松軟煤層壓風鉆進及下篩管地面模擬實驗

秦金輝

(山西焦煤霍州煤電集團 李雅莊煤礦,山西 霍州 031400)

瓦斯作為一種高效清潔能源,國家鼓勵抽采和利用瓦斯,鼓勵企業“以用促抽、以抽保安全”[1-3],保證煤炭資源安全、高效開采。高濃度瓦斯松軟煤層中施工順煤層鉆孔時,在鉆進、退鉆過程中及退鉆后,鉆孔在地應力、瓦斯壓力和鉆擾動力的綜合作用下易出現塌孔,一方面會嚴重影響鉆進深度,另一方面會堵塞抽采通道,影響瓦斯抽采效果[4-10]。采用壓風鉆進和孔內下篩管的方法能夠提高鉆孔的鉆進深度和成孔率,煤層預抽效果將顯著提高[11-16]。壓空氣鉆進在松軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔時，以礦井壓風作為風源,供風壓力低,且風量不穩定,鉆孔施工至一定深度后排粉困難。有關研究以現場實踐和理論分析為主,而孔內風壓沿程損失規律、孔底風壓變化規律等沒有直觀觀測,限制了其成孔深度。此外,松軟煤層中瓦斯抽采鉆孔成孔提鉆后易出現坍塌堵孔現象,影響瓦斯抽采效果。

霍州煤電集團李雅莊礦主采2#煤層,煤層埋深565～610 m,煤層平均厚度2.75 m,煤層傾角6°左右,煤堅固性系數一般在0.46～0.80之間,部分區域小于0.5。預抽鉆孔鉆進困難,鉆孔長度難以突破150 m,需要在工作面兩巷施工鉆孔,且塌孔嚴重,成孔率不足30%,預抽效果較差。如何實現本煤層長距離鉆進及成孔成為保障本煤層預抽效果的當務之急。本文針對李雅莊煤礦壓風鉆進過程中存在的問題,開展了松軟煤層風力排渣鉆進地面模擬實驗和工程實踐,實現了松軟煤層長距離鉆進和護孔。

1 實驗目的及內容

為初步掌握風力排粉過程中風壓在鉆孔環狀間隙內的變化規律和煤屑運動方式,驗證鉆桿內下放瓦斯抽采篩管護孔技術的工藝可行性,在此與中煤科工集團重慶研究院合作研制了模擬實驗裝置。地面模擬實驗主要包括以下幾個方面的內容。

1)根據松軟煤層特點選擇具有代表性的煤屑作為模擬煤層填充材料,根據工藝要求選擇套管和有機玻璃管的尺寸,設計制作模擬施鉆煤層。

2)根據實驗目的與工藝要求連接實驗設備與器材,在適當位置安裝傳感器及相應線路,建立數據采集系統。

3)模擬實際鉆進過程,改變風量、風壓等鉆進工藝參數,利用可移動高清攝像機在有機玻璃管處觀察鉆頭破碎孔底煤層情況和煤屑在鉆孔環狀間隙內的運移情況。

4)利用壓力變送器采集各測點風壓數據,對數據進行匯總處理,總結不同工況下孔內風壓變化規律。

5)護孔篩管下放到位后與內芯可脫式鉆頭配合進行鉆頭自脫,檢驗內芯可脫式鉆頭結構的合理性與可靠性。

2 實驗方案

為了使模擬實驗結果與現場施工情況相符,同時能夠獲得相關技術資料,在此除了使用與工業性試驗相同的設備與器材外,還應該建立與松軟煤層較為相似的模擬煤層和完善的數據采集系統。本次模擬實驗方案如下。

1)設計制作模擬煤層。模擬實驗與實際鉆進過程的相似度主要取決于模擬煤層與松軟煤層的相似程度。實驗所建立的模擬煤層應具有松軟煤層的顯著特點,并具有良好的成孔性。為了達到該目的,選擇與實驗用鉆頭成孔孔徑相似的套管和有機玻璃管,在內部填充源自松軟煤層的煤屑,長度為100～200 m。

2)建立數據采集系統。現場采用風力排粉鉆進時,無論使用礦井系統壓風還是由空壓機提供壓縮空氣,對風壓和風量的控制概念均較為淡化,沒有充分利用這兩個參數進行優化鉆進。本次實驗將建立完善的數據采集系統,在模擬煤層的不同位置安裝壓力變送器,記錄不同孔深處的壓力;同時在有機玻璃管處安裝攝像機,記錄煤粉在壓縮空氣的攜帶下在鉆孔環狀間隙內的運動狀態。

3)模擬鉆進過程。模擬鉆進過程與實際鉆進過程一樣,在孔口由全液壓坑道鉆機提供的扭矩與鉆壓通過鉆桿傳遞到鉆頭,鉆頭在孔底切削破碎煤層,由空氣壓縮機提供的壓縮空氣經水辮、鉆桿內通孔、鉆頭進入孔底冷卻鉆頭,并將鉆頭切削下的鉆屑經環狀間隙攜帶至孔外,通過孔口集塵裝置進入除塵裝置進行氣體與鉆屑的分離,鉆進至預定孔深后通過鉆桿內通孔下放護孔篩管,篩管到位后向可脫式鉆頭內芯施加推力,使其脫離鉆頭體,然后提鉆使護孔篩管留在孔內。

3 數據采集系統

數據采集系統包括風力參數采集系統和運動狀態觀察系統。數據采集系統連接示意圖，如圖1所示。

圖1 數據采集系統連接示意圖Fig.1 Connection diagram of data collection system

風力參數采集系統包括流量計、壓力變送器和無紙記錄儀。流量計用于測量空氣壓縮機提供的壓縮空氣的壓力、流量等參數,安裝于空氣壓縮機與變頭之間。壓力變送器用于采集不同孔深處環狀間隙內的風壓數據,在模擬煤層管道上等間距布置,壓力變送器測量的數據通過電纜傳輸到無紙記錄儀進行記錄與顯示,必要時可將數據傳輸到電腦,用電子表格進行處理與分析。

運動狀態觀察系統包括高清攝像機、固定攝像機和錄像機解碼器。高清攝像機為可移動式,實驗過程中用于跟隨鉆頭拍攝鉆頭在孔底的碎巖狀態和鉆屑在沖洗介質的帶動下在鉆孔環狀間隙內的運動狀態。固定攝像機用于拍攝固定位置鉆屑的運動狀態。錄像機解碼器連接在攝像機和計算機之間,對傳輸圖像進行解碼,并將解碼數據傳輸到計算機進行顯示。

4 地面模擬實驗

4.1 實驗準備工作

1)建立模擬煤層。根據實驗設計方案,將套管和有機玻璃管采用法蘭交替連接,連接過程中每6 m預留一個壓力變送器接口。

2)連接實驗設備。實驗模擬煤層放置在地面上,為了保證鉆桿與套管的同心度,安裝鉆機時將鉆機放置在凹坑內。實驗設備與儀器的連接,如圖2所示。

圖2 實驗設備與儀器連接示意圖Fig.2 Experiment equipment and instruments connection diagram

3)安裝數據記錄系統。在模擬煤層套管上預留的位置安裝壓力變送器,以便在實驗過程中實時記錄各測點壓力變化情況,用電纜將各變送器與無紙記錄儀連接,最后連接到電腦上。在空氣壓縮機和水辮之間安裝流量計,記錄供風參數。在預設地點安裝攝像機以拍攝煤屑在環狀間隙內的運移情況,并安裝可移動高清攝像機,實驗時全程拍攝實驗情況,將各攝像機連接到錄像機解碼器進行圖象顯示。

4.2 實驗過程

1)鉆進過程。本次實驗鉆進過程是一項輔助工作,主要為其他各步驟提供實驗條件。采用普通回轉鉆進工藝,通過控制進給速度來控制鉆屑量,通過控制風量、風壓來控制鉆屑在環狀間隙的運移方式。

2)數據采集過程。在鉆進過程中,用流量計測量由空氣壓縮機提供的壓縮空氣的流量與壓力,各測點的壓力變送器對不同工況下的風壓進行觀測與記錄,并存儲到數據記錄系統,在有機玻璃管處用攝像機拍攝煤屑的運移狀態,用移動攝像機跟隨鉆頭拍攝鉆頭破碎煤層的狀態和鉆頭處鉆屑的運動狀態。地面模擬實驗照片,如圖3所示。為了便于觀察鉆頭自脫過程,鉆進到預定位置后,將套管在鉆頭處卸開,露出鉆桿與內芯可脫式鉆頭,在孔口處通過鉆桿內通孔向孔內下放篩管,到位后篩管將向內芯可脫式鉆頭的內芯施加軸向推力,使其與鉆頭體分離,鉆頭自脫后提鉆,篩管留在孔內。

圖3 地面模擬實驗Fig.3 Simulation experiment on the ground

4.3 實驗分析與總結

風壓是空氣鉆進技術關鍵的工藝參數之一,分析風力排粉過程中孔內風壓的變化規律,對深入了解空氣鉆進原理、完善操作工藝有積極的理論指導意義。此次實驗通過安裝于套管內壁的壓力變送器監測風力排粉時的壓力變化情況;通過拍攝有機玻璃管內鉆屑的運動情況,了解鉆屑運動機理。

4.3.1不同鉆孔深度沿程壓力損失

隨著孔深的增加,相同深度處壓力損失會有所變化,為量化這一變化規律,對所得實驗數據進行分析,得出幾組不同孔深的壓力損失規律,如圖4所示。從圖4可以得出如下結論:

圖4 不同鉆孔深度沿程壓力示意圖Fig.4 Pressure at the different drilling depths

1)在環狀間隙內,孔底至孔口的壓力差隨著鉆孔深度的增加而增大,其主要原因是鉆孔軌跡為空間曲線且鉆孔內壁凹凸不平,隨著鉆孔深度的增加,壓縮空氣與鉆屑組成的氣固兩相流的沿程壓力損失增加,同時空氣將鉆屑攜帶至孔口所做的功也增加,這些都需要由空氣的壓力損失來補償。

2)在環狀間隙內,臨近孔底段的壓力損失明顯大于相同距離其他各段的壓力損失。當鉆頭鉆進至壓力變送器附近時,臨近孔底的兩個壓力變送器間的壓力損失明顯大于其他相鄰壓力變送器間的壓力損失。該段壓力損失約為鉆屑與氣體相對穩定狀態下相鄰兩壓力變送器間壓力損失的3～5倍。

3)對于一定深度的鉆孔,當鉆屑在壓縮空氣帶動下開始運動并進入相對穩定的狀態后,在環狀間隙內單位長度下的壓力損失基本為定值,即可認為氣固兩相流進入穩定運動狀態直至孔口,在該范圍內,兩相流的沿程壓力損失與長度呈正比。

4)孔口處兩相流的壓力損失明顯高于其在穩定運動狀態下的壓力損失,主要原因是在孔口集塵裝置內兩相流的運動方向由平行于鉆桿方向變為垂直于鉆桿方向,在這一過程中,鉆屑發生聚集、碰撞等現象,將產生局部壓力損失。

4.3.2不同鉆孔深度下孔底風壓變化規律

孔底風壓隨孔深增加的變化情況,如圖5所示。

圖5 孔底風壓隨鉆孔延伸的變化Fig.5 Wind pressure variation at the bottom with the drilling extension

從圖5可以看出,孔底風壓隨孔深增加而增大,但其增加的幅度隨著孔深的變化有所不同。在孔深80 m以內,空壓機輸出風壓保持在0.3 MPa左右,孔底風壓隨孔深的增加而增大的幅度較小,在該孔段鉆進過程中,排粉正常；當孔深達到85 m以后,為提高孔內排粉效率,改變鉆屑運動狀態,空壓機輸出風壓提高到0.5 MPa左右,此時孔底壓力增大趨勢明顯。這說明在風力鉆進成孔過程中,孔底風壓的變化隨孔深增加而增大的同時,與輸入風壓密切相關。在實際鉆進過程中,在滿足排粉要求的前提下應盡量避免頻繁調整空壓機的供風參數,要采取必要的工藝措施保持較為均勻的鉆進速度,使孔底壓力損失保持均勻變化,避免出現壓力突變而影響正常排粉。

4.3.3一定孔深處的風壓隨孔深增加的變化規律

不同孔深位置處隨鉆孔延伸的風壓變化情況，如圖6所示。

圖6 30 m，50 m，70 m孔深處隨鉆孔延伸的風壓變化Fig.6 Wind pressure variation at the drilling depths of 30 m, 50 m, and 70 m

從圖6曲線可知,孔深較淺處的風壓隨鉆孔延伸的變化幅度較大,其變化不確定性也較大。孔深較淺處在鉆孔延伸過程中所堆積的鉆屑會越來越多,在鉆桿回轉給進過程中對鉆屑的擾動直接影響了該處風壓。此時,隨著鉆孔的延伸,孔口附近孔段堆積鉆屑的及時排除就顯得尤為重要。

30 m、50 m和70 m孔深處在鉆進過程中風壓相差值均為10 kPa左右,并且隨著孔深增加，差值略有增大,當鉆孔深度接近100 m時,風壓差值為15 kPa以上。結合圖6,得到如下結論:

1)當鉆孔深度在50～85 m之間時,空壓機輸出風壓為0.3 MPa,30 m、50 m和70 m孔深處的風壓相差值均為10 kPa左右。這表明,在保持正常鉆進、孔內排粉順暢的情況下,實驗鉆孔內部從深至淺每20 m的風壓損失為10 kPa左右。

2)當孔深達到85～98 m時,空壓機輸出風壓為0.5 MPa,30 m、50 m和70 m孔深處的風壓相差值上升為20 kPa左右,由于孔深觀測范圍有限,其差值并沒有表現出相對穩定的規律性。

3)經數據分析可知,風力鉆進過程中,空氣輸送鉆屑的沿程壓力損失主要分為3個部分:鉆屑加速段、相對穩定段和孔口段。在實驗條件下,供風流量一定,給進速度一定,單位長度的壓力損失基本為一恒定值,隨著鉆進深度的增加,壓力損失不斷累加。

4)篩管護孔工藝適應性。鉆進過程中,鉆頭工作條件惡劣,鉆頭與煤壁的相互作用較為復雜。內芯可脫式鉆頭既要保證正常鉆進需要,也要保證內芯在受到篩管的推力時能夠靈活脫落。因此,鉆進過程中需要考察分析內芯可脫式鉆頭鉆進時的工作穩定性和內芯脫落時的靈活性。鉆進完畢后,將末端套管法蘭卸掉,露出鉆頭,進行內芯耐壓實驗。實驗證明,當鉆頭靜止,空壓機輸出壓力0.8 MPa、風量796.4 m3/h的情況下,壓縮空氣的推力不會使內芯從鉆頭體脫落,二者配合穩定可靠。鉆進成孔后,從大通孔風壓密封鉆桿內輸送篩管,待篩管輸送至孔底并頂脫鉆頭的內芯后,再提出鉆具。下放篩管工藝可以解決松軟煤層中提出鉆具后塌孔、成孔難的問題,以保證瓦斯抽采效果。鉆進成孔后,進行篩管輸送實驗。實驗時孔內鉆桿總長度104 m,分別輸送整體式篩管和插接式篩管。輸送前在篩管頂端安裝圓錐型導向頭,確保篩管在鉆桿內部順利輸送,如圖7所示。

通過此次模擬實驗,對松軟煤層空氣鉆進有了更加深入的認識,初步了解了壓縮空氣與煤屑兩相流在環狀間隙內的運動狀態和壓力損失規律,驗證了內芯可脫式鉆頭的工作性能和在鉆桿內通孔下放篩管的可行性。

5 結論

1)在環狀間隙內,臨近孔底段的壓力損失約為鉆屑與氣體相對穩定狀態下相鄰兩壓力變送器間壓力損失的3～5倍。

2)模擬實驗過程中供風流量一定,給進速度一定的情況下,單位長度的壓力損失基本為一恒定值,隨著鉆進深度的增加,壓力損失不斷累加。鉆進深度達到85 m后,空壓機輸出風壓提高到0.5 MPa左右。在工業性試驗和實際鉆進過程中,鉆進深度達到96 m后,應逐步提高供風壓力。

3)壓縮空氣自空壓機輸出至第一根鉆桿間的壓力損失較大,約占總損失的55%左右,在設計從空壓機出口至鉆桿的管道時應該盡量增大過流截面,并盡量保證過流截面不變,以減少局部壓力損失。

4)整體式篩管盤在一起給運輸和下放帶來一定困難,插接式篩管單節體積小,插接方便,便于現場操作,實際應用過程中應優先選擇插接式篩管。