自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔修復(fù)理論及關(guān)鍵參數(shù)研究
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劉 勇1，2，梁博臣1,2，何 岸1,2，魏建平1,2，3
（1．河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地），河南焦作454000；2．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；3．煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454000）
摘要：瓦斯預(yù)抽鉆孔在抽放過程中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、堵孔等現(xiàn)象。針對這一問題，提出采用自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭修復(fù)失效鉆孔的新方法。其利用自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭后置噴嘴的噴射反沖力作為動力，自行至鉆孔堵塞段處，前置噴嘴形成的高壓水射流對堵孔煤渣進(jìn)行破碎，將其與水混合返出孔外，實(shí)現(xiàn)清孔排渣、鉆孔修復(fù)的目的。對自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔破煤清渣的臨界射流壓力及流量進(jìn)行分析，基于摩擦動力學(xué)計(jì)算鉆頭自驅(qū)的臨界射流壓力，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)及優(yōu)化噴嘴布置，數(shù)值分析不同噴嘴組合情況下射流速度分布，得出最優(yōu)噴嘴布置方式。并應(yīng)用于鶴煤八礦- 655軌道石門揭煤瓦斯預(yù)抽，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠?qū)崿F(xiàn)失效鉆孔的修復(fù)，并有效的提高了瓦斯抽采效果，縮短了瓦斯抽放時間。
關(guān)鍵詞：水射流；鉆孔修復(fù)；自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭；瓦斯抽采
中圖分類號：X936 doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x. 2016. 02.007
0 引言
瓦斯抽采作為治理瓦斯突出及實(shí)現(xiàn)瓦斯能源綜合利用的重要手段，其抽采效果與礦井的安全生產(chǎn)密切相關(guān)。近年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，瓦斯抽采條件趨于復(fù)雜，如在高地應(yīng)力、圍巖裂隙發(fā)育地帶及松軟煤層中進(jìn)行瓦斯抽采時，受地應(yīng)力及外力擾動，鉆孔中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、堵孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致瓦斯抽采通道堵塞，瓦斯抽采流量及濃度極低。針對這一問題，常用的方法是用鉆機(jī)按照原鉆孔參數(shù)進(jìn)行重新鉆孔。這種方法不僅耗時、成本高，而且受施工條件及設(shè)備能力限制，二次鉆孔實(shí)際參數(shù)與原鉆孔參數(shù)相差較大，容易造成串孔，增大瓦斯抽采難度。除此之外，采用負(fù)壓吸出鉆孔中煤渣、巖屑，該方法僅適用于顆粒較小的散落煤渣，無法排出塌孔造成的大塊煤渣、巖塊及煤泥。如何清除鉆孔中巖屑、煤渣，恢復(fù)鉆孔抽采能力，是保證鉆孔高效使用、瓦斯高效抽采的重要前提。
綜上所述，失效瓦斯鉆孔修復(fù)技術(shù)的研究是目前煤礦瓦斯治理工作十分迫切的需求，為此本文研制了自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔修復(fù)裝置及工藝，并對自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，同時將該工藝應(yīng)用于鶴煤八礦- 655軌道石門揭煤瓦斯強(qiáng)化瓦斯預(yù)抽，驗(yàn)證相關(guān)理論，為煤層瓦斯鉆孔修復(fù)技術(shù)提供新方法。
1 鉆孔修復(fù)裝置
自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔修復(fù)裝置主要設(shè)備有三部分：高壓水射流供水設(shè)備、高壓水射流發(fā)生裝備、高壓水射流回水裝備。如圖1所示。
1.1 鉆孔修復(fù)水力參數(shù)
煤渣破碎后與水流混合流出鉆孔，為避免在輸送過程中出現(xiàn)淤積造成二次堵孔，就需要對煤渣輸送的臨界不淤流速展開研究。煤渣水力輸送臨界流速的影響因素較多，如鉆孔直徑、漿體濃度等。近年來，眾多學(xué)者針對不同的試驗(yàn)條件對臨界流速計(jì)算公式進(jìn)行了一系列的研究，但其結(jié)構(gòu)形式和涉及參數(shù)均有較大的區(qū)別，至今沒有統(tǒng)一。丁宏達(dá)教授提出的全濃度區(qū)臨界流速計(jì)算公式能有效解決煤渣顆粒在一定濃度煤水混合物中的輸送問題，并通過大量試驗(yàn)確定相應(yīng)的系數(shù)，符合本文研究需要，且具有一定的精度。如式：
1.2 射流破渣壓力
噴嘴出口射流流速計(jì)算公式為：
式中：p t為射流破渣水壓，M Pa；q為射流體積流量，L/min；μ為噴嘴流量系數(shù)；d為噴嘴孔出口截面直徑，mm。
高壓水射流的工作壓力根據(jù)噴嘴所建立的破渣水壓減去破渣系統(tǒng)的壓力損失得到，即p = p t - △p，其中，系統(tǒng)壓力損失公式為：
式中：d0為高壓輸水軟管直徑，mm; Re為雷諾數(shù)，取11 165 q/d0。
鉆頭所用錐直型噴嘴流量系數(shù)為0. 95，采用25 mm高壓軟管，則可計(jì)算出沿程阻力損失為0. 009 M Pa/m，一般高壓水泵距離試驗(yàn)地點(diǎn)50 m，結(jié)合本次設(shè)計(jì)修復(fù)深度為50 m，則沿程阻力損失為0.9 M Pa。
煤渣是由煤粉和不同粒徑的煤體顆粒隨機(jī)組成的，孔隙多而裂隙發(fā)育。射流破渣臨界水壓沒有固定的公式，只能通過經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，模擬幾種煤渣構(gòu)成，對其進(jìn)行射流破碎。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流打擊壓力達(dá)到2M Pa時，能較好的完成破渣工作，則破渣水壓為2.9M Pa。但考慮現(xiàn)場操作等因素的影響，為確保鉆頭可以暢通無阻，現(xiàn)場破渣水壓應(yīng)在10~ 15 M Pa。
2 自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭技術(shù)參數(shù)研究
2.1 自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭自進(jìn)力
自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭作為整套修復(fù)裝置的關(guān)鍵，其利用反向噴嘴的反沖力使鉆頭產(chǎn)生自進(jìn)力，從而驅(qū)動系統(tǒng)完成自主推進(jìn)。如圖2所示，對于系統(tǒng)來說，由于正反兩個方向的徑向、切向力必須保持平衡，因此正向切割噴嘴反沖力的軸向分量是阻力，反向噴嘴反沖力的軸向分量是動力，在不考慮摩擦的情況下，自進(jìn)力就是這兩組噴嘴軸向力的合力，但在實(shí)際使用中，還應(yīng)考慮摩擦力的影響。
式中：F1為反向噴嘴軸向反沖合力；F2為正向噴嘴軸向反沖合力f為系統(tǒng)總摩擦阻力。
鉆孔修復(fù)系統(tǒng)靠鉆頭噴嘴射流反沖力克服整個系統(tǒng)的摩擦阻力向前推進(jìn)，但隨著推進(jìn)深度的增加，參與推進(jìn)的高壓輸水膠管長度也逐漸增加，系統(tǒng)所受的摩擦阻力也越來越大。
根據(jù)鉆頭開始工作時的初始條件和終止工作時的最終速度為零的情況，對上式進(jìn)行積分，可得自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭的運(yùn)動方程：
由以上的分析可以得出，當(dāng)鉆頭速度為零時鉆進(jìn)停止，此時鉆頭修復(fù)的深度達(dá)到最大值，根據(jù)此條件可以得到最大修復(fù)深度的表達(dá)式：
2.3 噴嘴布置方式
噴嘴作為破渣清孔的執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)的合理與否，直接關(guān)系到清孔排渣效果的好壞，好的噴嘴設(shè)計(jì)不但能提高工作效率，還能有效避免射流設(shè)備功率的浪費(fèi)。
2.3.1 正反噴嘴的當(dāng)量直徑計(jì)算
自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭既要完成破渣工作，又要實(shí)現(xiàn)自身旋轉(zhuǎn)完成擴(kuò)孔工作，因此鉆頭的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循多個噴嘴協(xié)同工作的原則。由于射流破渣壓力和沿程壓力損失的計(jì)算都是針對單噴嘴直徑展開的，因此就應(yīng)該把多噴嘴直徑轉(zhuǎn)化為當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑的計(jì)算公式為：
式中：d為多噴嘴的當(dāng)量直徑；d n為第n個噴嘴的直徑。
由式(3)計(jì)算可得噴嘴的當(dāng)量直徑d約為6.7 mm。結(jié)合本次設(shè)計(jì)鉆孔修復(fù)深度為50 m，由式(11)可得：
式中：F反為反向噴嘴噴出射流反沖力；a為反向噴嘴傾角；F中為正向中心噴嘴反沖力，F(xiàn)外為正向外環(huán)噴嘴射流反沖力；β為正向外環(huán)噴嘴傾角；y為正向外環(huán)噴嘴偏角。
2.3.2 反向噴嘴布置方式
反向噴嘴除了提供反沖力拖動膠管使鉆頭向前推進(jìn)外，還能對返流中的大粒徑煤渣進(jìn)行進(jìn)一步的破壞。受限于水道分流，一般可設(shè)置2、3或4個反向噴嘴，其參數(shù)及布置方式如表1所示。
從理論上講，這幾種布置方式在性能上不會有任何差異，但其實(shí)際使用效果，還需要通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為了探究噴嘴不同布置方式下鉆頭推進(jìn)的效果，楊博凱通過對反向噴嘴三種布置方式的鉆頭在自制煤樣中的鉆進(jìn)過程的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，3個噴嘴組合的布置方式鉆頭的穩(wěn)定性最好，因此確定為最優(yōu)布置方式。
2.3.3 正向噴嘴布置方式
正向噴嘴的個數(shù)直接關(guān)系到鉆頭水道速度場、壓力場的分布，是射流完成破渣工作的關(guān)鍵。段新勝在對環(huán)形噴嘴射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，對于一定尺寸的射流泵，當(dāng)噴嘴的數(shù)量超過6個時，射流在較大流量比時性能逐漸變差。針對本鉆頭設(shè)計(jì)尺寸，外環(huán)噴嘴數(shù)目以不超過4個為佳，布置方式如圖3所示。
根據(jù)上一節(jié)對噴嘴當(dāng)量直徑的分析，可得噴嘴參數(shù)如表2所示。
理論上這幾種布置方式?jīng)]有什么區(qū)別，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證存在較多的不確定因素，本文擬選用Fluent數(shù)值模擬軟件對幾種噴嘴的射流情況進(jìn)行模擬，遴選出最優(yōu)噴嘴布置方式，其優(yōu)選分析將在下一節(jié)中具體介紹。
2.4 正向噴嘴布置方式數(shù)值模擬優(yōu)選
噴嘴布置方式?jīng)Q定流體的流動方式，通過分析水流在噴嘴內(nèi)外的速度場分布規(guī)律，對不同布置方式的噴嘴進(jìn)行優(yōu)選。
2.4.1 幾何模型的確定
模擬的實(shí)驗(yàn)情況為自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭在水平鉆孔中通過高壓水射流經(jīng)過噴嘴破渣。為簡化模型，將其劃分為三個部分：主水道、噴嘴和計(jì)算區(qū)域，同時不考慮鉆頭前部旋轉(zhuǎn)對沖擊煤渣效果的影響，如圖4所示。由于模型規(guī)則且簡單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。
2.4.2 模擬結(jié)果與分析
模擬參數(shù)設(shè)定如下：
多相流模型：VOF模型；湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)k--Ɛ模型；入口邊界：入口邊界條件設(shè)定為pressure-inlet，大小設(shè)定為10 M Pa；出口邊界：出口定義為pressure-outlet，由于其大小是相對于大氣壓力而言的，因此設(shè)定為0；壁面邊界：除靶物、出入口外，其他的邊界條件設(shè)定為固壁。
為實(shí)現(xiàn)噴嘴射流的速度流場分析，通過對靶距為5mm時3種噴嘴布置方式的射流速度場的分布規(guī)律進(jìn)行對比，選取最優(yōu)布置方式。見圖5。
由圖5可得出以下結(jié)論：1)射流擴(kuò)散度：在射流能量一定的情況下，射流的擴(kuò)散越小，射流與空氣間的能量轉(zhuǎn)化也就越少，射流作用于煤渣的能量也就越多。如圖所示，5噴嘴布置方式的射流擴(kuò)散度明顯小于3噴嘴和4噴嘴，能量損失最少。
2)有效打擊面積：鉆頭端面由中心噴嘴和外環(huán)噴嘴組成，每個噴嘴都有相對固定的有效打擊面積，當(dāng)所有噴嘴有效打擊面積疊加在一起就是噴頭作用面積，噴頭破渣面積的大小決定破渣效率。射流完成破渣的壓力為2 M Pa，由式(2)可計(jì)算出射流破渣的流速為63. 21m/s以上，因此，射流速度只有大于該速度區(qū)間才能有效完成破渣工作，才能稱為有效打擊面積。由圖可以看出，5噴嘴布置方式的射流有效打擊面積大于3噴嘴和4噴嘴。
3)打擊力：由圖可以看出，在靶距5 mm時，3種噴嘴布置方式的射流最高速度分別為130、134、136 m/s。5噴嘴布置方式的射流速度高于其他兩個，根據(jù)射流在空氣中的衰減規(guī)律，其在噴嘴出口處速度也高于3噴嘴和4噴嘴。由式P=pv2，可計(jì)算出，5噴嘴布置方式的射流打擊壓力最大。
綜上所述，5噴嘴布置方式為自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭前置噴嘴的最優(yōu)布置方式，能更好的完成清孔排渣工作。
3 現(xiàn)場試驗(yàn)研究
3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)
試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在鶴煤八礦- 655水平軌道石門，具體的位置如圖6所示。礦井的瓦斯地質(zhì)資料和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，軌道石門處煤巖破碎嚴(yán)重、煤質(zhì)松軟、透氣性差且埋深較深，導(dǎo)致瓦斯預(yù)抽孔塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重，瓦斯抽采濃度低、抽采量小，大大增加了瓦斯預(yù)抽時間和難
度，導(dǎo)致石門揭煤時間長。并且，煤層透氣性系數(shù)差，導(dǎo)致鉆孔抽采效果差，影響礦井的正常生產(chǎn)。
3.2鉆孔修復(fù)試驗(yàn)
試驗(yàn)過程中，對抽采效果較差的鉆孔采用自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)行修復(fù)。為了驗(yàn)證鉆孔修復(fù)效果，對采取自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭修復(fù)技術(shù)和未采用情況下的瓦斯抽采情況進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖7、8所示：
如圖7、8所示，采用自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔修復(fù)技術(shù)的鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采流量有顯著的提高。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，未采取鉆孔修復(fù)情況下，瓦斯抽采濃度平均為8. 19%，而采取鉆孔修復(fù)的鉆孔，瓦斯抽采濃度為17. 08%，提高了2.09倍；瓦斯抽采流量方面，未采取鉆孔修復(fù)情況下平均為0. 47 m3/min，而采取鉆孔修復(fù)的鉆孔為1. 29 m3/min，提高了2.74倍，達(dá)到了清孔排渣、卸壓增透的目的，大大提高了瓦斯抽采效率，有效縮短了揭煤時間。
4 結(jié)論
1)對自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭修復(fù)裝置技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，通過計(jì)算煤渣水力輸送臨界流速，確定高壓水泵的額定流量為150 L/min；結(jié)合鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其噴嘴布置方案進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬對鉆頭正反噴嘴的幾種布置方式進(jìn)行優(yōu)選，確定3個張角為120，直徑為2.2 mm的噴嘴組合為最優(yōu)的反向噴嘴布置方式，1個直徑1 mm的中心噴嘴和4個傾角200、偏角150、直徑1.5mm的外環(huán)噴嘴的組合為最優(yōu)的反向噴嘴布置方式。
2)通過現(xiàn)場鉆孔修復(fù)試驗(yàn)，瓦斯抽采濃度提高2. 09倍，瓦斯抽采流量提高2.74倍，大大提高了瓦斯抽采效率，有效縮短了揭煤時間。
