順層瓦斯鉆孔風力排渣模擬研究

王 建

（晉城煤業集團寺河礦二號井，山西 晉城 048000）

國內外專家學者對于風力排渣做了大量的研究與探討[1-4]，但是對于在瓦斯抽放過程中鉆孔流場內的變化情況并沒有做出具體的說明。寺河礦二號井屬高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為93.72m3/min，相對瓦斯涌出量為22.52m3/t。本文利用FLUENT軟件模擬了寺河礦二號井瓦斯抽放在風力排渣過程中鉆孔流場的變化情況，從而可以找出在鉆孔時風力排渣遇到的阻力原因，并加以解決，提高瓦斯抽放效果。

1 風力排渣原理的介紹

風力排渣成孔的原理是通過對鉆孔內的氣體進行壓縮，使孔內的空氣快速流動并使懸浮在孔內的鉆屑被輸送到鉆孔口，最終完成風力排渣。在這一過程中還能夠使鉆頭達到冷卻的效果。在此過程中，壓風會削弱對鉆孔壁的沖擊，并且促使煤層中的瓦斯及時地進行排放。為了保證鉆孔內的鉆屑被快速、暢通無阻地排出去，在成孔的過程中需要達到一定的排渣能力。

2 風力排渣的相關參數

2.1 風速的確定

鉆孔內風流速度的大小與鉆屑顆粒的直徑有著很大的關系。為了保證鉆屑顆粒能被及時快速地排出孔外，孔內的風速必須大于顆粒的沉降速度，并且還要考慮其與鉆孔壁之間的摩擦阻力。通常情況下，鉆屑顆粒的直徑都比較大，在沉降的過程中流體對于顆粒的空氣流動的雷諾數要在500以上，此時顆粒的沉降速度一般滿足牛頓阻力定律。

式中：

ut-煤渣顆粒沉降速度，m/s；

ρa-空氣密度，kg/m3；

ρs-鉆屑密度，kg/m3；

ds-鉆屑粒徑，m；

g-重力加速度，m/s2。

為了克服煤渣顆粒和孔壁面的阻力以及位能的損失，使顆粒排出孔外的最小風速為：

式中：

ua-風流的最小速度，m/s；

ζs-磨擦系數，其值取1；

θ-鉆孔傾角，（°）。

ua通常指的是鉆屑顆粒在鉆孔壁流動過程中的風流速度，而在鉆孔成孔的過程中會有大量的鉆屑顆粒出現，它們之間會產生一定的摩擦從而使得鉆孔堵塞。因此，為了避免這一情況的發生，鉆孔內的風速要達到下面的條件：

式中：

ub-不發生鉆孔堵塞的最小風速，m/s；

Ws-總的產渣量，kg/s。

由上可知，為了使得煤渣被及時排出孔外所需的風速ua、ub應達到最大值。

2.2 供風壓力的確定

風力排渣首先要保證足夠大的風速，而為了達到如此大的風速需要提供足夠的供風壓力，進而克服此過程中的摩擦阻力，其阻力損失的計算公式如下所示：

式中：

△p-壓風過程中的阻力損失，Pa；

△pa-風流由孔底流向孔口的阻力損失，Pa；

△ps-煤渣在運動過程中的阻力損失，Pa；

△pt-壓風過程中的阻力損失，Pa；

△psac-鉆屑在增加運動中的阻力損失，Pa；

△pz-風流在孔內流動的阻力損失，Pa。

3 順層鉆孔風力排渣模擬研究

3.1 CFD模擬程序介紹

本文基于CFD程序對風力排渣進行模擬，主要是模擬流體的流動狀態，一是可壓縮穩態湍流的情況，二是兩相流的問題。本模擬還根據FLUENT以及GAMBIT軟件對整個鉆孔成孔過程中流場運動的情況進行了模擬說明，分析出流場中鉆屑顆粒的運動狀態和壓力損失情況。

3.2 模擬過程的建立

首先在GAMBIT軟件中確定顆粒的流動范圍、確定邊界種類并生成網格。把鉆孔壁看作是一個剛形體，基于實際礦井工作中鉆桿的尺寸大小及其鉆孔的深度分別為：鉆桿內徑是28mm，鉆桿外孔直徑是68mm，孔徑是89mm，其孔深是180000mm。確定出邊界條件分為壓力出、入口及鉆孔壁面等情況，生成的網絡為六面體。

其次把建立的網格導入FLUENT軟件當中，對一些特定的參數進行設置并選取相關的模型。邊界條件的相關參數主要包括：鉆孔壓力出、入口的值為0atm、7atm，水力直徑的大小值設定為21mm、28mm，湍流強度的大小值設定為4.8%、4.6%，而水力直徑以及湍流強度可以根據下面的公式進行求解：

式中：

d-水力直徑，m；

A-面積，m2

S-周界長度，m。

式中：

v-流體的速度m/s；

ρ-流體的密度，kg/m3；

μ- 流體的粘度，Pa·s。

式中：

I-湍流強度，%；

u′-湍流的脈動速度，m/s；

-湍流的平均速度，m/s；

ReH-雷諾數。

本模擬主要用到的模型是離散型和方程模型，前者主要是模擬煤屑運動的情況，后者模擬的是風流湍流運動的過程。因此，結合本模擬的特征采用相間耦合的方法來模擬煤屑在風流作用下的流動情況。

對離散相模型進行參數的設置：選用的寺河礦二號井煤粒徑大小為0.45mm，其密度值為1420kg/m3，而排渣的總量是0.02kg/s。參數被設置好后進而進行模擬分析，煤顆粒流動軌跡圖如圖1所示。

由圖2可知煤渣顆粒在鉆孔深度影響下的變化情況。在鉆孔中產生的煤渣在風流的影響下速度急劇上升到約22.5m/s，在鉆頭周圍大約20m左右速度的變化幅度約為0～20m/s，煤渣會隨風任意飄揚。此過程中的煤渣顆粒由于在自身重力的影響下，它們之間以及與孔壁之間相互摩擦使其速度值上下增減。接著在其后約為160m左右風流速度趨于平緩，將煤渣顆粒吹出鉆孔外。根據圖3可知此煤渣顆粒在整個過程所持續的時間大約為7s左右。

圖1 煤顆粒流動軌跡圖

圖2 煤顆粒速度隨著孔深變化的示意圖

圖3 煤顆粒速度隨著時間變化的示意圖

4 結論

（1）風流在流動的過程中具有可壓縮的性質，所以當其流過鉆桿孔內部時體積會呈現出膨脹的狀態。風流速度在鉆桿孔初期增加幅度較少，隨著鉆孔深度的增加，其速度會大幅度增長，當風流經過鉆頭處時會有大量的能量轉換，之后風速減緩并以較低的風速流出鉆孔口。在流向鉆孔外部時，風流的速度大致趨于線性的變化并慢慢減小。

（2）寺河礦二號井瓦斯抽放鉆孔施工時，鉆孔內煤渣顆粒的速度會因鉆孔深度的變化而變化。風流從鉆孔口流向鉆頭的過程中，孔內的壓力會呈現出下降的趨勢，其靜壓力也會相應地變小，當風流到達鉆孔口時，其值慢慢減為零。