瓦斯抽采鉆孔解堵修復裝備的研制與應用

巴全斌

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)

煤層瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯災害的主要技術措施，鉆孔是井下瓦斯抽采的通道，直接關系到瓦斯抽采的質量[1]。鉆孔施工過程中，由于受煤巖體強度、地應力和水等因素的影響，鉆孔極易發生變形甚至坍塌[2-3]；另外，由于開采活動會引起鉆孔周圍應力變化和煤巖體位移形變，進一步加劇鉆孔失穩[4]。鉆孔塌堵阻斷了瓦斯涌出和流動的通道，造成抽采達標時間長及區域瓦斯抽采效果不均衡，嚴重影響瓦斯抽采效率，會影響礦井抽、掘、采的正常銜接。

水力化技術作為一種有效的清洗、疏通技術，近幾年逐漸被應用于煤層瓦斯抽采領域，同時也為解決抽采鉆孔堵塞失效問題提供了可行的方法和研究方向[5]。國內學者及技術人員開展了以水力化措施為主要手段的鉆孔修復技術研究，但尚未形成有效的瓦斯抽采鉆孔修復技術工藝，且普遍存在裝備復雜、成本高和修復效率低等問題[6-10]。基于此，筆者通過研究輕型氣動瓦斯抽采鉆孔修復裝備，優化系統裝備的水力化參數，以期形成一種經濟、高效和易于搬運的瓦斯抽采鉆孔修復技術裝備。

1 抽采鉆孔解堵修復技術

1.1 技術原理

瓦斯抽采鉆孔解堵修復技術是以煤礦井下壓風為動力，通過輕型高壓水泵輸出高壓水至鉆孔修復噴頭，在噴頭形成高壓水射流對鉆孔堵塞段進行解堵疏通[11-12]，使瓦斯抽采失效鉆孔重新被疏通，恢復鉆孔瓦斯運移和流動通道。輕型氣動鉆孔水力化解堵修復裝備及工藝如圖1所示。

1—井下壓風管；2—井下供水管；3—水泵進風管；4—壓風閥；5—輕型氣動高壓水泵；6—水泵供水管；7—供水閥；8—高壓水管路；9—篩管；10—煤巖層；11—鉆孔修復噴頭；12—鉆孔堵塞段。

1.2 系統裝備組成

瓦斯抽采鉆孔解堵修復技術裝備主要由輕型氣動高壓水泵、鉆孔修復噴頭、高壓軟管、管路輸送裝置等組成。

1)輕型氣動高壓水泵是鉆孔修復裝備的主要組成部分，該設備是動力輸出裝置，以壓縮空氣為介質作為工作動力源，主要由高壓水泵頭和氣動馬達組成。其工作氣壓為0.4～0.7 MPa，耗氣量為12 m3/min，轉速為1 500 r/min，額定壓力為20 MPa，額定流量為15 L/min，體積為550 mm×400 mm×553 mm，質量為45 kg。

2)鉆孔修復噴頭是水射流疏通解堵的關鍵部件，在鉆孔解堵修復過程中，高壓水通過高壓水管路輸送至鉆孔修復噴頭處形成高壓水射流，噴頭的正向噴嘴射流能破碎鉆孔中變形閉合的煤體和沖散坍塌后被壓實的煤渣；反向噴嘴射流提供噴頭前進的動力并沖排煤渣。同時，鉆孔修復噴頭旋轉有助于形成規則鉆孔。

3)篩管及修復管路等。篩管采用礦用聚氯乙烯管，其直徑為40 mm，滿足煤礦常規鉆孔直徑要求，可以有效支撐堵塞段鉆孔，保證鉆孔瓦斯通道暢通；修復管路采用高壓軟管和不銹鋼管，實現高壓水輸送和鉆孔疏通解堵，能滿足煤礦井下操作和快速修復堵塞鉆孔的要求。

2 系統阻力損失計算

瓦斯抽采鉆孔解堵修復系統壓力損失主要來自高壓軟管盤管段和直管段兩部分。以流體性能、裝備規格尺寸為基本參數，首先計算雷諾數以求解摩擦阻力系數，然后利用壓力損失通式計算得到各部分的壓力損失。

2.1 阻力損失計算公式

1)對于牛頓流體，雷諾數計算公式如下:

(1)

式中:Re為雷諾數；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；dhy為水力直徑，m；μ為流體黏度，Pa·s。

2)理論與實踐證明[13-14]，達西公式作為壓力損失計算通式，被廣泛應用于管流與環空流動的層流和紊流壓力損失計算，因此瓦斯抽采鉆孔解堵修復系統壓力損失計算通式如下:

(2)

式中:Δpi為系統各段壓力損失，Pa；fi為系統各段摩擦阻力系數；Li為系統各段長度，m。

3)李根生等[15]對粗糙管紊流摩擦阻力系數公式進行修正，提出了可用于高壓軟管盤管段的摩擦阻力系數計算公式如下:

(3)

式中:fcT為高壓軟管盤管段摩擦阻力系數；di為高壓軟管內徑，m；D為高壓軟管滾筒直徑，m；Δ1為高壓軟管內表面絕對粗糙度，m。

4)直管段摩擦阻力系數計算公式如下:

(4)

式中:fh為直管段摩擦阻力系數；α為摩擦阻力校正系數，由試驗測得；dhi為高壓軟管內徑，m。

2.2 阻力損失計算結果

根據瓦斯抽采鉆孔修復裝備的構成，以氣動高壓水泵、鉆孔修復噴頭、高壓軟管和管路輸送裝置參數及鉆孔條件等為基礎數據，進行鉆孔解堵修復系統壓力損失計算。其中，流體密度為1.0 kg/L，黏度為1.005 mPa·s，壓力為20 MPa，流量為15 L/min；高壓軟管總長度為60 m。以直管段模擬實際鉆孔最大修復深度為例，不同管徑狀態下的系統壓力損失如表1所示。

表1 不同管徑狀態下的系統壓力損失

由表1可知，系統總壓力損失隨著管路內徑的減小而增大，當管路內徑由8 mm減小至7 mm和6 mm時，系統總壓力損失由3.06 MPa劇增至6.05 MPa和13.36 MPa，此時無法保證射流噴頭處的射流壓力。因此高壓軟管的最小內徑應為8 mm，最大內徑應根據篩管內徑及下放難度確定。

修復過程中，盤管段和直管段長度隨著修復深度的變化而變化，高壓軟管內徑為8 mm時，對不同盤管段和直管段長度的系統總壓力損失進行計算，結果如表2所示。

表2 不同管路狀態下的系統總壓力損失

由表2可知，系統總壓力損失隨著鉆孔修復深度的增大而減小；盤管段長度最大時總壓力損失最大，此時盤管段壓力損失為2.82 MPa，直管段壓力損失為0.24 MPa，系統總壓力損失為3.06 MPa。

3 系統水力參數計算

3.1 鉆孔修復噴頭水力參數

輕型氣動高壓水泵產生的高壓流體經高壓管路輸送至鉆孔修復噴頭，考慮輸送過程中發生能量損耗，根據壓力平衡和阻力損失計算，到達噴頭時入口的壓力為:

p=ps-pt

(5)

式中:p為噴頭入口壓力，MPa；ps為輕型氣動高壓水泵輸出泵壓，MPa；pt為管路阻力損失，MPa。

根據伯努利方程，忽略高度差和噴嘴局部壓力損失，可得:

(6)

式中:p1、p2為噴嘴內外壓力，Pa；v1為噴嘴出口流體平均速度，m/s；v2為噴嘴入口流體平均速度，m/s。

根據連續方程得:

v1A1=v2A2

(7)

式中A1、A2為噴嘴出口、入口面積，mm2。

噴嘴為圓孔，將A=πd2/4代入式(6)，可得:

(8)

式中d1、d2為噴嘴出口、入口截面直徑，mm。

在工程實際中，由于噴嘴(d2/d1)?1，p1?p2，并將ρ=998 kg/m3和式(5)代入式(8)可得:

(9)

式中v為噴嘴出口速度，m/s。

瓦斯抽采鉆孔解堵修復系統的運行壓力應保證水射流壓力能夠破除煤渣。文獻[16]顯示，自進式旋轉噴頭破巖效果的射流出口速度應大于150 m/s；實驗發現，當入口壓力達到10 MPa時，即噴嘴水射流速度達到141.35 m/s時，能較好地完成鉆孔破渣疏通工作。本系統入口壓力為16.94～17.14 MPa，即水射流速度為183.98～185.06 m/s，可有效實現被堵塞瓦斯抽采鉆孔的水力化解堵疏通。

3.2 噴頭關鍵參數確定

由流量公式可得:

(10)

式中:d為噴嘴出口截面直徑，mm；C為流量系數，取0.95；q為噴嘴流量，L/min。

對于多噴嘴射流噴頭在計算時要轉化成噴嘴當量直徑，其計算公式如下:

(11)

式中:de為噴嘴當量直徑，mm；dn為第n個噴嘴的直徑，mm。

計算得到噴嘴當量直徑為1.3 mm。

結合相關研究成果和試驗結論[17]，采用前三后二方式布置噴頭，噴頭正向噴嘴傾角依次取15°、30°、45°，反向噴嘴傾角為140°，噴嘴偏轉角為10°。根據動量定理可得:

FΔt=mv1-mv2

(12)

式中:F為單位時間作用在單位體積上的力，N；Δt為作用在單位體積上的時間，s；m為單位體積流體質量，kg。

將式(9)代入式(10)～(12)可得:

F=1.56d2p

(13)

噴頭正反向合力分別為:

(14)

(15)

式中:F1為單位時間作用在單位體積上的正向力，N；F2為單位時間作用在單位體積上的反向力，N；d正為正向噴嘴直徑，mm；d反為反向噴嘴直徑，mm；θ1、θ2、θ3為正向噴嘴傾角，(°)；θ4為反向噴嘴傾角，(°)。

當噴頭軸向上反向噴嘴反作用力F2大于正向噴嘴反作用力F1時，噴頭可提供正向前進力，即:F1/F2<1，則d正/d反<0.84，結合文獻[18-19]，綜合輕型氣動高壓水泵和管路參數條件及噴頭結構尺寸、噴頭內部壓力損失和加工精度要求，為提高噴嘴直徑圓整度，確定自進式正向噴嘴直徑為 0.4 mm，反向噴嘴直徑為0.6 mm。

4 現場應用

4.1 試驗礦井概況

石壕煤礦井田走向長度為7.3 km，傾向長度為4.4 km，井田面積為31.9 km2，核定生產能力為 1.8 Mt/a，煤層平均厚度為0.93～3.64 m，煤層傾角為6°～15°，為近水平至緩傾斜煤層，煤層頂底板主要為砂質泥巖。礦井相對瓦斯涌出量為87.89 m3/t，絕對瓦斯涌出量為234.17 m3/min，瓦斯壓力為2.30～4.32 MPa，最大瓦斯含量為16.32～27.23 m3/t，石壕煤礦為煤與瓦斯突出礦井。

石壕煤礦煤層賦存地質條件復雜，隨著礦井開拓向深部延伸，地層壓力逐漸增大，瓦斯抽采鉆孔普遍存在垮孔、堵孔情況，尤其是穿層鉆孔所遇煤巖層中富含砂質泥巖和鋁土巖層等，遇水易發泡膨脹，造成鉆孔堵塞和瓦斯流動困難。現場統計考察452個穿層鉆孔，其中227個鉆孔發生堵塞，鉆孔堵塞率達到50%以上，鉆孔瓦斯抽采濃度普遍呈斷崖式下降，嚴重影響了鉆孔瓦斯抽采效果。

4.2 試驗地點及工藝流程

1)試驗地點:在石壕煤礦南五區3#瓦斯巷開展輕型氣動抽采鉆孔水力化解堵修復現場試驗，試驗區域鉆孔深度為62.5～69.0 m，試驗地點井下壓風風壓為0.5～0.6 MPa，經檢測堵孔段起始位置在 17～35 m，現場試驗最大修復深度達到50 m，氣動高壓水泵輸出水壓為20 MPa，流量為15 L/min。

2)瓦斯抽采鉆孔解堵修復技術操作流程:

①根據鉆孔日常抽采瓦斯濃度和流量數據，對衰減較快的鉆孔進行探測，以確定鉆孔塌堵情況；

②檢查系統狀況，接入井下壓風和供水管路，仔細檢查管路連接及系統狀況，待系統準備就緒后，開展鉆孔修復操作；

③將修復管路放入篩管內同步下放至鉆孔堵塞段，打開供水和壓風管路，啟動鉆孔修復裝備系統，調節氣動高壓水泵輸出壓力、流量，低速推送高壓修復管和篩管對鉆孔堵塞段進行往返解堵疏通；

④不斷增加高壓修復管和篩管的長度，直至達到最大修復深度，疏通完成后關閉系統，回收高壓修復管路，重新進行鉆孔接抽；

⑤進行下一鉆孔解堵修復，重復操作流程③～④。

4.3 試驗效果分析

鉆孔解堵修復完成后，跟蹤考察試驗鉆孔水力化解堵修復前后瓦斯抽采數據，繪制試驗鉆孔平均抽采瓦斯濃度(CH4體積分數，下同)和瓦斯純流量變化曲線，如圖2所示。

圖2 試驗鉆孔平均抽采瓦斯濃度和瓦斯純流量變化曲線

由圖2可知，鉆孔經過修復以后，大部分鉆孔抽采瓦斯純流量都得到大幅度提高。對比修復前后 23個鉆孔的抽采瓦斯純流量，純流量升高的有21個鉆孔，占修復鉆孔總數的91.3%，瓦斯抽采效果得到較大改善。

由圖2還可以看出，修復完成后單孔平均抽采瓦斯濃度和抽采瓦斯純流量較修復前由36%和 0.003 5 m3/min 提升至60%和0.008 2 m3/min，分別提高了67%和134%；在45 d抽采時間內，試驗鉆孔的平均抽采瓦斯濃度和純流量均有大幅度提升，且能保持較好的抽采效果，有效解決了鉆孔塌堵導致的瓦斯抽采鉆孔失效難題。

5 結論

1)以煤礦井下壓風為動力，研制了瓦斯抽采鉆孔水力化解堵修復裝備，形成了經濟、高效的抽采鉆孔修復技術工藝。

2)確定了瓦斯抽采鉆孔解堵修復水力參數，包括系統阻力損失、水力破煤巖參數和自進式旋轉噴頭參數，得到系統總壓力損失為2.86～3.06 MPa，同時優化了噴頭空間布置方式和參數。

3)通過在石壕煤礦南五區3#瓦斯巷穿層鉆孔應用表明，解堵修復后抽采效果顯著改善的鉆孔占修復鉆孔總數的91.3%，修復完成后45 d內單孔平均抽采瓦斯濃度和純流量由36%和0.003 5 m3/min提升至60%和0.008 2 m3/min，分別提高了67%和134%，鉆孔解堵修復效果顯著。