 mm 煤粉颗粒在风量400 m3/h、转速80 r/min 时截面分布Fig.2 Cross-sectional distribution of 0.1 mm pulverized coal particles at air volume 400 m3/h and speed 80 r/min 从图2 的仿真结果可以看出，在压风的作用下，煤屑被一定速度的风流裹挟而处于悬浮状态，随后，这些处于悬浮状态的煤屑颗粒沿着特定轨迹向钻孔出口处移动。钻孔的底部在图2 的左侧，在孔底，煤屑生成后随即被压风托起，煤屑的移动速度逐渐增大，当达到一定数值后进入无序移动状态，并保持这一状态直到被排出钻孔。 当钻杆转动时，粒径较小的煤屑受转动的影响较小，仍然呈悬浮状态和特定的移动轨迹排出钻孔，而对于粒径较大的煤屑则不同，它们受钻杆的影响较大。在钻杆的作用下，粒径较大的煤屑在钻轩的旋转用下被卷扬起来，迫使其无法沉积和积聚，并保持较大的相对偏转角，并进一步引起气流紊乱，从而提出了大粒径煤屑的排渣能力。 而如果压入的风量较小无法使钻屑处于悬浮状态，将会使越来越多的钻屑沉积、聚集在钻孔的下半部分。随着积聚的钻屑越来越多、钻孔越来越长，在黏滞力的作用下，会使钻杆被钻屑抱住而无法旋转，从而发生抱钻或卡钻事故。特别是下向孔，由于煤层中可能含有一定的水，导致钻孔内的钻屑被水湿润，黏滞力进一步增大，从而更有可能