煤矿井下反循环取样钻杆中心管设计方法_张睿.pdf

Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 煤矿井下反循环取样装置是一种用于煤矿井下 煤层定点取样的装置，该装置由双壁钻杆、内嵌环 形喷射器的取样钻头及双通道尾辫组成[1-2]。取样 时，钻头切削的孔底煤样通过压缩空气由双壁钻杆 中心管通道快速输送至钻孔外部，所取煤样避免了 孔壁残粉污染， 从而达到煤层定点取样的目的[3-5]。 目前反循环取样已开始逐步代替传统的岩心管取 样， 并已在我国山西、 安徽、 新疆、 贵州等产煤区域 得到推广应用，定点采集的煤样用于直接测定煤层 瓦斯含量可提高精度 20～30。 该种取样方式的本 质是一种气力输送， 双壁钻杆作为输送通道， 其中心 管横截面尺寸是确保形成稳定煤样气力输送的关键 因素[6]。通过气力输送工程计算是指导中心管截面 尺寸设计的有效方法。 1煤矿井下反循环取样系统的气力输送类型 气力输送系统的类型根据提供动力的装置及安 装位置， 分为吸气式输送、 压送式气力输送和混合式 气力输送[7-8]。 吸气式输送系统采用罗茨风机或真空泵作为气 源设备， 气源设备安装在系统末端， 工作时使整个系 统内形成负压， 由于管道内外存在压差作用， 空气被 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2018YFC0808001） 煤矿井下反循环取样钻杆中心管设计方法 张睿 1， 2 （1．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 2．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037） 摘要 基于气力输送系统的分类及其原理， 分析了煤矿井下反循环定点取样装置的技术特征， 指出了井下反循环取样过程属于压送式输送。采用压送式气力输送工程计算的方法， 结合煤矿 井下实际压风工况，得到了搭配 φ95 mm 直径钻头的 φ73 mm 宽叶片螺旋钻杆的中心管直径范 围为 21～32 mm； 通过实验室建立仿真取样系统的试验表明 32 mm 的中心管在相同给料质量和 取样时间内， 取样效果更好。 关键词 定点取样； 气力输送； 双壁钻杆； 中心管； 反循环 中图分类号 TD421．25文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 04-0105-04 Design of Center Pipe Embedded in Reverse Circulation Sampling Pipe Used in Coal Mine ZHANG Rui1,2 （1．China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China;2．State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China） Abstract Based on the classification and principle of pneumatic conveying system, the technical characteristics of reverse circulation fixed -point sampling device in underground coal mine are analyzed． It is pointed out that the reverse circulation sampling process belongs to pressure conveying． Use the of pneumatic conveying engineering calculation, combined with the actual compressed air condition in the coal mine, it is obtained that a 73 mm wide blade auger with a 95 mm diameter drill bit has a center tube diameter range of 21 m to 32 mm; the experiment of simulation sampling system established in the laboratory shows that the 32 mm central pipe has better sampling effect in the same feeding quality and sampling time． Key words fixed point sampling; pneumatic conveying; double wall drill pipe; central pipe; reverse circulation DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．022 张睿．煤矿井下反循环取样钻杆中心管设计方法 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 105-108． ZHANG Rui． Design of Center Pipe Embedded in Reverse Circulation Sampling Pipe Used in Coal Mine ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 105-108． 移动扫码阅读 105 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 颗粒名称ρa密度/ （t m-3） v0沉降速度 / （m s-1） va输送气流 速度/ （m s-1） 煤粉1．20～1．308．70020～30 粉煤灰2．15～2．220．21315～25 褐煤粉8．70020～30 褐煤块1．1610．600～11．00018～40 表 1煤颗粒及相似物的沉降速度与常用的输送气流速度 Table 1The settling velocity and commonly used conveying airflow velocity of coal particles and their analogues 吸入输料管内， 同时携带物料进入整个输送系统。 压送式输送系统是将气源设置在系统的前端， 通过密封的供料装置，将物料强行压入唯一的气体 出口从而进行输送，压送式输送又分为低压压送、 高压压送、流态化压送及脉冲栓流式压送。混合式 输送是将吸气式输送和压送式输送相结合的方式。 煤矿井下反循环定点取样装置的动力来自于矿 井压缩空气，通过高压胶管连接到钻杆尾部的双通 道尾辫上，并通过双壁钻杆的环形空间输送到钻孔 最前端的钻头位置。钻头结构中，外壁设置有外喷 孔，可引导通过的风流对钻孔底部形成正压喷射作 用， 使孔底形成正压环境； 内部嵌置有环形引射器， 可在钻头前方开口正对钻孔底部的位置形成负压抽 吸效应， 将外部正压空气引导入钻杆中心管[9-10]， 在 此过程中，孔底钻屑被携带入中心管中进行气力输 送。井下反循环取样装置的气力输送过程原理图如 图 1。 从表面特征看， 井下反循环取样装置钻头外喷 孔对孔底产生的正压属于压气式输送的形式，而钻 头内嵌喷射器产生的负压抽吸属于吸气式输送的形 式，组合形成的气力输送系统应属于压气式和吸气 式相结合的混合式气力输送系统，而实际上实现压 送效应的钻头外喷口结构和实现抽吸效应的内嵌环 形喷射器结构距离较近，且相对于孔底钻头外部的 正压来说，钻头内部的抽吸负压非常小，以至于仅 仅起到了降低压力势能的作用，而并未真正低于大 气压，因此，井下反循环取样装置中心管内形成的 气力输送应属于压送式输送。 2基于气力输送工程的取样钻杆中心管内径计算 2．1压送式气力输送的类型 压送式气力输送利用压缩空气吹送物料，输送 管路内部压力高于大气压力，根据管道内压力高于 大气压力的程度又分高压压送和低压压送 2 种。 低压气力输送通常以高压风机为动力源，系统 压力不超过 0．05 MPa； 高压气力输送工作压力一般 为 0．098～0．685 MPa，适用于高混合比（混合比 m 30～200 ） 、 长距离 （距离 L100～500 m， 最长达 1 000～ 2 000 m） 的气力输送。 2．2压送式气力输送管路设计所需参数 1） 输送气流速度 va。颗粒物在管道中可以被输 送的条件是颗粒受气流作用且气流速度大于颗粒的 沉降速度。当输送管道内径固定时，气源功率决定 着气流速度， 即气源功率较小时， 输送气流速度相对 较低， 但速度小到一定程度可能产生堵塞； 而气源功 率过大时，则加剧了管道的磨损和输送颗粒的碰撞 破损， 对于煤层取样来说， 避免孔底煤屑颗粒在高速 气流中碰撞后发生二次破碎可有效保证瓦斯含量测 定结果更加准确，因此确定合理的最小输送速度既 可以实现颗粒物的顺利输送不发生堵塞，又可以避 免颗粒的碰撞破碎。颗粒气力输送的最小速度是随 颗粒的物性、 混合比、 输送管道的管径、 长度而变化 的。一般确定输送气流速度的方法是首先根据设计 计算或者实测颗粒的沉降速度，再根据输送管道的 长短及混合比， 选取经验系数来确定合适的输送气流 速度。 通过查询国内外相关的气力输送实验可知[8]， 直 管输送管路输送气流 va与煤颗粒及相似物的沉降 速度 v0关系为 ①松散颗粒在铅垂管中va≥ （1．3～ 1．7） v0； ②松散颗粒在倾斜管中 va≥ （1．5～1．9） v0； ③ 松散颗粒在水平管中va≥ （1．8～2．0） v0，当采用高混 合比 m 进行输送时， 选择最大值。煤颗粒及相似物 的沉降速度 v0和输送气流速度 va见表 1。 2） 输送空气量 Qa。输送所需的空气量为 Qa Wa ρa （1 ） 式中Wa为输送所需空气质量，WaWs/m；Ws为 单位时间输送物料的质量； m 为固气混合比；ρa为空 气密度。 Qa Wa ρa Ws mρa （2 ） 图 1井下反循环取样装置的气力输送过程原理图 Fig．1Schematic diagram of pneumatic conveying process for reverse circulation sampling device in underground coal mine 106 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 2中心管内径为 21 mm 和 32 mm 时双壁钻杆横截面 Fig．2Double wall drill pipe cross sections with inner diameters of 21 mm and 32 mm 3） 混合比 m。混合比 m 的大小受物料的物理性 质、输送方式及输送条件影响，与输料管管径及长 度、 空气量等有关， 根据气力输送工程经验， 一般参 考数值为 ①低压压送式 1～10； ②高压压送式 10～ 40； ③流态化压送 40～80。 2．3双壁钻杆中心管内径的计算 由式 （1） 和式 （2） 可得中心管内径 D 为 D＝ 4Qa 60πva■ ＝ 4Ws 60πmρava■ （3） 1） 单位时间钻屑输送量估算。根据煤矿井下现 场实测和统计，选用 φ73 mm 宽叶片螺旋钻杆搭配 φ95 mm 直径钻头，钻杆的钻进速度约为 1 m/min， 取煤的平均密度为 1 300 kg/m3， 则 95 mm 孔径的钻 孔每分钟产渣量约为 9．21 kg。 假设钻头切削的钻屑 完全通过钻杆中心管输送，那么输送煤样的质量 Ws9．21 kg/min。 2） 低压输送方式时 D 取值。选择低压输送， 混 合比 m1～10。选择煤块为输送对象， 由表 1 可知， 褐煤块的沉降速度为 10．6～11 m/s， 常用输送气流速 度 18～40 m/s。根据上述参数最大值和最小值， 利用 式 （3） 分别计算中心管内管管径， 可得 ①m1， 低压 输送速度为 18、 40 m/s 时，对应的中心管内径为 91．8、 61．6 mm； ②m10, 低压输送速度为 18、 40 m/s 时,对应的中心管内径为 29．0、 19．5 mm。 3） 高压输送方式时 D 取值。选择高压输送， 混 合比 m10～40。将褐煤块的沉降速度和常用输送气 流速代入式 （3 ） 分别计算中心管内管管径， 可得 ① m10，高压输送速度为 18、 40 m/s 时，对应的中心 管内径为 29．0、 19．5 mm；②m40, 高压输送速度为 18、 40 m/s 时， 对应的中心管内径为 14．5、 9．7 mm。 4） 流态化输送方式时 D 取值。选择流态化输 送， 混合比 m40～80。将褐煤块的沉降速度和常用 输送气流速代入式 （3） 分别计算中心管内管管径， 可得①m40, 流态化输送速度为 18、 40 m/s 时,对 应的中心管内径为 29．0、 19．5 mm；②m80, 流态化 输送速度为 18、 40 m/s 时，对应的中心管内径为 10．3、 6．9 mm。 以 φ73 mm 宽叶片螺旋钻杆为例，钻杆外管基 材为符合国标的 φ63．5 mm R780 无缝钢管，壁厚 7．5 mm， 管内径为 48．5 mm， 因此， 无论选用上述哪 种输送方式， 中心管的外径均要小于 48．5 mm。 根据 前面所计算出的中心管内径，当混合比为 1 且低压 输送时， 计算结果均超出 48．5 mm， 因此该输送组合 予以剔除。同时， 由计算沿程阻力的达西公式可知， 管径 D 越小， 混合比 m 越大， 输送过程中摩擦压损 越大， 输送过程能量损失就越大， 为了实现输送， 势 必要提高气源的功率，而煤矿井下压风在不设置独 立式井下移动空压机的情况下， 压风能量有限， 因此 井下反循环取样亦不宜采用高混合比的输送方式。 对于流态化输送方式，因其需要将输送物料与空气 形成流化床， 而煤矿反循环取样钻具内空间狭小， 无 法形成流化床空间， 同时， 钻头剥落钻屑的方式， 注 定无法使压缩空气与钻屑预先混合， 也很难达到 10 以上的混合比，因此流态化输送方式同样不适用井 下反循环取样。通过以上筛选对比，结合煤矿井下 常用风压的全压范围为 0．6～0．8 MPa 的现状，煤矿 井下反循环取样的最适宜的输送方式应为混合比 m10 的低压或高压输送。在满足常用输送气流速 度 18～40 m/s、 同时降低中心管输送阻力的前提下， 中心管的内径范围理论计算值为 19．5～29．0 mm。另 考虑到系统一定的漏气量，以及计算和实际情况的 误差， 要求空气量 Qa留有一定的富余量， 一般实际 选用空气量为理论空气量的 1．1～1．2 倍，取富余系 数为 1．2，则钻杆中心管内径范围可修正为 21～32 mm。在保证强度和镶嵌密封圈的条件下， 选择标准 3 mm 壁厚的无缝钢管作为中心管的基体。对于外 径 73 mm、内径 48．5 mm 的普通螺旋钻杆，中心管 内径为 21 mm 和 32 mm 时双壁钻杆横截面如图 2。 3不同中心管尺寸的双壁钻杆取样性能试验 为了研究通过理论计算设计的不同中心管尺寸 的双壁钻杆取样性能，在实验室建立了 40 m 输送 距离的井下反循环取样仿真系统，试验对象分别是 中心管内径为 21 mm 和 32 mm 的双壁钻杆， 以大豆 作为仿真钻屑，实验室提供压缩空气的压力为 0．6 MPa。在取样仿真系统漏斗内同样给料 9 kg 大豆的 （a ） 内径 21 mm（b） 内径 32 mm 107 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 条件下，以中心管出口端 5 min 的取样质量作为 2 种中心管尺寸双壁钻杆取样性能好坏的评判依据。 不同中心管尺寸的双壁钻杆取样性能见表 2。 由表 2 可知， 2 种尺寸的中心管均能实现取样 输送，但在相同给料质量和取样时间内，中心管内 径为 32 mm 时， 取样质量更大。 分析可能的原因是， 中心管内径尺寸越大，输送过程的沿程阻力越小， 仿真钻屑更容易进入其中；而中心管尺寸较小情况 下，仿真钻屑更易进入阻力更小的双壁钻杆外壁和 仿真钻孔壁之间的环形间隙。 4结语 1） 煤矿井下反循环定点取样装置通过双壁钻杆 的中心管和矿井压缩空气将钻孔底部的钻屑输送至 孔口，从而实现定点取样，其本质是一种压送式气 力输送系统，通过气力输送工程计算可指导双壁钻 杆中心管截面尺寸的设计。 2 ） 根据气力输送理论， 结合煤矿井下压风实际 工况，得出中心管截面尺寸设计所需的关键参数为 输送气流速度和输送空气量。以 φ73 mm 宽叶片螺 旋钻杆搭配 φ95 mm 直径钻头为例，经气力输送计 算得出钻杆中心管内径的设计范围为 21～32 mm。 3） 通过实验室建立的井下反循环取样仿真系 统，分别模拟了中心管内径为 21 mm 和 32 mm 的 φ73 mm 宽叶片双壁螺旋钻杆的取样情况，试验表 明 内径为 32 mm 的中心管在相同给料质量和取样 时间内， 比内径为 27 mm 的中心管能够输送更多的 取样物料。原因在于， 中心管尺寸越大， 输送沿程阻 力越小， 孔底钻屑更易进入中心管进行输送。 参考文献 ［1］ 胡千庭， 文光才， 隆清明， 等．正负压联合栓流定点取 样装置 CN201210291852．1 ［P］ ．2012－08－16． ［2］ 胡千庭， 文光才， 隆清明， 等．复杂地层用双壁钻杆 CN201320030123．0 ［P］ ．2013－01－21． ［3］ 胡振阳．本煤层空气反循环钻具的研究及应用 ［J］ ．煤 炭工程， 2011 （4） 116－118． ［4］ 康建宁， 张睿， 胡杰．反循环取样技术在钻屑瓦斯解吸 指标 K1值测定中的应用 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （6） 60－63． ［5］ 胡杰， 韩承强， 隆清明， 等．深孔定点取样装置在中岭 煤矿的优化应用 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （11） 120． ［6］ 胡宝林， 蒋云．籽棉气力输送管道设计要点分析 ［J］ ．中 国棉花加工， 2018 （4） 15－17． ［7］ 陈志希， 陈厚通， 许向明， 等．粉粒体气力输送设计手 册 ［M］ ．北京 全国化工化学工程设计技术中心站， 2001． ［8］ 杨伦， 谢一华．气力输送工程 ［M］ ．北京 机械工业出版 社， 2006． ［9］ 张睿， 隆清明， 李建功， 等．取样钻头内嵌环形喷射器 喷嘴参数研究 ［J］ ．中州煤炭， 2014 （5） 77－80． ［10］ 张睿．煤矿井下反循环取样钻头外喷孔参数优化 ［J］ ． 煤矿安全， 2017， 48 （2） 101－104． 试验组数 5 min 取样质量/kg 中心管内径 21 mm中心管内径 32 mm 12．76．2 23．26．3 31．85．9 42．65．7 53．15．8 表 2不同中心管尺寸的双壁钻杆取样性能 Table 2Sample perance experiment of double wall drill pipe with different center tube sizes 作者简介 张睿 （1985） ， 山东泰安人， 助理研究员， 硕士， 2011 年毕业于山东科技大学，主要从事矿井瓦斯灾 害防治工作。 （收稿日期 2019-08-01； 责任编辑 李力欣） 108 ChaoXing