煤礦井下反循環(huán)取樣鉆桿中心管設(shè)計方法

張 睿

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037）

煤礦井下反循環(huán)取樣裝置是一種用于煤礦井下煤層定點取樣的裝置，該裝置由雙壁鉆桿、內(nèi)嵌環(huán)形噴射器的取樣鉆頭及雙通道尾辮組成[1-2]。取樣時，鉆頭切削的孔底煤樣通過壓縮空氣由雙壁鉆桿中心管通道快速輸送至鉆孔外部，所取煤樣避免了孔壁殘粉污染，從而達(dá)到煤層定點取樣的目的[3-5]。目前反循環(huán)取樣已開始逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巖心管取樣，并已在我國山西、安徽、新疆、貴州等產(chǎn)煤區(qū)域得到推廣應(yīng)用，定點采集的煤樣用于直接測定煤層瓦斯含量可提高精度20%～30%。該種取樣方式的本質(zhì)是一種氣力輸送，雙壁鉆桿作為輸送通道，其中心管橫截面尺寸是確保形成穩(wěn)定煤樣氣力輸送的關(guān)鍵因素[6]。通過氣力輸送工程計算是指導(dǎo)中心管截面尺寸設(shè)計的有效方法。

1 煤礦井下反循環(huán)取樣系統(tǒng)的氣力輸送類型

氣力輸送系統(tǒng)的類型根據(jù)提供動力的裝置及安裝位置，分為吸氣式輸送、壓送式氣力輸送和混合式氣力輸送[7-8]。

吸氣式輸送系統(tǒng)采用羅茨風(fēng)機或真空泵作為氣源設(shè)備，氣源設(shè)備安裝在系統(tǒng)末端，工作時使整個系統(tǒng)內(nèi)形成負(fù)壓，由于管道內(nèi)外存在壓差作用，空氣被吸入輸料管內(nèi)，同時攜帶物料進(jìn)入整個輸送系統(tǒng)。

壓送式輸送系統(tǒng)是將氣源設(shè)置在系統(tǒng)的前端，通過密封的供料裝置，將物料強行壓入唯一的氣體出口從而進(jìn)行輸送，壓送式輸送又分為低壓壓送、高壓壓送、流態(tài)化壓送及脈沖栓流式壓送。混合式輸送是將吸氣式輸送和壓送式輸送相結(jié)合的方式。

煤礦井下反循環(huán)定點取樣裝置的動力來自于礦井壓縮空氣，通過高壓膠管連接到鉆桿尾部的雙通道尾辮上，并通過雙壁鉆桿的環(huán)形空間輸送到鉆孔最前端的鉆頭位置。鉆頭結(jié)構(gòu)中，外壁設(shè)置有外噴孔，可引導(dǎo)通過的風(fēng)流對鉆孔底部形成正壓噴射作用，使孔底形成正壓環(huán)境；內(nèi)部嵌置有環(huán)形引射器，可在鉆頭前方開口正對鉆孔底部的位置形成負(fù)壓抽吸效應(yīng)，將外部正壓空氣引導(dǎo)入鉆桿中心管[9-10]，在此過程中，孔底鉆屑被攜帶入中心管中進(jìn)行氣力輸送。井下反循環(huán)取樣裝置的氣力輸送過程原理圖如圖1。從表面特征看，井下反循環(huán)取樣裝置鉆頭外噴孔對孔底產(chǎn)生的正壓屬于壓氣式輸送的形式，而鉆頭內(nèi)嵌噴射器產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸屬于吸氣式輸送的形式，組合形成的氣力輸送系統(tǒng)應(yīng)屬于壓氣式和吸氣式相結(jié)合的混合式氣力輸送系統(tǒng)，而實際上實現(xiàn)壓送效應(yīng)的鉆頭外噴口結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)抽吸效應(yīng)的內(nèi)嵌環(huán)形噴射器結(jié)構(gòu)距離較近，且相對于孔底鉆頭外部的正壓來說，鉆頭內(nèi)部的抽吸負(fù)壓非常小，以至于僅僅起到了降低壓力勢能的作用，而并未真正低于大氣壓，因此，井下反循環(huán)取樣裝置中心管內(nèi)形成的氣力輸送應(yīng)屬于壓送式輸送。

圖1 井下反循環(huán)取樣裝置的氣力輸送過程原理圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic conveying process for reverse circulation sampling device in underground coal mine

2 基于氣力輸送工程的取樣鉆桿中心管內(nèi)徑計算

2.1 壓送式氣力輸送的類型

壓送式氣力輸送利用壓縮空氣吹送物料，輸送管路內(nèi)部壓力高于大氣壓力，根據(jù)管道內(nèi)壓力高于大氣壓力的程度又分高壓壓送和低壓壓送2 種。

低壓氣力輸送通常以高壓風(fēng)機為動力源，系統(tǒng)壓力不超過0.05 MPa；高壓氣力輸送工作壓力一般為 0.098～0.685 MPa，適用于高混合比（混合比 m=30～200）、長距離（距離 L=100～500 m，最長達(dá) 1 000～2 000 m）的氣力輸送。

2.2 壓送式氣力輸送管路設(shè)計所需參數(shù)

1）輸送氣流速度va。顆粒物在管道中可以被輸送的條件是顆粒受氣流作用且氣流速度大于顆粒的沉降速度。當(dāng)輸送管道內(nèi)徑固定時，氣源功率決定著氣流速度，即氣源功率較小時，輸送氣流速度相對較低，但速度小到一定程度可能產(chǎn)生堵塞；而氣源功率過大時，則加劇了管道的磨損和輸送顆粒的碰撞破損，對于煤層取樣來說，避免孔底煤屑顆粒在高速氣流中碰撞后發(fā)生二次破碎可有效保證瓦斯含量測定結(jié)果更加準(zhǔn)確，因此確定合理的最小輸送速度既可以實現(xiàn)顆粒物的順利輸送不發(fā)生堵塞，又可以避免顆粒的碰撞破碎。顆粒氣力輸送的最小速度是隨顆粒的物性、混合比、輸送管道的管徑、長度而變化的。一般確定輸送氣流速度的方法是首先根據(jù)設(shè)計計算或者實測顆粒的沉降速度，再根據(jù)輸送管道的長短及混合比，選取經(jīng)驗系數(shù)來確定合適的輸送氣流速度。通過查詢國內(nèi)外相關(guān)的氣力輸送實驗可知[8]，直管輸送管路輸送氣流va與煤顆粒及相似物的沉降速度 v0關(guān)系為: ①松散顆粒在鉛垂管中:va≥（1.3～1.7）v0；②松散顆粒在傾斜管中: va≥（1.5～1.9）v0；③松散顆粒在水平管中:va≥（1.8～2.0）v0，當(dāng)采用高混合比m 進(jìn)行輸送時，選擇最大值。煤顆粒及相似物的沉降速度v0和輸送氣流速度va見表1。

表1 煤顆粒及相似物的沉降速度與常用的輸送氣流速度Table 1 The settling velocity and commonly used conveying airflow velocity of coal particles and their analogues

2）輸送空氣量Qa。輸送所需的空氣量為：

式中：Wa為輸送所需空氣質(zhì)量，Wa=Ws/m；Ws為單位時間輸送物料的質(zhì)量；m 為固氣混合比；ρa為空氣密度。

3）混合比m。混合比m 的大小受物料的物理性質(zhì)、輸送方式及輸送條件影響，與輸料管管徑及長度、空氣量等有關(guān)，根據(jù)氣力輸送工程經(jīng)驗，一般參考數(shù)值為：①低壓壓送式：1～10；②高壓壓送式：10～40；③流態(tài)化壓送：40～80。

2.3 雙壁鉆桿中心管內(nèi)徑的計算

由式（1）和式（2）可得中心管內(nèi)徑 D 為：

1）單位時間鉆屑輸送量估算。根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場實測和統(tǒng)計，選用φ73 mm 寬葉片螺旋鉆桿搭配φ95 mm 直徑鉆頭，鉆桿的鉆進(jìn)速度約為1 m/min，取煤的平均密度為1 300 kg/m3，則95 mm 孔徑的鉆孔每分鐘產(chǎn)渣量約為9.21 kg。假設(shè)鉆頭切削的鉆屑完全通過鉆桿中心管輸送，那么輸送煤樣的質(zhì)量Ws=9.21 kg/min。

2）低壓輸送方式時D 取值。選擇低壓輸送，混合比m=1～10。選擇煤塊為輸送對象，由表1 可知，褐煤塊的沉降速度為10.6～11 m/s，常用輸送氣流速度18～40 m/s。根據(jù)上述參數(shù)最大值和最小值，利用式（3）分別計算中心管內(nèi)管管徑，可得：①m=1，低壓輸送速度為18、40 m/s 時，對應(yīng)的中心管內(nèi)徑為91.8、61.6 mm；②m=10, 低壓輸送速度為 18、40 m/s時,對應(yīng)的中心管內(nèi)徑為 29.0、19.5 mm。

3）高壓輸送方式時D 取值。選擇高壓輸送，混合比m=10～40。將褐煤塊的沉降速度和常用輸送氣流速代入式（3）分別計算中心管內(nèi)管管徑，可得：①m=10，高壓輸送速度為18、40 m/s 時，對應(yīng)的中心管內(nèi)徑為 29.0、19.5 mm；②m=40, 高壓輸送速度為18、40 m/s 時，對應(yīng)的中心管內(nèi)徑為 14.5、9.7 mm。

4）流態(tài)化輸送方式時D 取值。選擇流態(tài)化輸送，混合比m=40～80。將褐煤塊的沉降速度和常用輸送氣流速代入式（3）分別計算中心管內(nèi)管管徑，可得：①m=40, 流態(tài)化輸送速度為18、40 m/s 時,對應(yīng)的中心管內(nèi)徑為 29.0、19.5 mm；②m=80, 流態(tài)化輸送速度為18、40 m/s 時，對應(yīng)的中心管內(nèi)徑為10.3、6.9 mm。

以φ73 mm 寬葉片螺旋鉆桿為例，鉆桿外管基材為符合國標(biāo)的φ63.5 mm R780 無縫鋼管，壁厚7.5 mm，管內(nèi)徑為 48.5 mm，因此，無論選用上述哪種輸送方式，中心管的外徑均要小于48.5 mm。根據(jù)前面所計算出的中心管內(nèi)徑，當(dāng)混合比為1 且低壓輸送時，計算結(jié)果均超出48.5 mm，因此該輸送組合予以剔除。同時，由計算沿程阻力的達(dá)西公式可知，管徑D 越小，混合比m 越大，輸送過程中摩擦壓損越大，輸送過程能量損失就越大，為了實現(xiàn)輸送，勢必要提高氣源的功率，而煤礦井下壓風(fēng)在不設(shè)置獨立式井下移動空壓機的情況下，壓風(fēng)能量有限，因此井下反循環(huán)取樣亦不宜采用高混合比的輸送方式。對于流態(tài)化輸送方式，因其需要將輸送物料與空氣形成流化床，而煤礦反循環(huán)取樣鉆具內(nèi)空間狹小，無法形成流化床空間，同時，鉆頭剝落鉆屑的方式，注定無法使壓縮空氣與鉆屑預(yù)先混合，也很難達(dá)到10以上的混合比，因此流態(tài)化輸送方式同樣不適用井下反循環(huán)取樣。通過以上篩選對比，結(jié)合煤礦井下常用風(fēng)壓的全壓范圍為 0.6～0.8 MPa 的現(xiàn)狀，煤礦井下反循環(huán)取樣的最適宜的輸送方式應(yīng)為混合比m=10 的低壓或高壓輸送。在滿足常用輸送氣流速度18～40 m/s、同時降低中心管輸送阻力的前提下，中心管的內(nèi)徑范圍理論計算值為19.5～29.0 mm。另考慮到系統(tǒng)一定的漏氣量，以及計算和實際情況的誤差，要求空氣量Qa留有一定的富余量，一般實際選用空氣量為理論空氣量的 1.1～1.2 倍，取富余系數(shù)為1.2，則鉆桿中心管內(nèi)徑范圍可修正為21～32 mm。在保證強度和鑲嵌密封圈的條件下，選擇標(biāo)準(zhǔn)3 mm 壁厚的無縫鋼管作為中心管的基體。對于外徑73 mm、內(nèi)徑48.5 mm 的普通螺旋鉆桿，中心管內(nèi)徑為21 mm 和32 mm 時雙壁鉆桿橫截面如圖2。

圖2 中心管內(nèi)徑為21 mm 和32 mm 時雙壁鉆桿橫截面Fig.2 Double wall drill pipe cross sections with inner diameters of 21 mm and 32 mm

3 不同中心管尺寸的雙壁鉆桿取樣性能試驗

為了研究通過理論計算設(shè)計的不同中心管尺寸的雙壁鉆桿取樣性能，在實驗室建立了40 m 輸送距離的井下反循環(huán)取樣仿真系統(tǒng)，試驗對象分別是中心管內(nèi)徑為21 mm 和32 mm 的雙壁鉆桿，以大豆作為仿真鉆屑，實驗室提供壓縮空氣的壓力為0.6 MPa。在取樣仿真系統(tǒng)漏斗內(nèi)同樣給料9 kg 大豆的條件下，以中心管出口端5 min 的取樣質(zhì)量作為2種中心管尺寸雙壁鉆桿取樣性能好壞的評判依據(jù)。不同中心管尺寸的雙壁鉆桿取樣性能見表2。

表2 不同中心管尺寸的雙壁鉆桿取樣性能Table 2 Sample performance experiment of double wall drill pipe with different center tube sizes

由表2 可知，2 種尺寸的中心管均能實現(xiàn)取樣輸送，但在相同給料質(zhì)量和取樣時間內(nèi)，中心管內(nèi)徑為32 mm 時，取樣質(zhì)量更大。分析可能的原因是，中心管內(nèi)徑尺寸越大，輸送過程的沿程阻力越小，仿真鉆屑更容易進(jìn)入其中；而中心管尺寸較小情況下，仿真鉆屑更易進(jìn)入阻力更小的雙壁鉆桿外壁和仿真鉆孔壁之間的環(huán)形間隙。

4 結(jié) 語

1）煤礦井下反循環(huán)定點取樣裝置通過雙壁鉆桿的中心管和礦井壓縮空氣將鉆孔底部的鉆屑輸送至孔口，從而實現(xiàn)定點取樣，其本質(zhì)是一種壓送式氣力輸送系統(tǒng)，通過氣力輸送工程計算可指導(dǎo)雙壁鉆桿中心管截面尺寸的設(shè)計。

2）根據(jù)氣力輸送理論，結(jié)合煤礦井下壓風(fēng)實際工況，得出中心管截面尺寸設(shè)計所需的關(guān)鍵參數(shù)為輸送氣流速度和輸送空氣量。以φ73 mm 寬葉片螺旋鉆桿搭配φ95 mm 直徑鉆頭為例，經(jīng)氣力輸送計算得出鉆桿中心管內(nèi)徑的設(shè)計范圍為21～32 mm。

3）通過實驗室建立的井下反循環(huán)取樣仿真系統(tǒng)，分別模擬了中心管內(nèi)徑為21 mm 和32 mm 的φ73 mm 寬葉片雙壁螺旋鉆桿的取樣情況，試驗表明：內(nèi)徑為32 mm 的中心管在相同給料質(zhì)量和取樣時間內(nèi)，比內(nèi)徑為27 mm 的中心管能夠輸送更多的取樣物料。原因在于，中心管尺寸越大，輸送沿程阻力越小，孔底鉆屑更易進(jìn)入中心管進(jìn)行輸送。