煤礦井下碎軟煤層泡沫鉆進技術及應用

冀前輝，董萌萌，劉建林，石 磊

煤礦井下碎軟煤層泡沫鉆進技術及應用

冀前輝1,2，董萌萌2，劉建林2，石 磊2

(1. 煤炭科學研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對煤礦井下碎軟煤層瓦斯抽采中風壓空氣鉆進施工中排粉能力有限，易造成粉塵污染問題，提出采用煤礦井下泡沫灌注系統及寬翼螺旋鉆桿進行高效泡沫鉆進的技術方案。通過對鉆孔環空間隙流場的數值模擬，研究寬翼螺旋鉆桿結構對泡沫鉆進高效排粉的影響，確定頭數3、槽寬26 mm、螺距110 mm 為寬翼螺旋鉆桿的優化結構參數。在淮北某礦3204工作面碎軟煤層中進行了深度達195 m的本煤層鉆孔試驗，結果表明，相對于中風壓空氣鉆進工藝，鉆進回轉阻力降低了42%~48%，表現出高效的排粉效果，可提高煤礦井下碎軟煤層鉆孔深度和成孔率。該工藝可為類似煤礦井下深鉆孔施工提供借鑒。

泡沫鉆進；瓦斯抽采；高效排粉；螺旋鉆桿

施工鉆孔抽采瓦斯是防止瓦斯事故的有效手段，在本煤層中直接施工鉆孔具有有效進尺比例高、抽采效果好等特點，常被首選為瓦斯治理方法[1]。保證鉆孔軌跡在煤層中盡可能有效地延伸，進而提高瓦斯抽采率，對保證煤層瓦斯治理效果、保障煤礦開采安全，具有至關重要的意義[2-3]。我國煤礦煤層賦存的地質條件復雜，受成因、地質構造等因素影響，有相當數量的煤層堅固性系數≤0.5，煤質碎軟、易坍塌、構造復雜、瓦斯高富集，施工過程中經常出現噴孔、垮孔等異常現象，容易發生孔內事故，在這類碎軟煤層中施工鉆孔遇到巨大困難，其順層長鉆孔施工一直是國內外沒有很好解決的難題[4-6]。中風壓空氣鉆進技術提高了碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔成孔深度和成孔率，得到廣泛的推廣應用[7]，但是，該技術本身存在一定的局限性：空氣作為沖洗介質時，其鉆進排粉能力有限；高速流動的粉塵污染鉆場工作環境；在施工含水地層時，水與煤粉混合后產生煤泥狀鉆屑，黏在鉆桿周圍，易造成卡鉆、抱鉆。為了提高煤礦井下碎軟煤層鉆進的工藝適應性，采用泡沫替代空氣作為沖洗介質，通過數值模擬研究優化鉆具結構參數，從而提高攜、排粉能力，并在淮北某礦3204工作面進行了現場試驗，提高了鉆進深度和排粉效果。

1 碎軟煤層泡沫鉆進工藝與裝備

泡沫鉆進是多工藝空氣鉆進技術方法之一，泡沫是介于空氣和清水之間的鉆進沖洗介質，在潮濕、含水、漏水、水敏性強以及不穩定等地層中鉆進具有獨特優越性，與采用泥漿、純壓縮氣體作為沖洗介質鉆進相比，泡沫鉆進具有以下幾方面的特點[8-10]。

a. 攜粉能力強，孔內凈化效果好 泡沫流體的攜粉能力比空氣的攜粉能力大得多，孔內巖粉排出徹底，施工過程中能夠避免孔底巖屑的重復破碎，有利于延長鉆頭的使用壽命。

b.冷卻效果好 泡沫的熱容量比純氣體的大，冷卻散熱能力強，能夠降低熱量在鉆頭上的聚集，有效避免燒鉆。

c.孔內事故少 泡沫鉆進時泡沫流的上返速度低，只有純氣體鉆進時氣體上返速度的十幾分之一，因此，對孔壁的沖刷擾動作用小，利于防止孔壁出現力學性失穩。

充分考慮泡沫鉆進工藝本身及具體應用環境的特殊性，研究設計了煤礦井下用泡沫灌注系統，由防爆空壓機、泡沫液泵、泡沫發生器、氣體流量計、泡沫液體流量計及控制閥門、泡沫液罐、管件等組成，如圖1所示。防爆空壓機產生的壓縮空氣與泡沫液泵供應的泡沫劑溶液在泡沫發生器內混合后形成穩定泡沫，經高壓膠管、送水器進入鉆桿內孔，通過鉆頭水眼噴出后，將煤粉攜帶出鉆孔實現鉆進。進入泡沫發生器內的壓縮空氣體積流量由氣體流量控制單元來調節，借助氣體流量計顯示；分流的壓縮空氣供給消泡器使用[11]。進入泡沫發生器的泡沫劑溶液量由液體流量控制單元來調節，借助泡沫液體流量計顯示；分流的泡沫液返回泡沫液箱。泡沫液泵的出口處設計了旁通管路單元，用于加接鉆桿時臨時關停泡沫劑溶液的供給，避免頻繁開關泡沫液泵。

2 寬翼螺旋鉆桿參數數值模擬

碎軟煤層鉆進時，煤質松軟且瓦斯壓力大，鉆進過程中需要在短時間內排出大量的煤粉，高效排粉是實現碎軟煤層鉆孔成功的關鍵，鉆井液鉆井的研究成果和現場經驗都表明，增加循環介質的紊流度對于解決井眼清潔問題有積極作用[8,12]。

圖1 煤礦井下泡沫灌注系統

在鉆進回轉過程中，常規外平鉆桿旋轉增加循環化介質紊流度的作用有限，采用在鉆桿外壁加工有螺旋槽的整體式寬翼螺旋鉆桿(圖2)，能夠有效提高環空間隙的紊流度；同時，旋轉的螺旋槽能夠將孔底沉積的煤粉攪起，使煤粉始終處于懸浮態或底密流狀態，然后在泡沫作用下將煤粉排出孔外[13]；當遇到塌孔、埋鉆致使排粉通道堵塞時，鉆桿螺旋槽形成螺旋輸送帶，將堵塞位置的煤粉扒動，使排粉通道慢慢打開，實現正常鉆進；其功能以攪粉為主，排粉為輔[14]。

螺旋槽參數對于鉆桿施工工程中的排粉能力具有重要的影響[15]，以提高鉆桿的攪粉能力為目標，采用流體力學數值計算軟件，對鉆桿結構在泡沫流體中的排粉能力進行數值模擬，以得到高效排粉的優化結構參數。

結合碎軟煤層鉆孔常用鉆具配比尺寸，建立泡沫鉆進排粉環空間隙數值模型(圖3)，其中鉆孔直徑100 mm，鉆桿直徑73 mm，鉆桿長度為1.5 m，采用四面體網格，所有模型均采用相同的網格尺度進行網格劃分，網格數量為600~900萬。泡沫采用冪律非牛頓流體模型(Non-Newtonian-Power-Law)，密度取500 kg/m3，入口流速取0.6 m/s。

建立寬翼螺旋鉆桿DPM離散相模型，選取頭數、螺寬和螺距結構參數進行數值分析。

2.1 頭數

當槽寬=22 mm、槽深=5 mm、螺距=90 mm時，分別計算頭數=1、2、3的流場，分析排粉效率隨頭數的變化趨勢(圖4)，確定頭數。由圖4可知，當螺旋槽的槽深、槽寬、螺距及轉速一定時，單頭螺旋槽環空底部顆粒沉積現象嚴重，隨著頭數的增加，環空上部風速逐漸降低，而環空下部的風速逐漸增加，環空底部顆粒沉積現象明顯改善。由此可見，增加螺旋槽的頭數能提高寬翼螺旋鉆桿攪粉能力，頭數越多，環空底部空氣速度越大，顆粒的輸送效果越好。

2.2 槽寬

當頭數=3、槽深=5 mm、螺距=90 mm時，槽寬分別選取18 mm、22 mm、26 mm進行計算，分析排粉效率隨槽寬的變化趨勢(圖5)，確定槽寬。由圖5可知，當螺旋槽頭數、槽深、螺距及轉速一定時，槽寬越窄，環空底部顆粒沉積現象越嚴重；隨著槽寬的增加，環空底部的風速逐漸增加，環空底部顆粒沉積現象明顯改善。由此可見，增加螺旋槽槽寬能提高寬翼螺旋鉆桿攪粉能力，槽寬越大，環空底部空氣速度越大，顆粒的輸送效果越好。

2.3 螺距

當頭數=3、槽深=5 mm、槽寬=22 mm時，螺距分別選取70 mm、90 mm、110 mm、150 mm進行計算，分析排粉效率隨螺距的變化趨勢(圖6)，確定螺距。當螺旋槽頭數、槽寬、槽深以及轉速一定時，對不同螺距的速度場及顆粒分布進行模擬得出(圖6)：隨著螺距從70 mm增加到110 mm，環空上部風速逐漸降低，而環空底部風速逐漸增加，環空底部顆粒沉積現象逐漸改善；當螺距達到150 mm時，環空底部風速降低，顆粒在環空底部沉積嚴重。由此可見，增加螺旋槽螺距在一定范圍內能提高寬翼螺旋鉆桿攪粉能力，螺距越大，環空底部空氣速度越大，顆粒的輸送效果越好，但超過一定的臨界值后，寬翼螺旋鉆桿攪粉能力反而下降。

圖5 不同槽寬的速度場及顆粒分布

圖6 不同螺距的速度場及顆粒分布

根據數值模擬結果，獲得影響排粉效果的寬翼螺旋鉆桿結構參數，綜合考慮加工難度，采用=3、=26 mm、=110 mm作為寬翼螺旋鉆桿的結構參數，經過數控銑床的整體銑削、鉆桿與接頭摩擦焊接等工序，生產出適合于泡沫鉆進高效排粉的專用寬翼螺旋鉆桿。

3 現場試驗

為驗證泡沫鉆進工藝及寬翼螺旋鉆桿高效排粉能力，通過開展現場鉆進試驗，分別對中風壓空氣鉆進工藝和泡沫鉆進工藝進行對比。試驗采用ZDY3200S型鉆機、MLGF17/12.5-132G型空壓機、3BZ-20/18型泡沫液注入泵、泡沫灌注系統、寬翼螺旋鉆桿及復合片鉆頭等裝備，采用5‰K12和0.8‰田菁膠粉復配并加入1.0‰HEC穩泡劑作為泡沫劑配方。

試驗地點位于淮北某礦3204工作面，該工作面32煤層厚度2.56~3.87 m，平均厚度2.96 m，煤質松軟。采用中風壓空氣鉆進技術，配套外平鉆桿，鉆進深度80~100 m。以1201鉆場5號孔為試驗鉆孔， 0~95 m全段利用中風壓鉆進工藝配合外平鉆桿施工，施工過程中正常鉆進孔內風壓阻力小于0.3 MPa，供風體積流量為4.2~5.4 m3/min，鉆機回轉阻力為3.5~4.8 MPa；鉆進至95 m時，多次出現鉆機系統壓力異常升高、孔口反渣不暢等現象，更換泡沫鉆進系統，采用泡沫鉆進工藝配合整體式寬翼螺旋鉆桿進行施工。在氣液比250︰1~300︰1、泡沫液流量400~700 L/h的情況下，壓縮空氣體積流量控制在2.0~3.5 m3/min，試驗過程中排粉順暢，孔口返出的泡沫均勻連續，鉆機回轉壓力明顯下降(小于2.0 MPa)，與采用中風壓空氣鉆進相比，回轉阻力降低了42%~ 48%。鉆進至195 m后，由于回風巷、機巷多個鉆場同時使用同一空壓機風源，致使試驗鉆場內風壓偏低(靜壓力約為0.7 MPa)導致泡沫不能順暢地注入孔內，試驗持續約1 h左右風壓始終沒有明顯提高，未能形成連續泡沫液流，終孔提鉆。

通過現場試驗應用表明：寬翼螺旋鉆桿攪粉充分，煤塊經螺旋槽破碎明顯；排粉通道暢通，在系統風壓的作用下可以將破碎的煤、巖順利排出孔外，排粉效果好。相比于空氣鉆進深度100 m左右的鉆孔能力，在同一地層、相似地質條件下，采用泡沫鉆進配套整體式寬翼螺旋鉆桿，一方面有效提高了鉆進深度，另一方面也達到了高效排粉的效果，從而在施工中降低了回轉阻力，取得良好的鉆進施工效果。但泡沫鉆進工藝相對復雜，泡沫液流量和壓縮空氣流量控制調節非常關鍵，對操作人員素質要求較高，同時由于需要進行多個操作，鉆進輔助時間相對較長。

4 結 論

a.通過流體動力學數值模擬，研究了寬翼螺旋鉆桿結構參數對泡沫鉆進排粉效率的影響：增加螺旋槽槽寬和頭數能提高寬翼螺旋鉆桿鉆進攪粉和排粉能力；槽寬和頭數一定時，螺距為110 mm時，鉆桿具有較好的排粉效果。

b.結合鉆孔的需求，設計了煤礦井下泡沫灌注系統，優化了設計鉆桿和泡沫鉆進工藝。在淮北某礦3204工作面開展了工業性試驗，試驗表明：與中風壓空氣鉆進相比，該系統使得鉆機設備回轉壓力降低超過40%，表明鉆進旋轉阻力小，排粉效果較好，適合在碎軟煤層中施工近兩百米深度鉆孔，且鉆進過程中孔口無粉塵，施工作業環境得到了極大改善。

c.現場施工中，發現泡沫鉆進系統所配備的設備為獨立布置，增加了操作的復雜性。后續應進一步優化泡沫鉆進工藝操作流程，改進灌注系統的流量調控方式，簡化操作程序。

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Foam drilling technology and application for broken soft coal seam in underground coal mine

JI Qianhui1,2, DONG Mengmeng2, LIU Jianlin2, SHI Lei2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

Aiming at the limitation of middle pressure air drilling for gas drainage in soft and broken coal seam, such as limited drill cutting removal capacity, and dust pollution, foam drilling technique research in underground coal mines was carried out. CFD simulation of the flow field during the drilling process was conducted to obtain the optimized drilling tool structure parameters for efficient drill cutting transportation. Optimal structural parameters of wide-blade milled auger drill rod with the number of heads 3, the groove width 26 mm, and the pitch 110 mm were determined. A foam perfusion system suitable for underground coal mining was developed. Field test applications show that foam drilling technique and assorted wide-blade milled auger drill rods have high efficiency of cutting transportation. Rotatory resistance was reduced in a range of 42%-48%. The technique can improve drilling depth in soft and broken coal seam and provide a reference for similar deep coal mine drilling construction.

foam drilling; gas drainage; efficient drilling cutting removal; auger drill rod

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.005

1001-1986(2020)02-0025-05

2019-12-20；

2020-02-20

國家重點研發計劃項目(2018YFC0808200)

National Key R&D Program of China(2018YFC0808200)

冀前輝，1984年生，男，河南禹州人，博士研究生，副研究員，從事煤礦井下鉆探技術研究. E-mail：jiqianhui@cctegxian.com

冀前輝，董萌萌，劉建林，等. 煤礦井下碎軟煤層泡沫鉆進技術及應用[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：25–29.

JI Qianhui，DONG Mengmeng，LIU Jianlin，et al. Foam drilling technology and application for broken soft coal seam in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：25–29.

(責任編輯 聶愛蘭)