煤矿井下碎软煤层泡沫钻进技术及应用_冀前辉.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract 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 au- ger drill rod with the number of heads 3, the groove width 26 mm, and the pitch 110 mm were determined. A foam perfu- sion system suitable for underground coal mining was developed. Field test applications show that foam drilling tech- nique 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. Keywords foam drilling; gas drainage; efficient drilling cutting removal; auger drill rod 施工钻孔抽采瓦斯是防止瓦斯事故的有效手段， 在本煤层中直接施工钻孔具有有效进尺比例高、 抽采 效果好等特点，常被首选为瓦斯治理方法[1]。保证钻 孔轨迹在煤层中尽可能有效地延伸，进而提高瓦斯 抽采率，对保证煤层瓦斯治理效果、保障煤矿开采 安全，具有至关重要的意义[2-3]。我国煤矿煤层赋存 的地质条件复杂，受成因、地质构造等因素影响， 有相当数量的煤层坚固性系数 f≤0.5，煤质碎软、 易坍塌、构造复杂、瓦斯高富集，施工过程中经常 出现喷孔、垮孔等异常现象，容易发生孔内事故， 在这类碎软煤层中施工钻孔遇到巨大困难，其顺层 长钻孔施工一直是国内外没有很好解决的难题[4-6]。 中风压空气钻进技术提高了碎软煤层瓦斯抽采钻孔 成孔深度和成孔率，得到广泛的推广应用[7]，但是， 该技术本身存在一定的局限性空气作为冲洗介质 时，其钻进排粉能力有限；高速流动的粉尘污染钻 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 48 卷 场工作环境；在施工含水地层时，水与煤粉混合后 产生煤泥状钻屑，黏在钻杆周围，易造成卡钻、抱 钻。 为了提高煤矿井下碎软煤层钻进的工艺适应性， 采用泡沫替代空气作为冲洗介质，通过数值模拟研 究优化钻具结构参数，从而提高携、排粉能力，并 在淮北某矿 3204 工作面进行了现场试验， 提高了钻 进深度和排粉效果。 1 碎软煤层泡沫钻进工艺与装备 泡沫钻进是多工艺空气钻进技术方法之一，泡 沫是介于空气和清水之间的钻进冲洗介质， 在潮湿、 含水、漏水、水敏性强以及不稳定等地层中钻进具有 独特优越性，与采用泥浆、纯压缩气体作为冲洗介质 钻进相比，泡沫钻进具有以下几方面的特点[8-10]。 a. 携粉能力强，孔内净化效果好 泡沫流体 的携粉能力比空气的携粉能力大得多，孔内岩粉排 出彻底， 施工过程中能够避免孔底岩屑的重复破碎， 有利于延长钻头的使用寿命。 b. 冷却效果好 泡沫的热容量比纯气体的大， 冷却散热能力强，能够降低热量在钻头上的聚集， 有效避免烧钻。 c. 孔内事故少 泡沫钻进时泡沫流的上返速 度低，只有纯气体钻进时气体上返速度的十几分之 一，因此，对孔壁的冲刷扰动作用小，利于防止孔 壁出现力学性失稳。 充分考虑泡沫钻进工艺本身及具体应用环境的 特殊性，研究设计了煤矿井下用泡沫灌注系统，由 防爆空压机、泡沫液泵、泡沫发生器、气体流量计、 泡沫液体流量计及控制阀门、泡沫液罐、管件等组 成，如图 1 所示。防爆空压机产生的压缩空气与泡 沫液泵供应的泡沫剂溶液在泡沫发生器内混合后形 成稳定泡沫，经高压胶管、送水器进入钻杆内孔， 通过钻头水眼喷出后， 将煤粉携带出钻孔实现钻进。 进入泡沫发生器内的压缩空气体积流量由气体流量 控制单元来调节，借助气体流量计显示；分流的压 缩空气供给消泡器使用[11]。进入泡沫发生器的泡沫 剂溶液量由液体流量控制单元来调节，借助泡沫液 体流量计显示；分流的泡沫液返回泡沫液箱。泡沫 液泵的出口处设计了旁通管路单元，用于加接钻杆 时临时关停泡沫剂溶液的供给，避免频繁开关泡沫 液泵。 2 宽翼螺旋钻杆参数数值模拟 碎软煤层钻进时，煤质松软且瓦斯压力大，钻 进过程中需要在短时间内排出大量的煤粉，高效排 图 1 煤矿井下泡沫灌注系统 Fig.1 Perfusion system of foam drilling in underground coal mine 粉是实现碎软煤层钻孔成功的关键，钻井液钻井的 研究成果和现场经验都表明，增加循环介质的紊流 度对于解决井眼清洁问题有积极作用[8,12]。 在钻进回转过程中，常规外平钻杆旋转增加循 环化介质紊流度的作用有限，采用在钻杆外壁加工 有螺旋槽的整体式宽翼螺旋钻杆图 2， 能够有效提 高环空间隙的紊流度；同时，旋转的螺旋槽能够将 孔底沉积的煤粉搅起，使煤粉始终处于悬浮态或底 密流状态，然后在泡沫作用下将煤粉排出孔外[13]； 当遇到塌孔、埋钻致使排粉通道堵塞时，钻杆螺旋 槽形成螺旋输送带，将堵塞位置的煤粉扒动，使排 粉通道慢慢打开，实现正常钻进；其功能以搅粉为 主，排粉为辅[14]。 图 2 宽翼螺旋钻杆与常规外平钻杆 Fig.2 Wide-blade auger drill rod and outer flat drill rod 螺旋槽参数对于钻杆施工工程中的排粉能力具 有重要的影响[15]，以提高钻杆的搅粉能力为目标， 采用流体力学数值计算软件，对钻杆结构在泡沫流 体中的排粉能力进行数值模拟，以得到高效排粉的 优化结构参数。 结合碎软煤层钻孔常用钻具配比尺寸，建立泡 ChaoXing 第 2 期 冀前辉等 煤矿井下碎软煤层泡沫钻进技术及应用 27 沫钻进排粉环空间隙数值模型图 3， 其中钻孔直径 100 mm，钻杆直径 73 mm，钻杆长度为 1.5 m，采 用四面体网格，所有模型均采用相同的网格尺度进 行网格划分，网格数量为 600900 万。泡沫采用幂 律非牛顿流体模型Non-Newtonian-Power-Law，密 度取 500 kg/m3，入口流速取 0.6 m/s。 图 3 环空间隙数值模型 Fig.3 CFD model of borehole annulus 建立宽翼螺旋钻杆 DPM 离散相模型，选取头 数、螺宽和螺距结构参数进行数值分析。 2.1 头 数 当槽宽 B22 mm、 槽深 A5 mm、 螺距 L90 mm 时，分别计算头数 N1、2、3 的流场，分析排粉效 率随头数 N 的变化趋势图 4，确定头数 N。由图 4 可知，当螺旋槽的槽深、槽宽、螺距及转速一定时， 单头螺旋槽环空底部颗粒沉积现象严重，随着头数 的增加，环空上部风速逐渐降低，而环空下部的风 速逐渐增加，环空底部颗粒沉积现象明显改善。由 此可见，增加螺旋槽的头数能提高宽翼螺旋钻杆搅 粉能力，头数越多，环空底部空气速度越大，颗粒 的输送效果越好。 2.2 槽 宽 当头数 N3、 槽深 A5 mm、 螺距 L90 mm 时， 槽宽 B 分别选取 18 mm、22 mm、26 mm 进行计算， 分析排粉效率随槽宽的变化趋势图 5， 确定槽宽 B。 由图 5 可知，当螺旋槽头数、槽深、螺距及转速 一定时，槽宽越窄，环空底部颗粒沉积现象越严 重；随着槽宽的增加，环空底部的风速逐渐增加， 环空底部颗粒沉积现象明显改善。由此可见，增 加螺旋槽槽宽能提高宽翼螺旋钻杆搅粉能力，槽 宽越大，环空底部空气速度越大，颗粒的输送效 果越好。 2.3 螺 距 当头数 N3、 槽深 A5 mm、 槽宽 B22 mm 时， 螺距分别选取 70 mm、90 mm、110 mm、150 mm 进行计算，分析排粉效率随螺距的变化趋势图 6， 确定螺距 L。当螺旋槽头数、槽宽、槽深以及转速 一定时， 对不同螺距的速度场及颗粒分布进行模拟 得出图 6随着螺距从 70 mm 增加到 110 mm， 环空上部风速逐渐降低，而环空底部风速逐渐增 加，环空底部颗粒沉积现象逐渐改善；当螺距达 到 150 mm 时，环空底部风速降低，颗粒在环空底部 图 4 不同头数的速度场及颗粒分布 Fig.4 Velocity field and particle distribution at different helical head count 图 5 不同槽宽的速度场及颗粒分布 Fig.5 Velocity field and particle distribution at different blade width ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 6 不同螺距的速度场及颗粒分布 Fig.6 Velocity field and particle distribution at different drill pitches 沉积严重。由此可见，增加螺旋槽螺距在一定范围内 能提高宽翼螺旋钻杆搅粉能力，螺距越大，环空底部 空气速度越大，颗粒的输送效果越好，但超过一定的 临界值后，宽翼螺旋钻杆搅粉能力反而下降。 根据数值模拟结果，获得影响排粉效果的宽翼 螺旋钻杆结构参数，综合考虑加工难度，采用 N3、 B26 mm、L110 mm 作为宽翼螺旋钻杆的结构参 数，经过数控铣床的整体铣削、钻杆与接头摩擦焊 接等工序，生产出适合于泡沫钻进高效排粉的专用 宽翼螺旋钻杆。 3 现场试验 为验证泡沫钻进工艺及宽翼螺旋钻杆高效排粉 能力，通过开展现场钻进试验，分别对中风压空气 钻进工艺和泡沫钻进工艺进行对比。试验采用 ZDY3200S 型钻机、MLGF17/12.5-132G 型空压机、 3BZ-20/18 型泡沫液注入泵、泡沫灌注系统、宽翼 螺旋钻杆及复合片钻头等装备，采用 5‰K12 和 0.8‰田菁胶粉复配并加入 1.0‰HEC 稳泡剂作为泡 沫剂配方。 试验地点位于淮北某矿 3204 工作面， 该工作面 32煤层厚度 2.563.87 m，平均厚度 2.96 m，煤质松 软。采用中风压空气钻进技术，配套外平钻杆，钻 进深度 80100 m。以 1201 钻场 5 号孔为试验钻孔， 095 m 全段利用中风压钻进工艺配合外平钻杆施 工，施工过程中正常钻进孔内风压阻力小于 0.3 MPa， 供风体积流量为 4.25.4 m3/min，钻机回转阻力为 3.54.8 MPa；钻进至 95 m 时，多次出现钻机系统 压力异常升高、孔口反渣不畅等现象，更换泡沫钻 进系统，采用泡沫钻进工艺配合整体式宽翼螺旋钻 杆进行施工。在气液比 250︰1300︰1、泡沫液流 量 400700 L/h 的情况下，压缩空气体积流量控制 在 2.03.5 m3/min，试验过程中排粉顺畅，孔口返出的 泡沫均匀连续， 钻机回转压力明显下降小于 2.0 MPa， 与采用中风压空气钻进相比， 回转阻力降低了 42 48。钻进至 195 m 后，由于回风巷、机巷多个钻 场同时使用同一空压机风源，致使试验钻场内风压 偏低静压力约为 0.7 MPa导致泡沫不能顺畅地注 入孔内，试验持续约 1 h 左右风压始终没有明显提 高，未能形成连续泡沫液流，终孔提钻。 通过现场试验应用表明宽翼螺旋钻杆搅粉充 分，煤块经螺旋槽破碎明显；排粉通道畅通，在系 统风压的作用下可以将破碎的煤、 岩顺利排出孔外， 排粉效果好。相比于空气钻进深度 100 m 左右的钻 孔能力，在同一地层、相似地质条件下，采用泡沫 钻进配套整体式宽翼螺旋钻杆，一方面有效提高了 钻进深度，另一方面也达到了高效排粉的效果，从 而在施工中降低了回转阻力，取得良好的钻进施工 效果。但泡沫钻进工艺相对复杂，泡沫液流量和压 缩空气流量控制调节非常关键，对操作人员素质要 求较高，同时由于需要进行多个操作，钻进辅助时 间相对较长。 4 结 论 a. 通过流体动力学数值模拟，研究了宽翼螺旋 钻杆结构参数对泡沫钻进排粉效率的影响增加螺 旋槽槽宽和头数能提高宽翼螺旋钻杆钻进搅粉和排 粉能力；槽宽和头数一定时，螺距为 110 mm 时， 钻杆具有较好的排粉效果。 b. 结合钻孔的需求，设计了煤矿井下泡沫灌注 系统，优化了设计钻杆和泡沫钻进工艺。在淮北某 矿 3204 工作面开展了工业性试验，试验表明与中 ChaoXing 第 2 期 冀前辉等 煤矿井下碎软煤层泡沫钻进技术及应用 29 风压空气钻进相比，该系统使得钻机设备回转压力降 低超过 40，表明钻进旋转阻力小，排粉效果较好， 适合在碎软煤层中施工近两百米深度钻孔，且钻进过 程中孔口无粉尘，施工作业环境得到了极大改善。 c. 现场施工中，发现泡沫钻进系统所配备的设 备为独立布置，增加了操作的复杂性。后续应进一 步优化泡沫钻进工艺操作流程，改进灌注系统的流 量调控方式，简化操作程序。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 汪有刚. 高瓦斯矿井综放工作面瓦斯综合治理技术研究[J]. 煤炭工程，2018，5010106–108. 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