肋骨钻杆风力排渣与阻塞机理研究_马国芳.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 肋骨钻杆风力排渣与阻塞机理研究 马国芳 1， 李东民1,2， 万祖保3， 李 佳 1 （1．山东科技大学 机电工程系， 山东 泰安 271000； 2．浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 310000； 3．陕西中太能源投资有限公司 朱家峁煤矿， 陕西 榆林 719000） 摘要 在突出松软煤层钻孔过程中， 目前普遍采用肋骨钻杆配合钻杆中部通风的方式进行排 渣， 由于现有排渣技术的限制， 煤渣阻塞现象时常发生并严重影响钻孔深度和成孔率。以肋骨钻 杆水平钻进为例， 分析排渣过程中煤渣的受力情况与运动规律， 认为当煤渣的产生速率大于肋 骨钻杆的排渣速率时， 肋骨钻杆的排渣通道便会发生阻塞。通过建立的煤渣的产生速率与排渣 速率公式， 计算出 φ73 mm 肋骨钻杆排渣通道阻塞的临界煤渣产生速率。实验室验证结果表明 通过控制肋骨钻杆钻进速度来避免排渣通道发生阻塞的方法是可行的。 关键词 松软突出煤层； 肋骨钻杆； 风力排渣； 煤渣运移机理； 钻进优化 中图分类号 TD421．2＋5文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0120-04 Study on WindPower Slag Discharge and Blocking Mechanism of Rib Drill Pipe MA Guofang1, LI Dongmin1,2, WAN Zubao3, LI Jia1 （1．Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai’ an 271000, China;2．State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems of Zhejiang University, Hangzhou 310000, China; 3．Zhujiamao Coal Mine, Shaanxi Zhongtai Energy Investment Co., Ltd., Yulin 719000, China） Abstract In the drilling process of soft and outburst coal seam, the rib drill pipes and central ventilation are generally used to discharge slag． Due to the limitations of existing slag removal technology, the coal slag blockage often occurs and seriously affects the depth and porosity of drilling． Taking the horizontal drilling of rib drill pipe as an example, the force condition and movement law of coal slag in the process of slag discharge are analyzed． When the rate of slag production is greater than the rate of slag discharge, the discharge channel of rib drill pipe will be blocked． The critical slag generation rate of slag discharge channel blocking for φ73 mm rib drill pipe is calculated by the established ula of slag generation rate and slag discharge rate． The results of laboratory verification show that it is feasible to control the drilling speed of rib drill pipe to avoid the blocking of slag discharge channel． Key words soft and outburst coal seam; rib drill pipe; wind -power slag discharge; coal slag migration mechanism; drilling optimization 在松软突出煤矿开采的过程中，瓦斯突出是影 响开采的灾害之一，通过施工钻孔可以将煤层中的 瓦斯提前抽采出来，保证煤矿的安全生产。肋骨钻 杆配合风力排渣是一种十分适合在松软突出煤层中 钻孔的方法，但是这一方法仍然存在着排渣能力不 足的问题[1]。在钻进过程中， 煤渣会逐渐在其排渣通 道内积累并将排渣通道阻塞， 最终导致卡钻现象， 所 以排渣技术是长钻孔成孔的关键[2]。为了提高长钻 孔的成孔率， 避免卡钻的发生， 针对肋骨钻杆水平钻 进过程中的风力排渣机理进行分析，找出肋骨钻杆 排渣过程中存在的问题并提出合理的解决方案。 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．027 马国芳， 李东民， 万祖保， 等．肋骨钻杆风力排渣与阻塞机理研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 120-123． MA Guofang, LI Dongmin, WAN Zubao, et al． Study on WindPower Slag Discharge and Blocking Mechanism of Rib Drill Pipe ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 120-123． 基金项目矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地 开放基金资助项目（MDPC201609） ； 山东省自然科学基金资助项 目（ZR2015EM042 ） ； 山东省高等学校科研计划资助项目（J18KB020） 移动扫码阅读 120 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 1－孔壁； 2－气流流动方向； 3－钻杆； 4－煤渣颗粒。 图 1煤渣颗粒受力示意图 Fig.1Force of slag particle 1肋骨钻杆风力排渣力学机理分析 肋骨钻杆的为中部空心， 适合高压流体通过， 在 钻杆的外表面有一圈扁平的叶片，这样的结构使肋 骨钻杆相比外平钻杆的纯流体排渣多了一种机械排 渣方式[3]。在肋骨钻杆钻进过程中， 流体排渣与机械 排渣相互配合当排渣通道未发生煤渣阻塞时， 排 渣的方式主要为流体带动煤渣排出孔外；当排渣通 道发生阻塞时，流体排渣方式暂时失效，肋骨钻杆 可以利用螺旋叶片对煤渣进行推移的方式对阻塞段 进行疏通[4]。所以风力排渣是肋骨钻杆的最主要的 排渣方式[5]。 1.1煤渣运动模型建立 肋骨钻杆在水平钻孔的过程如图 1，煤渣颗粒 将在钻杆叶片与外部高压流体的协同作用下从钻杆 与孔壁之间形成的空隙排出。在煤渣的气力排渣过 程中，虽然煤渣本身为单个颗粒，但是煤渣颗粒总 是以群的形式存在，因此真正有实际意义的物料临 界速度值是颗粒群的临界速度[6]。对 L 段煤渣颗粒 群进行受力分析，建立排渣过程中煤渣颗粒群的力 学模型。 在实际排渣过程中的高压流体有一定的黏性， 将煤渣看作球体，当流体与煤渣颗粒接触时，会在 煤渣的表面形成 1 层附面层，煤渣受到的压力则与 流体在附面层上的速度梯度分布以及脱离状态相 关， 附面层的形成与煤渣颗粒的尺寸、 流体的速度、 密度以及黏性相关。除此之外，煤渣颗粒还受到高 压空气的切向摩擦应力，以上 2 部分应力积分的总 和就是流体对煤渣颗粒的作用力 F [7]， 在实际应用 中， F 常表示为式 （1） 的形式 F＝C ρα v 2 re 2 A（1） 式中 C 为阻力系数； A 为煤渣颗粒群最大迎流 面积， m2； ρα为高压气体的密度， kg/m3； vre为煤渣颗 粒群与流体的相对速度， m/s。 由于煤渣颗粒群在输送过程中处于悬浮状态， 采用悬浮沉降状态下的阻力系数 Cn进行代替， 处于 同一阻力区的阻力系数的换算关系如式 （2） C＝Cn vn vre （ ） K （2 ） 式中 vn为煤渣颗粒的悬浮速度； K 为阻力与雷 诺数关系式中的待定系数。 将式 （2 ） 代入式 （1 ） 可得 F＝g qf vf Ll ver vn （ ） 2－K （3 ） 式中 qf为单位时间煤渣颗粒群输送质量， kg/s; vf为煤渣颗粒群输送速度， m/s;Ll为段的长度， m； g 为重力加速度， g9.81 m/s2。 煤渣颗粒群在运动过程中除了受气动推力， 还 会受到孔壁的阻力， 阻力 Tf的计算公式如式 （4） Tf＝△pA＝λ Ll D ρf vs 2 （4 ） 式中 △p 为 L 段压差； λ 为煤渣颗粒群的阻力 系数； ρf为输送过程中悬浮状态下煤渣颗粒群密度， kg/m3； D 为孔腔直径， m； vs为煤渣颗粒群的输送速 度， m/s。 当煤渣处于悬浮状态并匀速输送时，根据牛顿 第二定律可得 M dvs dt ＝F－Tf－FW（5 ） 式中 M 为 L 段煤渣颗粒群质量， kg； FW为 L 段 煤渣颗粒群质量力， N。 将式 （3 ）和式 （4）代入式 （5） ， 且由于是水平方 向钻孔， 质量在水平方向作用力为 0， 得煤渣颗粒群 运动方程为 1 g dvs dt ＝ V－vs vn （） 2－K － λ vs 2 2gD （6 ） 式中 V 为气流速度， m/s。 根据井下现场测得的数据， φ73 mm 肋骨钻杆 配合 φ90 mm 的钻头形成的孔径的平均直径为 93.5 mm， 钻杆的叶片高度为 5 mm， 叶片宽度为 18 mm， 螺距为 96 mm。根据以上参数求得排渣通道实际过 流面积为 5.95710-3m2， 实际过流湿周周长为 0.558 m， 特征长度为 0.042 7 m。当使用风力作为排渣介 质时， 排渣通道正常风速一般在 10 m/s 以上， 求得 雷诺数 Re≥500， 处于牛顿惯性阻力区， 确定煤渣颗 粒群运动方程如式 （7 ） dvs dt ＝g V－vs vn （）2－ λ vs2 2D （7 ） 121 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 1-传动装置； 2-煤渣收集装置； 3-煤渣出口； 4-电机； 5-气泵； 6-模拟孔腔部分； 7-煤渣投放装置； 8-转子流量计。 图 2排渣试验装置 Fig．2The test device for slag discharge 1．2流体排渣时煤渣运动输送量分析 当煤渣颗粒群在流体作用力 F 与孔壁阻力 Tf 同时作用下达到匀速运动时，为求煤渣颗粒群的速 度大小， 令 dvs/dt0， 得 g V－vs vn （）2－ λ vs2 2D ＝0（8） 根据气体输送理论， 考虑到孔腔空间限制， 煤渣 颗粒形状为不规则，对所得的煤渣颗粒悬浮速度 vn 采用有效界面系数和形状系数 Ks进行修正， 修正的 v′ n为如式 （9） v′ n＝ 1 Ks ■ 4g df 3C ρa（ρf －ρa） ■ 1－ df D－d （） 2 []（9） 式中 df为煤渣颗粒直径， m； d 为钻杆直杆。 煤渣颗粒群密度 ρf是一个与气固比 m 有关的 量， ρfm （ραV） /vs， 查阅资料得气固比与最小风速之 间的回归方程[8]如式 （10 ） m＝0．239 6e 0．235v0 （10 ） 式中 v0为最小风速。 根据排渣通道正常风速最低值约为 10 m/s， 取 v010， m2．5， 可得 ρf10 （ραV） /vs， 将 v′ n与 ρf代入式 （7） ， 并取煤渣颗粒直径为 1 mm， 阻力系数 λ0．3， 形状系数 Ks1．17，可得煤渣颗粒运动速度 vs方程 如式 （11 ） （V－vs） 2 10V vs － （） 1 1－ 0．001 D－d （） 2 [] 2 ＝3．79210 －4vs 2 D （11 ） 由式 （11 ） ， 可以代入实际孔腔直径 D， 钻杆直径 d 及不同气流速度 V 来求得煤渣颗粒运动速度 vs。 另外根据气固比 m （ρfvs） /ραV， 可以得出正常排渣 时单位时间风力排渣质量 Q 的计算公式如式 （12 ） Q＝10π D2-d2 4 ρα V（12 ） 2煤渣阻塞机理分析与钻进工艺改进 在松软煤层中进行钻孔施工过程中，引起卡钻 的原因中最重要的一点就是煤渣在孔内积聚并将排 渣通道阻塞致使钻杆无法正常活动[9]， 在钻进的过 程中，理想状态下单位时间产生的煤渣量计算公式 如式 （13） QPπR 2 v R ρ （13） 式中 QP为钻进过程单位时间产生的煤渣量， m3/s； R 为孔腔半径， m； vR为钻杆的钻进速度， m/s； ρ 为煤的密度， kg/m3。 经过对肋骨钻杆排渣机理的分析，在正常的钻 孔过程中产生的煤渣会通过流体排渣的方式排出孔 外，保持排渣通道的通畅。但如果煤渣产生的速率 大于煤渣排出的速率，此时煤渣就会在排渣通道内 逐渐积累导致排渣通道阻塞并引起卡钻[10]。所以单 位时间产生的煤渣量应当小于或者等于肋骨钻杆流 体排渣单位时间所能排出的煤渣量，以常用的 φ73 mm 肋骨钻杆为例，根据工况选择压缩空气的流量 为 3 m3/min， 计算可得流体速度 V 为 8．4 m/s， 通过 式 （12 ） 计算出其理想状态下单位时间排出的煤渣量 应为 0．413 kg/s， 所以， 理论上肋骨钻杆钻进过程中 单位时间产生的煤渣量应该控制在 0．413 kg/s 以内。 3实验室验证合理钻进速度 3．1试验装置 肋骨钻杆排渣过程是风泵提供的压力气流由钻 杆中间的通风孔进入， 达到孔底携带煤渣从钻杆与孔 壁形成的环状排渣通道排出孔外，钻杆的旋转对煤 渣起到一定的扬起作用。根据肋骨钻杆的排渣过 程， 搭建试验台， 具体的试验设备及装置如下 ①实 验台基础设备 主要由钻杆、 铁皮支架、 煤渣投放装 置、 煤渣收集装置、 亚克力管道组成； ②供风系统由 风泵、 pvc 管道及接头、 pvc 软管、 转子流量计组成； ③ 回转系统 由交流电机、 传动装置、 电机调速器； ④ 其他设备 电子秤、 计时器。排渣试验装置如图 2。 所有设备准备齐全后，首先测量好各装置之间 的位置， 然后将铁皮支架固定好， 将亚克力管的两端 插入支架上预留好的空洞中，在亚克力管孔底的一 端安装煤渣投放装置， 另一端放入钻杆， 最后将煤渣 122 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 收集装置、传动装置、供风装置安装在亚克力管空 口一端。 3．2试验方案与结果 通过煤渣投放装置控制煤渣的投放速率，每组 不同的煤渣投放量的实验进行 5 次时间长度为 30 s 的排渣模拟,试验共分为 6 组， 每组的煤渣的投放速 率分别为 0．2、 0．25、 0．3、 0．35、 0．4、 0．45 kg/s。观察每 次试验煤渣通道的阻塞情况并统计亚克力管中剩余 的煤渣质量并对其求平均值，以此来测定最适合 φ73 mm 肋骨钻杆的单位时间煤渣产生量，试验的 结果如下 1） 煤渣投放速率为 0．2、 0．25、 0．3、 0．35 kg/s 的 4 组试验均未出现煤渣阻塞情况，煤渣投放速率为 0．4 kg/s 的 1 组试验中出现了 2 次煤渣阻塞， 煤渣投 放速率为 0．45 kg/s 的 1 组试验中出现了 5 次煤渣 阻塞。 2 ） 对每组试验剩余煤渣质量进行统计， 煤渣投 放速率为 0．2、 0．25、 0．3、 0．35、 0．4 kg/s 的试验所对应 的平均剩余煤渣质量分别为 0．444、 0．504、 0．064、 0．792、 0．917 kg， 由于煤渣投放速率为 0．45 kg/s 的 1 组试验的试验结果均为发生阻塞，所以没有进行剩 余煤渣质量的统计。 通过分析 6 种煤渣投放速率的肋骨钻杆排渣试 验数据的可以看出，随着煤渣的投放速率的提升， 由亚克力管模拟的排渣通道内剩余煤渣质量逐渐增 多。当煤渣投放速率低于 0．35 kg/s 时， 肋骨钻杆的 排渣通道一般不会产生阻塞的情况；当煤渣投放速 率超过 0．40 kg/s 时， 肋骨钻杆的排渣通道存在出现 阻塞的可能性；而当煤渣投放速率达到 0．45 kg/s 时， 肋骨钻杆的排渣通道一定会产生阻塞。所以， 肋 骨钻杆钻进过程中单位时间产生的煤渣量应该控制 在 0．35 kg/s 以内， 低于前文理论计算所得到的理想 状态下单位时间排出的煤渣量 0．413 kg/s。利用式 （13） 可得当肋骨钻杆的钻进速率在 0．036 m/s 以 内时，可以在达到最高的钻进效率的同时有效避免 排渣通道阻塞。 4结语 通过分析肋骨钻杆钻进过程中煤渣在排渣通道 内的受力和速度， 建立煤渣颗粒在高速流体作用下的 力学模型以及单位时间排渣速率的计算公式， 提出了 控制钻进速度可以有效避免发生煤渣阻塞的观点。 通 过试验验证， 对于常用的 φ73 mm 的肋骨钻杆， 将煤 渣投放速率可有效地防止煤渣阻塞的发生， 通过单位 时间产生的煤渣量的计算公式反推可得 肋骨钻杆的 钻进速率应当控制在 0．036 m/s 以内。 参考文献 ［1］ 杨虎伟， 范运林．高转速复合排渣钻进技术在松软突 出煤层中的应用 ［J］ ．煤炭工程， 2019， 51 （3） 50－53． ［2］ 殷新胜， 刘建林， 冀前辉．松软煤层中风压空气钻进技 术与装备 ［J］ ．煤矿安全， 2012， 43 （7） 63－65． ［3］ 程合玉．井下肋骨钻杆的设计与应用 ［J］ ．科技经济导 刊， 2016 （25） 71． ［4］ 王坤， 郭文亮， 冯光， 等．双动力螺旋钻杆合理参数模 拟研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （3） 105－108． ［5］ 方俊， 李泉新， 许超， 等．松软突出煤层瓦斯抽采钻孔 施工技术及发展趋势 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （5） 130－137． ［6］ 李辉， 李超．基于松软煤层无尘钻进系统的研究及应 用 ［J］ ．煤炭技术， 2015， 34 （1） 198－200． ［7］ 徐凯， 赫永鹏， 吴东垠．环形管道的阻力计算及模拟分 析 ［J］ ．长春工程学院学报 （自然科学版） ， 2015， 16 （2） 51－55． ［8］ 赵艳艳， 陈峰， 龚欣， 等．粉煤浓相气力输送中的固气 比 ［J］ ．华东理工大学学报， 2002 （3） 235－237． ［9］ 雷丰励． 松软突出煤层长钻孔装备及钻进工艺研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （4） 93－97． ［10］ 王永龙， 孙玉宁， 王振锋， 等．松软突出煤层钻进钻孔 堵塞力学特征 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （S1） 119． 作者简介 马国芳 （1993） ， 女， 山东济宁人， 在读硕士 研究生， 研究方向为矿山机械。 （收稿日期 2019－05－24； 责任编辑 李力欣） 123 ChaoXing