煤礦下斜鉆孔用水力沖孔器流體力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高曉亮，邵國杰，伍 濤，朱 寧

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為保證煤礦巷道，尤其是煤層巷道的掘進(jìn)安全，在煤巷掘進(jìn)前通常采用超前鉆孔的方法對擬掘進(jìn)煤層進(jìn)行應(yīng)力釋放、消突以及瓦斯抽采等工作。為進(jìn)一步消除松軟突出煤層煤與瓦斯突出危害，目前常采用水力沖孔的方法進(jìn)行煤層消突、增透，以快速消除突出煤層的突出危險性，有效地解決煤礦生產(chǎn)與安全的矛盾。

水力沖孔技術(shù)是以煤柱或巖柱作為安全屏障，利用高壓水射流，沖出煤層中的大量煤體和釋放出部分瓦斯，使得煤層得以釋放瓦斯壓力和瓦斯含量；同時孔道周圍煤體激烈向孔道方向位移，在隨后的抽放過程中，煤層瓦斯含量會逐漸降低，同時煤層會逐漸地變形，逐漸釋放瓦斯壓力和地應(yīng)力，隨著瓦斯含量和應(yīng)力降低，煤層的透氣性逐漸增高，更加容易抽出煤層中的瓦斯，逐漸達(dá)到消除突出煤層危險性[1]。

但是普通水力沖孔鉆具在施工過程中需要鉆孔完成后提鉆并重新下入沖孔鉆具進(jìn)行沖孔，輔助作業(yè)時間長，工人勞動強度大。因此，中煤科工集團西安研究院有限公司開發(fā)了隨鉆型水力沖孔器，通過可調(diào)式高低壓轉(zhuǎn)換機構(gòu)將水力沖孔器分為兩個狀態(tài)，即鉆進(jìn)狀態(tài)與沖孔狀態(tài)，在小泵量下進(jìn)行鉆孔鉆進(jìn)，大泵量下水力推動高低壓轉(zhuǎn)換機構(gòu)，進(jìn)行水力沖孔施工。目前該水力沖孔器在淮南、山西等地進(jìn)行推廣試驗，取得了良好的應(yīng)用效果[2-4]。目前該水力沖孔器的應(yīng)用大多為上斜鉆孔，鉆渣在重力及水力雙重作用下能夠順利排出孔底。但是在陽泉礦區(qū)煤巷掘進(jìn)超前下斜鉆孔施工過程中存在鉆渣難以排出孔底的問題，本文通過對水力沖孔器進(jìn)行水力分析，提出通過添加底噴水眼、增大噴嘴尺寸以及優(yōu)選彈簧參數(shù)等方式對水力沖孔器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。并采用優(yōu)化設(shè)計后的的水力沖孔器進(jìn)行現(xiàn)場試驗，滿足了下斜全煤鉆孔施工要求。

1 隨鉆型水力沖孔器結(jié)構(gòu)原理

水力沖孔器是連接于鉆桿與鉆頭之間的一段鉆具短節(jié)，如圖1所示，由上接頭，噴嘴，活塞，彈簧，下接頭以及水路堵頭組成。水力沖孔器主要依靠水力換向閥調(diào)整水路流向，實現(xiàn)鉆進(jìn)和沖孔的切換。正常鉆進(jìn)時，采用低泵量進(jìn)行鉆進(jìn)，沖洗液通過活塞中心孔進(jìn)入堵頭周圍的孔道進(jìn)入鉆頭，冷卻鉆頭進(jìn)行破巖鉆進(jìn)，同時攜帶巖粉、潤滑鉆具。鉆至沖孔層位后，采用增大泵量的方式，啟動水力換向閥，即推動活塞下行，活塞下端與堵頭6接觸封閉鉆頭水路，從而增大沖孔水壓進(jìn)行水力沖孔施工。

水力沖孔器的關(guān)鍵部件在于水力換向閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一方面水力換向閥要有一定抵抗水壓力的能力，防止在低泵量情況下鉆頭水路不堵塞，維持鉆頭切削碎巖需要的水量；另一方面，水力換向閥要在一定泵量下能夠快速關(guān)閉鉆頭水路使得噴嘴在一定壓力下進(jìn)行破碎煤壁進(jìn)行沖孔施工。

圖1 隨鉆型水力沖孔器結(jié)構(gòu)

2 水力沖孔器流體力學(xué)分析

2.1 水頭損失

鉆進(jìn)過程中由于鉆桿內(nèi)壁不光滑及鉆桿孔徑變化，流體在流動過程中存在水頭損失，主要包括沿程損失和局部損失，單根鉆桿結(jié)構(gòu)如圖2所示，局部損失包括入口處截面有小變大及出口處截面由大變小兩部分組成，根據(jù)沿程損失和局部損失計算公式，可求得單根鉆桿的水頭損失[5]。

圖2 鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

圓管水頭損失：

式中，hf為圓管沿程損失，m；hm為圓管局部損失，m；λ為沿程損失系數(shù)；z為局部損失系數(shù)；l為流經(jīng)長度，m；d為圓管直徑，m；v為水流速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

假設(shè)鉆進(jìn)孔深100m，泵量150L/min，鉆桿直徑按?50mm；則可查文獻(xiàn)[6]，取鉆桿沿程損失系數(shù)取0.0455，每米鉆桿含有兩個接頭，即管道有由大變小和由小變大兩部分局部損失，分別查出兩種局部損失系數(shù)為0.29和0.2。分別計算沿程損失為0.015m，局部損失為43.7m，總水頭損失為43.715m。

2.2 活塞流體壓力計算

為推動活塞下行實現(xiàn)水力換向閥工作，計算活塞所受壓力至關(guān)重要，為確定活塞所受水壓力，可采用流體動量方程進(jìn)行解算[5]。對于水力沖孔器可取沖孔器水路換向閥截面改變部位作為控制體進(jìn)行計算。

選擇沖孔器入口及出口處為兩截面，對兩截面列流體動量方程、連續(xù)性方程及伯努利方程：

ρQ(v2-v1)=(p1-pa)A1-F

(2)

v1A1=v2A2=Q

(3)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；Q為流量，m3/s；v1為入口截面流速，m/s；v2為出口截面流速，m/s；A1為入口截面面積，m2；A2為出口截面面積，m2；p1為入口截面壓力，Pa；p2為出口截面壓力，Pa；pa為大氣壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；F為作用在活塞面上的力，N。

假設(shè)出口處為開口，故p2=pa，通過公式(2)(3)(4)可以計算出作用于活塞面上的壓力F。

2.3 沖洗液上返流速計算

由于水力沖孔施工將沖孔段直徑擴大很大，將近10倍左右。在上仰孔鉆進(jìn)過程中，鉆渣由于重力作用可以順利從鉆孔內(nèi)跟隨鉆井液返出孔口，但是在下斜鉆孔中，鉆渣容易在鉆孔下半部分沉積，難以排出孔口，容易造成卡鉆等孔內(nèi)事故[7-9]。因此需要對鉆孔內(nèi)沖洗液上返流速進(jìn)行計算，選擇合適的泵量，保證鉆渣順利排出孔口。

鉆井實踐中常采用鉆渣上返速度達(dá)到必需值來確定泵量[10-15]。因為鉆渣重度大于鉆井液，為滿足鉆渣上返流速要求，要求鉆井液上返流速：

其中，k為系數(shù)：

式中，d1為球形顆粒的直徑，m；γ1為鉆渣顆粒重度，N/m3；γ2為鉆井液重度，N/m3；G為重力加速度，m/s2；C為顆粒形狀系數(shù)。

針對煤礦井下鉆進(jìn)，取顆粒直徑d1=5mm，鉆渣和鉆井液重度分別取1.5×104和1×104，顆粒形狀按近似球形計算，取顆粒形狀系數(shù)c=0.5。分別代入式(5)(6)(7)可計算出需要的鉆井液上返流速為0.31m/s。

3 下斜鉆孔用水力沖孔器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 底噴水眼的添加

通過式(5)計算出需要的鉆井液上返流速，可計算得到排渣需要的沖洗液泵量。由于在沖孔過程中水力換向閥堵塞了鉆頭水路，沖洗液僅從兩側(cè)2只?2mm左右噴嘴射出，要達(dá)到?jīng)_洗液泵量，系統(tǒng)壓力會持續(xù)增大，影響管路安全，因此為增大沖洗液量，且不增大系統(tǒng)壓力的條件下，在堵頭上添加底噴水眼，使得一部分沖洗液通過鉆頭返入環(huán)空間隙進(jìn)行攜帶鉆渣。

該水眼的直徑不宜過大，太大容易降低噴嘴射出鉆井液的流速，影響沖孔效果，太小不能起到增大泵量，降低系統(tǒng)壓力的作用，因此，分別加工?2mm、?3mm、?5mm三種水眼進(jìn)行室內(nèi)試驗分別列出式(3)和式(4)，可計算出最優(yōu)水眼，并進(jìn)行室內(nèi)試驗，通過計算及室內(nèi)試驗證明，?3mm底噴水眼能夠滿足上述要求。

3.2 復(fù)位彈簧設(shè)計計算

由于水力換向閥需要開啟壓力大，可達(dá)500～1000kg，行程短，僅5～10mm，因此需要剛度系數(shù)大，穩(wěn)定性好的彈簧。模具彈簧以其剛性大、壽命長、耐高溫等特點廣泛應(yīng)用于圓截面彈簧不能滿足受力要求以及安裝空間受限的位置。因此，此次換向閥復(fù)位彈簧選用模具彈簧。

模具彈簧采用的材料一般為鉻合金鋼，截面一般為正方形或矩形，在相同空間內(nèi)，正方形截面鋼絲彈簧承載能力比圓截面簧要高43%～48%，矩形簧要大于50%以上。在相同條件下，異形截面鋼絲彈簧比圓截面鋼絲彈簧的壽命要提高13%～14%。水力換向閥彈簧空間外徑為?42mm，內(nèi)徑?18mm，長度為35～40mm，彈簧壓縮量為8～13mm。因為彈簧在一般載荷條件下工作，可選用第三類彈簧。矩形截面圓柱螺旋壓縮彈簧的基本計算公式如下[7]：

1)切應(yīng)力：

式中，τ為切應(yīng)力，Pa；P為彈簧工作載荷，Pa；Dm為彈簧中徑，m；b為矩形截面寬度，m；h為矩形截面高度，m；Ψ為與旋繞比和矩形截面寬高比相關(guān)的應(yīng)力系數(shù)。

2)變形量：

式中，F(xiàn)為彈簧在工作載荷P作用下的變形量，m；if為彈簧有效圈數(shù)；ξ為與矩形截面寬高比相關(guān)的彈性系數(shù)；G為切變模量，Pa。

3)有效圈數(shù)：

式中，C為彈簧剛度，C=P/f。

4)總?cè)?shù)：

iq=if+2

(11)

5)旋繞比：

根據(jù)改進(jìn)后的水力沖孔器流體力學(xué)參數(shù)，分別代入式(2)(3)(4)計算流體對閥體活塞壓力，根據(jù)矩形截面圓柱螺旋壓縮彈簧的基本計算公式，選用彈簧剪切應(yīng)力[τ]和切變模量G分別為750MPa和80000MPa，設(shè)計彈簧尺寸為：截面尺寸9.5mm×7.5mm，彈簧中徑?29.5mm，彈簧總高度40mm，旋繞比C=3.1，彈簧有效圈數(shù)3圈，兩端磨平3/4圈。由以上公式計算并標(biāo)準(zhǔn)化得出彈簧工作原理如圖3所示。

圖3 彈簧工作原理(mm)

3.3 沖孔流體參數(shù)選擇與對比

在水力換向閥工作后，對于兩種水力沖孔器的流體狀態(tài)、流體控制體如圖4所示。

圖4 沖孔狀態(tài)下流體力學(xué)簡圖

研究表明，煤層的堅固性系數(shù)與煤體破碎所需的流體射速之間關(guān)系如圖5所示[8]。

圖5 不同堅固性系數(shù)下破煤流體速度

根據(jù)現(xiàn)場煤層條件，盡量增大破煤深度，選擇沖孔噴嘴噴射速度為200m/s，通過式(4)可以計算出所需流量，計算可得改進(jìn)前沖孔所需流量為99L/min，改進(jìn)后所需流量為184L/min。

根據(jù)鉆進(jìn)流量，以及鉆孔直徑?113mm，鉆具直徑?73mm可以計算改進(jìn)前后鉆孔環(huán)空上返流速分別為0.285m/s，0.525m/s。可見改進(jìn)后的沖孔器上返流速在184L/min的流量下0.525m/s>0.31m/s，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆渣充分上返所需流速。

將沖孔工作后的沖孔器內(nèi)流體參數(shù)代入伯努利方程(4)可求得管道內(nèi)系統(tǒng)壓力P1=21MPa。

可以看出滿足水力沖孔條件下，改進(jìn)后的水力沖孔器能夠滿足鉆渣上返要求。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 鉆場概況

水力沖孔試驗在陽煤集團新元煤礦3209輔運巷進(jìn)行，3209工作面位于西一采區(qū)，工作面標(biāo)高542.0～572.0m，傾向長201.5m，煤層平均厚度1.78m，平均傾角3°。

由于新元礦屬于煤與瓦斯突出礦井，3#煤層相對瓦斯涌出量為20.01m3/t，絕對瓦斯涌出量為209.93m3/min。3209輔助運輸巷在前期掘進(jìn)期間為了降低煤層突出危險性，減少工作面瓦斯涌出量，對工作面迎頭施工瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，但常規(guī)鉆孔應(yīng)用效果相對較差，煤層瓦斯預(yù)抽后在掘進(jìn)時工作面平均瓦斯涌出量大，平均瓦斯?jié)舛雀撸壮霈F(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，具有較大安全隱患。由于鉆孔下斜或近水平，常規(guī)水力沖孔器出現(xiàn)排渣困難的問題，鉆進(jìn)過程種出現(xiàn)憋泵、淤渣等問題，容易造成孔內(nèi)事故，因此采用改進(jìn)型水力沖孔器進(jìn)行試驗。

4.2 鉆孔設(shè)計

鉆孔位于3209輔助運輸巷迎頭，每120m施工鉆孔5個，其中水力沖孔鉆孔3個，鉆孔順巷道走向，呈下斜狀態(tài)，鉆孔設(shè)計如圖6所示。

圖6 鉆孔設(shè)計示意圖

4.2 試驗設(shè)備

試驗選用的裝備及規(guī)格型號情況見表1。

表1 設(shè)備規(guī)格情況表

4.3 試驗結(jié)果

此次試驗，在3209輔助巷每掘進(jìn)100m施工鉆孔3個，每鉆孔沖孔20余次，改進(jìn)后的沖孔器有效解決了改進(jìn)前孔內(nèi)憋泵、淤渣等現(xiàn)象，鉆渣能夠順利排出孔口。大大提高了鉆孔成孔率，降低了施工周期。

此次水力沖孔器開啟流量60L/min，沖孔流量180L/min，沖孔壓力21MPa，出煤量0.5t/m，滿足了礦方設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

1)通過流體力學(xué)分析確定了流體對沖孔器水力換向閥的壓力，并根據(jù)該壓力對復(fù)位彈簧進(jìn)行了計算設(shè)計，滿足改進(jìn)型沖孔器在正常鉆進(jìn)狀態(tài)不切換水路，保證鉆頭正常鉆進(jìn)。

2)通過流體力學(xué)分析，確定了水力沖孔施工排渣所需要的上返流速，并通過增加底噴水眼的方法增大沖孔流量，保證沖洗液上返流速，使得鉆渣有效排出孔口。