肋骨鉆桿風力排渣與阻塞機理研究

馬國芳，李東民 ,2，萬祖保，李 佳

（1.山東科技大學 機電工程系，山東 泰安 271000；2.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江 杭州 310000；3.陜西中太能源投資有限公司 朱家峁煤礦，陜西 榆林 719000）

在松軟突出煤礦開采的過程中，瓦斯突出是影響開采的災害之一，通過施工鉆孔可以將煤層中的瓦斯提前抽采出來，保證煤礦的安全生產。肋骨鉆桿配合風力排渣是一種十分適合在松軟突出煤層中鉆孔的方法，但是這一方法仍然存在著排渣能力不足的問題[1]。在鉆進過程中，煤渣會逐漸在其排渣通道內積累并將排渣通道阻塞，最終導致卡鉆現象，所以排渣技術是長鉆孔成孔的關鍵[2]。為了提高長鉆孔的成孔率，避免卡鉆的發生，針對肋骨鉆桿水平鉆進過程中的風力排渣機理進行分析，找出肋骨鉆桿排渣過程中存在的問題并提出合理的解決方案。

1 肋骨鉆桿風力排渣力學機理分析

肋骨鉆桿的為中部空心，適合高壓流體通過，在鉆桿的外表面有一圈扁平的葉片，這樣的結構使肋骨鉆桿相比外平鉆桿的純流體排渣多了一種機械排渣方式[3]。在肋骨鉆桿鉆進過程中，流體排渣與機械排渣相互配合：當排渣通道未發生煤渣阻塞時，排渣的方式主要為流體帶動煤渣排出孔外；當排渣通道發生阻塞時，流體排渣方式暫時失效，肋骨鉆桿可以利用螺旋葉片對煤渣進行推移的方式對阻塞段進行疏通[4]。所以風力排渣是肋骨鉆桿的最主要的排渣方式[5]。

1.1 煤渣運動模型建立

肋骨鉆桿在水平鉆孔的過程如圖1，煤渣顆粒將在鉆桿葉片與外部高壓流體的協同作用下從鉆桿與孔壁之間形成的空隙排出。在煤渣的氣力排渣過程中，雖然煤渣本身為單個顆粒，但是煤渣顆粒總是以群的形式存在，因此真正有實際意義的物料臨界速度值是顆粒群的臨界速度[6]。對L 段煤渣顆粒群進行受力分析，建立排渣過程中煤渣顆粒群的力學模型。

圖1 煤渣顆粒受力示意圖Fig.1 Force of slag particle

在實際排渣過程中的高壓流體有一定的黏性，將煤渣看作球體，當流體與煤渣顆粒接觸時，會在煤渣的表面形成1 層附面層，煤渣受到的壓力則與流體在附面層上的速度梯度分布以及脫離狀態相關，附面層的形成與煤渣顆粒的尺寸、流體的速度、密度以及黏性相關。除此之外，煤渣顆粒還受到高壓空氣的切向摩擦應力，以上2 部分應力積分的總和就是流體對煤渣顆粒的作用力F[7]，在實際應用中，F 常表示為式（1）的形式：

式中：C 為阻力系數；A 為煤渣顆粒群最大迎流面積，m2；ρα為高壓氣體的密度，kg/m3；vre為煤渣顆粒群與流體的相對速度，m/s。

由于煤渣顆粒群在輸送過程中處于懸浮狀態，采用懸浮沉降狀態下的阻力系數Cn進行代替，處于同一阻力區的阻力系數的換算關系如式（2）：

式中：vn為煤渣顆粒的懸浮速度；K 為阻力與雷諾數關系式中的待定系數。

將式（2）代入式（1）可得：

式中：qf為單位時間煤渣顆粒群輸送質量，kg/s;vf為煤渣顆粒群輸送速度，m/s;Ll為段的長度，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

煤渣顆粒群在運動過程中除了受氣動推力，還會受到孔壁的阻力，阻力Tf的計算公式如式（4）：

式中：△p 為 L 段壓差；λ 為煤渣顆粒群的阻力系數；ρf為輸送過程中懸浮狀態下煤渣顆粒群密度，kg/m3；D 為孔腔直徑，m；vs為煤渣顆粒群的輸送速度，m/s。

當煤渣處于懸浮狀態并勻速輸送時，根據牛頓第二定律可得：

式中：M 為 L 段煤渣顆粒群質量，kg；FW為 L 段煤渣顆粒群質量力，N。

將式（3）和式（4）代入式（5），且由于是水平方向鉆孔，質量在水平方向作用力為0，得煤渣顆粒群運動方程為：

式中：V 為氣流速度，m/s。

根據井下現場測得的數據，φ73 mm 肋骨鉆桿配合φ90 mm 的鉆頭形成的孔徑的平均直徑為93.5 mm，鉆桿的葉片高度為5 mm，葉片寬度為18 mm，螺距為96 mm。根據以上參數求得排渣通道實際過流面積為5.957×10-3m2，實際過流濕周周長為0.558 m，特征長度為0.042 7 m。當使用風力作為排渣介質時，排渣通道正常風速一般在10 m/s 以上，求得雷諾數Re≥500，處于牛頓慣性阻力區，確定煤渣顆粒群運動方程如式（7）：

1.2 流體排渣時煤渣運動輸送量分析

當煤渣顆粒群在流體作用力F 與孔壁阻力Tf同時作用下達到勻速運動時，為求煤渣顆粒群的速度大小，令dvs/dt=0，得：

根據氣體輸送理論，考慮到孔腔空間限制，煤渣顆粒形狀為不規則，對所得的煤渣顆粒懸浮速度vn采用有效界面系數和形狀系數Ks進行修正，修正的為如式（9）：

式中：df為煤渣顆粒直徑，m；d 為鉆桿直桿。

煤渣顆粒群密度ρf是一個與氣固比m 有關的量，ρf=m（ραV）/vs，查閱資料得氣固比與最小風速之間的回歸方程[8]如式（10）：

式中：v0為最小風速。

根據排渣通道正常風速最低值約為10 m/s，取v0=10，m=2.5，可得 ρf=10（ραV）/vs，將與 ρf代入式（7），并取煤渣顆粒直徑為 1 mm，阻力系數 λ=0.3，形狀系數Ks=1.17，可得煤渣顆粒運動速度vs方程如式（11）：

由式（11），可以代入實際孔腔直徑D，鉆桿直徑d 及不同氣流速度V 來求得煤渣顆粒運動速度vs。另外根據氣固比 m=（ρfvs）/(ραV)，可以得出正常排渣時單位時間風力排渣質量Q 的計算公式如式（12）：

2 煤渣阻塞機理分析與鉆進工藝改進

在松軟煤層中進行鉆孔施工過程中，引起卡鉆的原因中最重要的一點就是煤渣在孔內積聚并將排渣通道阻塞致使鉆桿無法正常活動[9]，在鉆進的過程中，理想狀態下單位時間產生的煤渣量計算公式如式（13）：

式中：QP為鉆進過程單位時間產生的煤渣量，m3/s；R 為孔腔半徑，m；vR為鉆桿的鉆進速度，m/s；ρ為煤的密度，kg/m3。

經過對肋骨鉆桿排渣機理的分析，在正常的鉆孔過程中產生的煤渣會通過流體排渣的方式排出孔外，保持排渣通道的通暢。但如果煤渣產生的速率大于煤渣排出的速率，此時煤渣就會在排渣通道內逐漸積累導致排渣通道阻塞并引起卡鉆[10]。所以單位時間產生的煤渣量應當小于或者等于肋骨鉆桿流體排渣單位時間所能排出的煤渣量，以常用的φ73 mm 肋骨鉆桿為例，根據工況選擇壓縮空氣的流量為 3 m3/min，計算可得流體速度 V 為 8.4 m/s，通過式（12）計算出其理想狀態下單位時間排出的煤渣量應為0.413 kg/s，所以，理論上肋骨鉆桿鉆進過程中單位時間產生的煤渣量應該控制在0.413 kg/s 以內。

3 實驗室驗證合理鉆進速度

3.1 試驗裝置

肋骨鉆桿排渣過程是風泵提供的壓力氣流由鉆桿中間的通風孔進入，達到孔底攜帶煤渣從鉆桿與孔壁形成的環狀排渣通道排出孔外，鉆桿的旋轉對煤渣起到一定的揚起作用。根據肋骨鉆桿的排渣過程，搭建試驗臺，具體的試驗設備及裝置如下：①實驗臺基礎設備：主要由鉆桿、鐵皮支架、煤渣投放裝置、煤渣收集裝置、亞克力管道組成；②供風系統：由風泵、pvc 管道及接頭、pvc 軟管、轉子流量計組成；③回轉系統：由交流電機、傳動裝置、電機調速器；④其他設備：電子秤、計時器。排渣試驗裝置如圖2。

圖2 排渣試驗裝置Fig.2 The test device for slag discharge

所有設備準備齊全后，首先測量好各裝置之間的位置，然后將鐵皮支架固定好，將亞克力管的兩端插入支架上預留好的空洞中，在亞克力管孔底的一端安裝煤渣投放裝置，另一端放入鉆桿，最后將煤渣收集裝置、傳動裝置、供風裝置安裝在亞克力管空口一端。

3.2 試驗方案與結果

通過煤渣投放裝置控制煤渣的投放速率，每組不同的煤渣投放量的實驗進行5 次時間長度為30 s的排渣模擬,試驗共分為6 組，每組的煤渣的投放速率分別為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45 kg/s。觀察每次試驗煤渣通道的阻塞情況并統計亞克力管中剩余的煤渣質量并對其求平均值，以此來測定最適合φ73 mm 肋骨鉆桿的單位時間煤渣產生量，試驗的結果如下：

1）煤渣投放速率為 0.2、0.25、0.3、0.35 kg/s 的 4組試驗均未出現煤渣阻塞情況，煤渣投放速率為0.4 kg/s 的 1 組試驗中出現了2 次煤渣阻塞，煤渣投放速率為0.45 kg/s 的1 組試驗中出現了5 次煤渣阻塞。

2）對每組試驗剩余煤渣質量進行統計，煤渣投放速率為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 kg/s 的試驗所對應的平均剩余煤渣質量分別為 0.444、0.504、0.064、0.792、0.917 kg，由于煤渣投放速率為 0.45 kg/s 的 1組試驗的試驗結果均為發生阻塞，所以沒有進行剩余煤渣質量的統計。

通過分析6 種煤渣投放速率的肋骨鉆桿排渣試驗數據的可以看出，隨著煤渣的投放速率的提升，由亞克力管模擬的排渣通道內剩余煤渣質量逐漸增多。當煤渣投放速率低于0.35 kg/s 時，肋骨鉆桿的排渣通道一般不會產生阻塞的情況；當煤渣投放速率超過0.40 kg/s 時，肋骨鉆桿的排渣通道存在出現阻塞的可能性；而當煤渣投放速率達到0.45 kg/s時，肋骨鉆桿的排渣通道一定會產生阻塞。所以，肋骨鉆桿鉆進過程中單位時間產生的煤渣量應該控制在0.35 kg/s 以內，低于前文理論計算所得到的理想狀態下單位時間排出的煤渣量0.413 kg/s。利用式（13）可得：當肋骨鉆桿的鉆進速率在0.036 m/s 以內時，可以在達到最高的鉆進效率的同時有效避免排渣通道阻塞。

4 結 語

通過分析肋骨鉆桿鉆進過程中煤渣在排渣通道內的受力和速度，建立煤渣顆粒在高速流體作用下的力學模型以及單位時間排渣速率的計算公式，提出了控制鉆進速度可以有效避免發生煤渣阻塞的觀點。通過試驗驗證，對于常用的φ73 mm 的肋骨鉆桿，將煤渣投放速率可有效地防止煤渣阻塞的發生，通過單位時間產生的煤渣量的計算公式反推可得：肋骨鉆桿的鉆進速率應當控制在0.036 m/s 以內。