煤礦巷道底板錨固孔排渣機理及應用

張 輝,康紅普,徐佑林

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013;2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083)

煤礦巷道底板錨固孔排渣機理及應用

張 輝1,2,康紅普1,徐佑林1

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013;2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083)

針對煤礦巷道底板錨固孔鉆進過程中排渣困難的問題,分析了底板錨固孔鉆進過程中的排渣過程,提出了底板錨固孔鉆進排渣困難是由于“鉆渣三區”的存在,得出“鉆渣三區”是動態的依次逐步形成的,并最終同時存在;利用流體力學的基本原理,推導了沖洗液循環過程的沿程水力損失及在固液耦合作用下鉆渣在沖洗液中上返的力學公式。根據現場基本情況,得出沖洗液在沖洗鉆孔及排渣過程中的沿程水力損失對鉆渣上返的速度vt影響極小,并確定了“鉆渣三區”形成的條件。結果表明:在底板錨固孔鉆進過程中,鉆孔機具的選擇、沖洗液流量的要求以及鉆機轉速、鉆壓的控制必須協調一致,控制鉆渣聚集區的形成,在很大程度上避免鉆渣聚集區的形成是加快鉆進速度的關鍵。

底板錨固孔;鉆孔排渣;水力損失;鉆渣三區

煤炭資源開采由淺部向深部發展是客觀的必然規律,隨著煤炭開采深度不斷增加,巷道底臌現象尤為嚴重,成為影響巷道穩定的關鍵因素。多年來實踐經驗表明,底板錨桿(索)加固不僅是治理巷道底臌最行之有效的方法,而且對巷道圍巖整體的穩定性起著重要的作用[1－6]。隨著錨桿(索)支護技術不斷發展,并取得了廣泛應用,為巷道底臌的有效控制提供了強有力的技術支撐。然而由于底板錨桿(索)孔成孔比較困難和成孔效率極低,成為制約巷道底板錨桿(索)加固技術發展的瓶頸[7－9]。

目前,煤礦巷道錨固孔大多采用沖洗液正循環的方式排渣成孔,其鉆進速度受底板巖性、鉆頭破巖顆粒大小、沖洗液(高壓風或高壓水)、沖洗液壓力以及成孔直徑的影響[10－14]。因此,弄清楚底板錨固孔鉆進時的排渣機理對底板錨固孔的快速鉆進具有重要意義。

1 底板錨固孔鉆進排渣機理

1.1 底板錨固孔鉆進排渣特征分析

目前煤礦底板錨固孔多采用沖洗液正循環排渣鉆進,包括正循環水力排渣和風力排渣兩種情況[15－18],排渣系統的排渣動力并不來自于鉆機的動力,而來自于外在沖洗液的動力,圖1為底板錨固孔鉆進正循環沖洗液排渣系統示意。

圖1 底板錨固孔鉆進沖洗液正循環排渣示意Fig.1 Diagrammatic sketch of flush fluid normal cycle deslagging in floor anchor hole drilling

受巷道底板所處的特殊環境及錨固孔深度(一般為4～8 m)的要求等因素的影響,井下工程鉆進中,采用正循環排渣方式進行底板鉆孔時,當鉆進深度達到2.0 m以下時,常常表現出卡鉆、塌孔、抱鉆等問題,導致深孔鉆進難以實現,而且在提鉆后,部分鉆渣回落孔內,造成鉆孔的有效深度大大降低,圖2為拔鉆后鉆渣回返孔底示意。

1.2 底板錨固孔鉆進時的動態區域劃分

圖2 提鉆后鉆渣回返孔底示意Fig.2 Diagrammatic sketch of boring mud reversal hole bottom after lifting drill

井下底板錨固孔工程鉆進中,鉆渣在鉆頭孔口射流的作用下離開孔底后便進入鉆桿與孔壁之間的環形空間,并由上返的沖洗液攜至孔口,沖洗液流體攜帶鉆渣效果的好壞將直接影響著鉆進的速度。鉆渣在環形空間的運移是由于受到了沖洗液的動力作用和鉆渣的重力下沉而產生的運動效果。在沖洗液的作用下,鉆渣顆粒在環形空間的基本運動形式有兩種:一是在靜態流體中因自重而下沉;另一種是在流體流動的情況下,克服鉆渣下沉阻力而上升。經過對煤礦現場底板錨固孔鉆進過程中遇到的問題進行長期觀測和細心體會發現,孔壁與鉆桿之間的環形空間的鉆渣在底板錨固孔鉆進過程中將形成3個區域(圖1),3個區域相互作用的影響嚴重制約著鉆進的速度。

(1)鉆渣上返區(I區)。該區鉆渣密度較低、顆粒直徑小,在水流或風流的作用下,這一區域的鉆渣能順利地排除孔外。鉆深較淺時,孔內鉆渣量較少,水流或風流的流速較高,沖洗液較容易把鉆渣推出孔外;隨著鉆進深度的增加,沖洗液推動鉆渣上浮需要的能量逐漸增大,鉆渣上返的速度將逐漸變緩。底板巖層松軟破碎時,孔壁破碎的圍巖顆粒將滑落孔內,小的顆粒將隨鉆渣排出,而較大的顆粒將沉入孔底,使得鉆頭反復破碎鉆渣;底板巖層破碎程度比較大的情況下,高壓沖洗液作用下將出現嚴重塌孔現象。

(2)鉆渣聚集區(Ⅱ區)。該區是鉆渣較大顆粒無法上返而逐漸聚集的區域。隨著鉆進深度的不斷增加,鉆渣上返的高度逐漸增大,沖洗液克服鉆渣上返所做的功就越大。在進入環形空間內的沖洗液壓力一定的條件下,孔底鉆頭破碎產生大顆粒鉆渣將懸浮在孔內且在I區下部逐漸聚集,而小顆粒鉆渣在懸浮的大顆粒鉆渣之間上返,使得小顆粒鉆渣到達I區內,但在一定程度上減小了沖洗液上返的速度,降低了上返區的排渣能力,該區域也起到一個過濾大顆粒的作用。

(3)鉆渣擠壓區(Ⅲ區)。該區是鉆渣聚集區的鉆渣不斷聚集,受鉆渣自身重力、孔壁及鉆渣顆粒間的阻力作用,特別是鉆桿旋轉過程擺動的影響,使得Ⅱ區下部的鉆渣被逐漸壓實,形成鉆渣擠壓區。隨著鉆進深度的增大,無論是大顆粒還是小顆粒鉆渣,在該區域都很難通過,同時流體也被阻斷,造成了鉆渣擠壓區的鉆渣將鉆桿緊緊抱死的現象。

在底板錨固孔鉆進過程中,這3個區域是動態的依次逐步形成的,并最終同時存在。鉆渣上返區沖洗液壓力大小和鉆渣顆粒的大小,直接影響了鉆渣聚集區的形成;鉆渣聚集區反過來制約著鉆渣上返區流體壓力的強度和通過該區域的鉆渣顆粒大小;鉆渣聚集區一旦形成,鉆渣將快速聚積,如果再繼續鉆進,將快速形成鉆渣擠壓區;當鉆渣擠壓區的強度達到一定程度時,鉆桿將被鉆渣擠壓區的鉆渣抱死。在鉆進過程中,不斷提鉆或增大沖洗液壓力,一定程度上破壞了鉆渣擠壓區和鉆渣聚集區,短時間內緩和了鉆渣擠壓區的形成,使得鉆進可以得到持續;但不斷提鉆,擠壓區的鉆渣將掉入孔底,造成鉆頭對鉆渣反復破碎,一定程度上有利于反復破碎鉆渣的排出,但大大降低了鉆進的速度;而增到沖洗液壓力則在一定程度上需要增大沖洗液供壓設備的功率,不僅使孔壁破壞嚴重,而且造成巷道作業環境進一步惡化。

2 鉆孔內“鉆渣三區”形成的力學分析

2.1 流體鉆孔內循環沿程水力損失

在巷道底板錨固孔鉆進過程中,高壓沖洗液通過水龍頭進入鉆桿中心通道內,由鉆頭出水孔射流進入孔底,在這一過程中,高壓沖洗液水力損失包括鉆桿中心通道內壁產生的沿程損失、鉆桿接頭處的局部損失、鉆頭出水孔處的損失和鉆桿與孔壁之間的環空水力損失。

沖洗液循環排渣過程中產生的水力損失ΔP1包括鉆桿沿程損失∑ΔPn、接頭局部損失∑ΔPj、鉆頭損失ΔPz和鉆桿與孔壁環空損失ΔPh,則

其中,鉆桿桿體中心通道沖洗液水力沿程損失為

鉆桿接頭處中心通道沖洗液局部損失為

沖洗液在鉆頭出水孔處水力損失為

鉆桿與孔壁環形通道的沖洗液水力沿程損失為

則沖洗液總的水力損失ΔP1為

式中,γ為流體容重,N/m3;hf為鉆桿桿體中心通道的治程水頭號損失;l為每根鉆桿的長度,m;v2/(2g)為速度水頭,m;v為鉆桿內流體平均速度,m/s;lD為鉆桿接頭長度,m;d為鉆桿內部通道直徑,m;D為鉆桿接頭內部通道直徑,m;n為鉆頭出水孔個數;va為孔壁與鉆桿環空流體平均速度m/s;d1為鉆孔直徑,mm;d2為鉆桿外徑,mm;ξ1為突然擴大的局部阻力系數,ξ1=(D2/d2－1)2;ξ2為突然縮小的局部阻力系數,ξ2=(1－d2/D2);ξ3為鉆頭出水孔的局部阻力系數,ξ3=0.6;λ1,λ2為沿程阻力系數,按臨界雷諾數Re進行確定,即

其中,υ為沖洗液的運動黏度,m2/s。若Re＜2 320為層流區,由尼古拉試驗得沿程阻力系數為

若Re＞2 320為紊流區,由阿里特蘇里公式得沿程阻力系數為

其中,ε為管壁的當量糙度(對于鉆桿鋼管取0.19 mm,與鉆孔孔壁當量糙度取0.75 mm)。

2.2 鉆渣排出孔力學分析

(1)沖洗液在孔內環空上返速度為

(2)鉆渣在孔內上返速度。為方便計算,假設鉆渣顆粒是球形的,球的半徑為r0,由于鉆渣的密度一般大于沖洗液的密度,在自身重力的作用下鉆渣將產生相對鉆孔壁的滑落。設鉆渣的滑落速度為vs,則鉆渣被沖洗液的絕對上升速度即為鉆渣的上返速度vt,即

由圖3所建立的鉆渣顆粒力學平衡方程為

圖3 鉆渣顆粒在沖洗液中受力Fig.3 Boring mud grain stress in flush fluid

將式(13)代入式(7),(11)得錨固孔環空內鉆渣上返的速度為

代入式(12)得鉆渣的滑落速度為式中,ρf為沖洗液密度;ρ0為鉆渣密度;P0為輸入沖洗液壓強;Cd為繞流阻力系數,在煤礦巷道底板鉆孔鉆進過程中,沖洗液往往是高壓水或高壓風,因此,在沖洗鉆孔時,沖洗液在鉆孔環空流出中的流動時鉆渣的阻力系數Cd符合牛頓流體定律,當Re≤1時,Cd= 40/Re,為層流區;當1＜Re≤10時,Cd=40/Re0.76,為過渡區;當10＜Re≤100時,Cd=22/Re0.5,為過渡區;當100＜Re≤2 000時,Cd=4/Re0.14,為過渡區;當Re＞2 000時,Cd=1.5,為紊流區。

3 底板錨固孔成孔工程試驗

設煤礦常用地質圓形鉆桿鉆打底板錨索鉆孔,鉆桿外徑d1為42 mm,內徑d為28 mm,鉆桿接頭外徑D1為42 mm,內徑D為16 mm,接頭長度lD為0.1 m,鉆孔直徑d2為56 mm,高壓水壓力為0.5 MPa,水的運動黏度υ為1.142×10－6m2/s,鉆渣密度2.5 g/cm3,水的密度1.0 g/cm3。

3.1 底板鉆孔深度與沖洗液沿程水力損失的關系

設水的流速為3.5 m/s,將上述數據代入式(6)和式(10)得

其中,ls為鉆孔深度。設底板鉆孔深度為8 m,則

從式(16)可得,底板錨固孔沖洗鉆孔的沖洗液從鉆桿進入孔底,沖洗鉆渣、冷卻鉆頭,最后排出孔外的整個過程中,沖洗液的沿程水力損失與鉆孔深度呈正比關系。由于煤礦巷道底板錨固孔鉆孔深度相對較淺,因此,整個鉆進排渣系統中,沖洗液沿程水力損失對鉆孔環空內鉆渣上返的速度vt影響極小,約占輸入沖洗液壓力的4.2%,在以后計算過程可以忽略不計。

3.2 “鉆渣三區”的確定

將上述參數代入式(14)得鉆渣上返速度vt與鉆渣顆粒r0、沖洗液流速va及壓力P1之間的關系為

將上述參數代入雷諾數式(7)得錨固孔環空流速為

(1)鉆渣聚集區。

當鉆孔環空沖洗液處于層流區及過渡區時,即Re≤1,1＜Re≤10,10＜Re≤100,100＜Re≤2 000時,分別代入式(17)和式(18)得如圖4所示的鉆渣上返速度與鉆渣顆粒半徑的關系曲線,圖4中曲線1代表Re≤1的層流區;曲線2,3,4代表過渡區時的情況。圖中鉆渣顆粒上返速度隨鉆渣顆粒半徑的增大而降低,但無論鉆孔沖洗液半徑處于層理區還是過渡區,鉆渣上返速度都小于0,表明了鉆渣在沖洗液處于這兩區域之間時無法排出孔外,當鉆孔繼續鉆進時,越來越多的鉆渣在錨固孔內聚集,形成鉆渣的聚集區。

圖4 鉆渣顆粒半徑與其上返速度的關系Fig.4 Relationship of boring mud granular radius and arising velocity

當Re≥2 000時,Cd=1.5為紊流區,從式(17)可以看出沖洗液處于此區時鉆渣上返的速度僅與鉆渣顆粒半徑及沖洗液上返的速度有關。當2 000≤Re≤17 530,鉆渣雖然處于沖洗液的紊流區,但鉆渣的上返速度小于下滑速度,圖4中的曲線5和6是Re為2 000和3 000時的情況,鉆渣顆粒在該區域鉆渣顆粒仍無法上返孔外,將形成鉆渣的聚集區。

(2)鉆渣上浮區。

隨著雷諾數的增大,沖洗液將處于強烈紊流區,當Re＞17 530時,即va＞1.81 m/s,鉆渣顆粒上返的速度出現大于0的現象,鉆渣顆粒將在沖洗液上返時攜帶鉆渣排出鉆孔外,圖4中的曲線7,8,9,10分別是Re為2×104,3×104,5×104,8×104時的情況,并隨著Re的增大而增大。該區域的鉆渣在無其他因素影響的條件下,即可順利排出孔外,完成鉆孔排渣的任務,此區域上返的鉆渣稱為鉆渣的上浮區。

(3)鉆渣擠壓區。

當鉆渣聚集區的鉆渣積累到一定程度,鉆渣之間及鉆渣與鉆桿支架相互擠壓、密實,沖洗液在該區域的流通通道被阻塞,上方區域沖洗液的Re逐漸減小;當Re≤17 530時,即va≤1.81 m/s,沖洗液雷諾數處于層流區、過渡區及弱紊流區時,不僅聚集區上方的鉆渣回落孔外,而且聚集區下方新的鉆渣通道被阻塞,極易形成鉆渣積壓區。

3.3 提高錨固孔鉆速的對策

通過對“鉆渣三區”形成的機理及在井下工程鉆進中計算可以看出,在其他條件一定的情況下,底板錨固孔排渣主要受鉆渣的顆粒大小,鉆孔內環空沖洗液的上返速度的影響極大。因此,在底板錨固孔鉆進過程中,鉆孔機具的選擇、沖洗液流量的要求以及鉆機轉速、鉆壓的控制必須協調一致,減少鉆渣聚集區的形成。

在錨固孔深度8 m時,要求沖洗液流速大于1.81 m/s;鉆機提供的鉆壓與轉速相互協調,鉆進過程中嚴禁突然提高鉆壓或鉆速,需要熟練的工人專門操作,避免形成鉆進擠壓區產生不必要的麻煩。因此,在很大程度上避免鉆渣聚集區的形成,是加快鉆進速度的關鍵。

4 結 論

(1)根據巷道底板錨固孔鉆進過程中的顯現特征,提出底板錨固孔鉆進過程中存在“鉆渣三區”,得出“鉆渣三區”是動態的依次逐步形成的,并最終同時存在。

(2)利用流體力學的基本原理,推導了沖洗液在循環過程中沿程水力損失計算公式,以及鉆渣在固液耦合作用下鉆渣在沖洗液中上返的力學公式。

(3)根據底板錨固孔鉆進的工程實際,分析了沖洗液在排渣過程中沿程水力損失,結果表明沖洗液在沖洗鉆孔及排渣過程中的沿程水力損失對鉆渣上返的速度vt影響極小;通過計算確定了“鉆渣三區”,在va＞1.81 m/s時,鉆渣顆粒鉆渣顆粒才能排出孔外,并隨著鉆渣顆粒的增大,鉆渣排出量減小;當va≤1.81 m/s時,無論鉆孔環空沖洗液上返速度處于層流區還是紊流區,鉆渣顆粒都無法排出孔外,將形成鉆渣的聚集區。

(4)底板錨固孔排渣的因素主要為鉆渣的顆粒大小,鉆孔內環空沖洗液的上返速度有關。鉆進過程中,鉆孔機具的選擇、沖洗液流量的要求以及鉆機轉速、鉆壓的控制必須協調一致,減少鉆渣聚集區的形成。在很大程度上避免鉆渣聚集區的形成,是加快鉆進速度的關鍵。

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Deslagging mechanics and application of roadway floor anchor hole in coal mine

ZHANG Hui1,2,KANG Hong-pu1,XU You-lin1
(1.Coal Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In view of slag-off difficult problem involve with roadway floor anchor hole drilling in coal mine,slag-off process was analyzed in the process of anchor hole drilling,boring mud three-field existence make slag-off difficult in floor anchor hole drilling was put forward,and boring mud three-field is dynamic in turn gradually formative,and simultaneous existing in finally.Utilizing basic principle of hydromechanics,frictional hydraulic loss in course of flush fluid circulate and mechanical formula of boring mud rising in flush fluid in the solid-liquid coupling effect were derived.According to the field basic condition,frictional hydraulic loss of the flush fluid minimal effecting to speed vtof boring mud rising in course of flush drilling and boring mud was obtained,and condition of boring mud three-field formation was determined.The results show that selection of drilling hole tool,requirement of flush fluid flow,rotational speed of boring machine,and control of pressure must be coordinated,and formation of boring mud gather area is controlled.In large part,avoiding formation of boring mud gather area is the key to speed up drilling velocity.

floor anchor hole;drilling slag-off;hydraulic loss;boring mud three-field

TD353

A

0253－9993(2014)03－0430－06

張 輝,康紅普,徐佑林.煤礦巷道底板錨固孔排渣機理及應用[J].煤炭學報,2014,39(3):430－435.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0075

Zhang Hui,Kang Hongpu,Xu Youlin.Deslagging mechanics and application of roadway floor anchor hole in coal mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):430－435.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0075

2013－01－15 責任編輯:韓晉平

國家自然科學基金委與神華集團有限公司聯合基金資助項目(U1261211);國家科技支撐計劃資助項目(2008BAB36B07)

張 輝(1983—),男,河南民權人,博士研究生。E－mail:caikuangzhang@163.com