張金寶

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

目前，國內(nèi)煤礦井下開采深度不斷增加，地質(zhì)條件也愈加復雜，松軟突出煤層日益增多，瓦斯突出危害已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素[1-2]。施工瓦斯抽采鉆孔對預(yù)開采煤層瓦斯進行抽采消突是解決瓦斯危害直接而有效手段，但是煤礦井下的復雜地層尤其是松軟煤層或松軟突出煤層，由于煤層松軟、破碎，極易引起坍塌、堵塞等孔內(nèi)安全事故，破壞了孔壁的完整性；或是瓦斯壓力聚積后突然釋放，其攜帶的大量煤粉顆粒阻塞鉆孔，均會破壞瓦斯的抽采通道，造成瓦斯抽不出或抽采量減少[3-5]。完孔后下篩管護孔技術(shù)是解決裸眼完孔抽采通道易堵塞，提高瓦斯抽采效果的有效手段[6]。

采用篩管護孔起到了較好地保持瓦斯抽采通道暢通的作用，目前已成為煤礦井下瓦斯抽采孔完孔護壁的主要方法[7-8]。但是煤礦井下瓦斯抽采用篩管普遍采用常規(guī)的圓形篩眼，在實際使用中會出現(xiàn)煤粉穿過篩眼堵塞抽采內(nèi)通道，從而影響抽采效果的問題[9]。對于割縫篩管在石油開采的防砂中有大量應(yīng)用，取得很好的采油防砂效果，而在煤礦領(lǐng)域，僅在地面煤層氣井的抽采中見有少量的研究，未在煤礦井下瓦斯抽采中開展相關(guān)理論及試驗研究[10-12]。由于煤粉是散體顆粒，屬于非連續(xù)體，因此無法用傳統(tǒng)工程流體力學的方法進行分析研究，而離散元法可以很好地解決此問題，在涉及到散體力學的許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[13-15]。因此，本文采用PFC3D離散元軟件對常規(guī)圓孔篩管和改進的割縫篩管的煤粉通過性進行了模擬，對比分析了篩眼直徑、割縫寬度和割縫長度等參數(shù)對煤粉顆粒通過篩管性能的影響規(guī)律，研究了割縫篩管與常規(guī)圓孔篩管在煤粉通過體積量上的差異，并優(yōu)化了割縫篩管的割縫參數(shù)。參考模擬分析結(jié)果，選取三種割縫篩管和一種圓孔篩管進行了煤礦井下瓦斯抽采對比試驗，通過對比實際抽采效果，研究篩管的割縫型式和尺寸參數(shù)對抽采通道的煤粉抗堵性能，為瓦斯抽采篩管的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 煤粉顆粒流數(shù)值分析

1.1 PFC3D模型建立與參數(shù)匹配

數(shù)值模擬中的所有篩管均采用煤礦井下雙抗U-PVC 管，外徑25 mm，壁厚2.9 mm。其規(guī)格設(shè)計為兩種類型：一種為圓孔篩管，如圖1a 所示，孔徑4～10 mm；一種為矩形割縫篩管，如圖1b 所示，縫長20～60 mm，縫寬2～6 mm，割縫長度方向與篩管長度方向平行。

離散元法中通過對顆粒的幾何參數(shù)、接觸特性等進行賦值取得顆粒流模型介質(zhì)的宏觀力學性質(zhì)。在巖土工程中，常采用三軸壓縮試驗來匹配顆粒賦值參數(shù)，而煤粉顆粒性質(zhì)類似于砂土，粘聚力很小，無法通過三軸試驗進行賦值，因此采用PFC3D中的滑動模型來進行模擬，顆粒微觀參數(shù)取值采用煤粉的天然休止角模擬試驗進行匹配。具體過程為：在現(xiàn)場收集了鉆孔排粉的煤粉試樣，測得其物性參數(shù)和顆粒級配，根據(jù)取得的煤粉試驗參數(shù)生成相應(yīng)級配的顆粒模型，并不斷調(diào)整顆粒的微觀參數(shù)進行模擬天然休止角試驗，最后取顆粒模型與天然煤粉相同的天然休止角對應(yīng)的顆粒參數(shù)值，做為相應(yīng)的顆粒微觀參數(shù)取值，顆粒的微觀物理參數(shù)為：法向粘結(jié)強度145 Pa，切向粘結(jié)強度130 Pa，法向剛度108N/m，切向剛度108N/m，圍壓1.0 MPa，摩擦因數(shù)1.0，密度1400 kg/m3。墻體的微觀物理參數(shù)為：法向剛度1010N/m，切向剛度1010N/m。

1.2 煤粉顆粒通過性能分析

在模型內(nèi)部生成具有一定級配的顆粒，模擬篩管周圍煤層，按隨機位置將顆粒在區(qū)域內(nèi)填充，通過循環(huán)來消除試樣內(nèi)部非均勻應(yīng)力；然后以伺服控制邊界墻體的方法對模型在x，y，z三個方向施加應(yīng)力，分別代表煤粉在原有地應(yīng)力作用下的應(yīng)力。初始化所有顆粒的速度、位移均為0；將割縫(圓孔)處墻體刪除，繼續(xù)進行循環(huán)計算，并改變相關(guān)參數(shù)，研究顆粒在縫隙中的通過性能。

在圍壓(1 MPa)相同的情況下，通過改變篩眼直徑、割縫寬度、割縫長度，分別得到篩眼直徑4～10 mm、割縫寬度在2～6 mm、割縫長度20～60 mm的煤粉通過篩眼(割縫)顆粒體積，并計算100 mm2等效過流面積下的顆粒通過體積，分別如圖2a、b 所示，顆粒的微觀參數(shù)取值見1.1。

由圖2a可以看出，穿過篩眼或割縫的顆粒體積隨著篩眼直徑或割縫寬度和長度的增大而增大，對于圓孔篩管，穿過篩眼的顆粒體積呈指數(shù)增長趨勢；對于割縫篩管，穿過割縫的顆粒體積隨著割縫寬度和長度的增大基本呈線性增大趨勢。由圖2b可以看出，在等效過流面積下，對于圓孔篩管，煤粉顆粒通過體積量雖然隨著篩眼直徑變化有一定波動，但其增長趨勢基本隨篩眼直徑呈線性關(guān)系；對于割縫篩管，煤粉顆粒通過體積量隨割縫寬度和割縫長度的增大均呈線性增大趨勢。

通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出，對于割縫篩管，改變割縫寬度對篩管煤粉顆粒通過體積量的影響要大于改變割縫長度；對于圓孔篩管，改變篩眼直徑對于篩管煤粉顆粒通過體積量的影響要較割縫篩管更為顯著。在保證篩管過流面積一樣的前提下，對于圓孔篩管，可采用小孔徑的篩眼來減少煤粉通過量，但同時會使篩眼數(shù)量呈指數(shù)增加；對于割縫篩管，為保證通過割縫的煤粉體積量不致過多，應(yīng)采用較小的割縫寬度和割縫長度為宜，同時考慮PVC 篩管其本身強度有限，易在地應(yīng)力作用下使割縫產(chǎn)生閉合，割縫寬度不宜小于2 mm，割縫長度由20 mm 增加到30 mm 過程中，煤粉通過量變化很小，100 mm2等效過流面積下的煤粉通過量反而有所減少，割縫長度超過30 mm 后煤粉通過量又顯著增加，因此可選擇寬度2 mm，長度30 mm 割縫作為最優(yōu)割縫。

圖2穿過篩眼(割縫)的顆粒體積隨篩眼直徑、割縫參數(shù)的變化關(guān)系

2 瓦斯抽采對比試驗設(shè)計實施

2.1 試驗點地質(zhì)概況

試驗地點為陽泉寺家莊煤礦15117工作面回風巷，施工煤層為15號煤層，煤層厚度約5.5 m，局部煤層有波狀起伏，傾角一般4°～13°，整體傾角7°。工作面揭露一條向斜。頂板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，含少量砂質(zhì)，節(jié)理發(fā)育，含苛達葉化石，下部夾薄層FeS2，底板黑灰色砂質(zhì)泥巖，含菱鐵礦條帶，底部為層面夾有炭質(zhì)，逐步變?yōu)槟鄮r。

15號煤層結(jié)構(gòu)較復雜，一般含矸2～3層，塊狀及粉狀，以鏡煤為主，其次為暗煤，工作面的煤層較為穩(wěn)定，傾角變化明顯，局部存在撓曲，煤質(zhì)碎軟，瓦斯含量較高。

2.2 試驗配套設(shè)備及鉆具

2.2.1 鉆機

試驗采用中煤科工集團西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY3000LG型履帶式全液壓坑道鉆機(圖3)。該鉆機是一種特別適于螺旋鉆進的高轉(zhuǎn)速鉆機，其整機質(zhì)量為6700 kg，額定轉(zhuǎn)矩3000 N·m，額定轉(zhuǎn)速800 r/min，主軸可實現(xiàn)±90°傾角，具有技術(shù)性能先進、工藝適應(yīng)性強、搬遷方便、安全可靠等優(yōu)點，適用于煤礦井下小直徑瓦斯抽放孔及其它工程孔的施工。

圖3 ZDY3000LG型履帶式全液壓坑道鉆機

2.2.2 鉆桿、鉆頭

采用?100/63.5-28 mm大通徑寬葉片螺旋鉆桿(圖4)，提高排粉效率。鉆頭采用一字鉸接型內(nèi)芯可開閉前置式鉆頭。該鉆頭結(jié)構(gòu)由空心鉆頭體、中心活動翼片、鉸接銷、定位彈簧銷、外圓切削齒、內(nèi)芯切削齒、保徑齒、反切削齒等組成，如圖5所示。

圖4 大通徑寬葉片螺旋鉆桿

1-空心鉆頭體；2-中心活動翼片；3-鉸接銷；4-定位彈簧銷；5-外圓切削齒；6-內(nèi)芯切削齒；7-保徑齒；8-反切削齒

2.3 篩管設(shè)計

2.3.1 篩管選材

篩管的管材選用適合煤礦井下使用的聚氯乙烯管，并添加抗阻燃抗靜電成分加工成礦用雙抗PVC管。其主要性能參數(shù)為：公稱直徑25 mm、壁厚2.9 mm、公稱壓力1.0 MPa、單位管重0.375 kg/m，具有抗靜電、阻燃性好、安全性高、耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛用于煤礦井下抽放瓦斯、正負壓通風等領(lǐng)域。

2.3.2 篩管結(jié)構(gòu)

結(jié)合模擬分析結(jié)果，篩管共設(shè)計4種結(jié)構(gòu)，其中3種割縫篩管，一種圓孔篩管，每種結(jié)構(gòu)的單根篩管過流面積均相同。第一種(圖6a)縫寬6 mm，縫長18 mm，呈相位120°交錯布設(shè)，共3排，相鄰割縫沿管長間距50 mm；第二種(圖6b)縫寬2 mm，縫長30 mm，呈相鄰交錯對穿布設(shè)，相位90°，相鄰對穿縫間距60 mm，共4排，同排相鄰間距120 mm；第三種(圖6c)縫寬3 mm，縫長20 mm，呈相鄰交錯對穿布設(shè)，相位90°，相鄰對穿縫間距60 mm，共4排，同排相鄰間距120 mm；第四種(圖6d)為圓孔型篩眼，孔眼直徑10 mm，呈相位120°交錯布設(shè)，共3排，相鄰割縫沿管長間距40 mm。

圖6 篩管結(jié)構(gòu)

2.4 試驗鉆孔布置及篩管下入情況

現(xiàn)場試驗從2016年11月9日早班開始，鉆孔施工截止日期2016年12月11日，抽采截止至2017月1月10日，累計施工鉆孔58個，累計進尺7021.5 m。其中下篩管鉆孔數(shù)20個，鉆孔深度為120～178 m，單排布孔，水平鉆孔間距3 m，累計進尺2844.5 m。每種型式篩管分五孔下入，總長度600 m，4種規(guī)格篩管共計2400 m，每孔封孔段采用直管，封孔長度9 m，20孔共計180 m，平均下管長度達到總孔深的90.7%。具體鉆孔及篩管下入情況見表1。

3 瓦斯抽采對比試驗數(shù)據(jù)分析

將抽采瓦斯篩管分為4個抽采組，第一組為6 mm×18 mm割縫篩管，第二組為2 mm×30 mm割縫篩管，第三組為3 mm×20 mm割縫篩管，第四組為?10 mm圓孔篩管。篩管全部下入后進行集中抽采，分別記錄抽采當天、7、15、21及30 d的各孔抽采數(shù)據(jù)并進行匯總分析如圖7所示。

表1 鉆孔及篩管下入明細

第一組瓦斯孔抽采至15 d時，1-2號孔出現(xiàn)抽采中斷，瓦斯?jié)舛冉禐?，判斷1-2號篩管抽采通道已被煤粉堵塞；抽采至30 d時，混合氣平均流量為0.2 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?6.8%/孔。第二組瓦斯孔除2-1號孔抽采至21 d因封孔問題出現(xiàn)停檢外，其余4孔抽采正常，至30 d時平均混合氣流量為0.325 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?5%/孔。第三組抽采至21 d，3-2號孔出現(xiàn)抽采中斷，瓦斯?jié)舛冉禐?，判斷3-2號篩管抽采通道已被煤粉堵塞；抽采至30 d時，混合氣平均流量為0.2 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?5.6%/孔。第四組抽采至21 d時4-2、4-3號孔出現(xiàn)抽采中斷，瓦斯?jié)舛冉禐?，抽采至30 d，除4-4號孔外，其余4孔均出現(xiàn)抽采中斷，混合氣平均流量為0.04 m3/min/孔，瓦斯?jié)舛绕骄抵?2.8%/孔。

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，割縫篩管抽采30 d后，平均抽采流量0.24 m3/min/孔，平均抽采濃度49.1%/孔，分別是常規(guī)圓孔篩管的6倍和3.8倍。其中，第二組瓦斯孔抽采效果相比最好，5孔中除了1個孔因封孔問題抽采中斷外，其余孔抽采30 d后平均混合氣流量和濃度均較其余組孔要高，這說明瓦斯抽采通道仍維持較好，未出現(xiàn)嚴重堵塞現(xiàn)象，采用2 mm×30 mm割縫型式防堵效果最好。第一組和第三組孔均有1個孔在抽采過程中出現(xiàn)篩管抽采通道堵塞現(xiàn)象，至抽采30 d后，第三組平均混合氣流量和瓦斯?jié)舛容^第一組高，這說明第三組篩管抗堵性能較優(yōu)。第四組瓦斯孔至抽采30 d后已出現(xiàn)4孔堵塞現(xiàn)象，為4組篩管中堵塞現(xiàn)象最嚴重，這說明采用?10 mm圓孔型式篩管抗堵效果相對最差。

圖7瓦斯抽采數(shù)據(jù)

結(jié)合上節(jié)模擬分析結(jié)果來看，在這4種篩管割縫型式中，2 mm×30 mm 割縫煤粉通過體積量最小，3 mm×20 mm 割縫和6 mm×18 mm 割縫依次增大，?10 mm 篩眼通過煤粉體積量最大，現(xiàn)場抽采試驗基本驗證了模擬分析的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)就總體趨勢來說，割縫篩管的煤粉通過量要小于同等過流面積的圓孔篩管，圓孔篩管篩眼直徑在4～10 mm時煤粉通過量分別是2 mm×30 mm割縫篩管的12～33倍。

(2)對于割縫篩管，割縫寬度對煤粉通過量的影響要大于割縫長度，綜合考慮割縫篩管材料性能和瓦斯抽采過流面積的需要，對于?25 mm瓦斯抽采管將割縫參數(shù)設(shè)定為2 mm×30 mm，煤粉通過量達到最小。

(3)通過4種型式的篩管現(xiàn)場抽采試驗結(jié)合模擬分析，煤粉通過量越小的篩管，其抗堵性能越優(yōu)，瓦斯抽采效果也越好，而割縫篩管整體上抽采效果優(yōu)于常規(guī)圓孔篩管，表明采用割縫型式的篩眼布置方式可有效提高抗堵性能，更好保持瓦斯抽采通道的暢通。