聶 超，王 毅，姚亞峰,，洪建俊

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，碎軟煤層占比50%以上，隨著煤炭開采向更深部發(fā)展，這一比例將會越來越大[1-2]。這類煤層存在煤體破碎、滲透性低、瓦斯壓力大等特性，鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)噴孔、塌孔和卡鉆等孔內(nèi)事故，導(dǎo)致鉆孔成孔率低、成孔深度淺[3-5]。目前，碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔主要采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)、空氣套管鉆進(jìn)技術(shù)和高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)等進(jìn)行施工，但因以上技術(shù)均無法精確控制鉆孔軌跡，導(dǎo)致鉆孔易穿出煤層進(jìn)入頂?shù)装?，難以達(dá)到設(shè)計孔深[6-8]。在碎軟煤層分布的兩淮礦區(qū)，抽采鉆孔多數(shù)采用對穿鉆孔來實現(xiàn)貫穿工作面，條件更復(fù)雜成孔困難的煤層只能施工專用底抽巷道，并在底抽巷內(nèi)向上部煤層鉆進(jìn)大量底板穿層鉆孔來抽采瓦斯，大幅增加了鉆孔的工作量和抽采成本，降低了抽采效率，嚴(yán)重影響碎軟煤層礦區(qū)瓦斯抽采效果[9-12]。針對目前碎軟煤層鉆孔難、鉆孔深度淺等問題，筆者借鑒套管護(hù)孔原理，結(jié)合中風(fēng)壓空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)，研究雙動力雙管定向鉆進(jìn)裝備與技術(shù)，以實現(xiàn)碎軟煤層長鉆孔鉆進(jìn)。碎軟煤層鉆孔煤粉量大、煤粉排出困難是制約碎軟煤層成孔效率、成孔深度的重要因素[13-15]。因此，研究煤粉在環(huán)空通道內(nèi)的分布與運移規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。

雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)采用雙通道排粉，其煤粉運移屬于氣固兩相流氣力輸送問題，關(guān)于煤粉的輸送特性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。楊洪雷等[16]對煤粉在不同輸送管徑內(nèi)的輸送過程進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬；王巍等[17]采用電容成像技術(shù)研究了氣速、煤粉流量等因素對管道內(nèi)煤粉流動形態(tài)的影響；方薪暉等[18]對煤粉氣力輸送管道壓降進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬研究，獲取了相應(yīng)的最小壓降、經(jīng)濟(jì)氣速以及壓降變化規(guī)律。目前煤粉在單通道內(nèi)的輸送特性已有較深入的研究，但對于煤粉在雙通道環(huán)空內(nèi)的輸送過程鮮有研究。煤粉在雙通道環(huán)空內(nèi)的排出受孔深、孔徑、鉆具結(jié)構(gòu)尺寸、套管轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、鉆屑粒徑及形狀等多參數(shù)耦合影響[19-23]，其中套管、套管鉆頭尺寸和套管轉(zhuǎn)速的改變將直接引起排渣通道面積及氣體流場分布的變化，進(jìn)而影響煤粉的排出效率。為此，筆者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，研究套管、套管鉆頭尺寸及套管轉(zhuǎn)速對煤粉在雙管環(huán)空通道內(nèi)分布和運移規(guī)律的影響，為現(xiàn)場鉆具的選配和套管轉(zhuǎn)速的選擇提供依據(jù)。

1 雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備

雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)綜合了空氣定向鉆進(jìn)和雙管鉆進(jìn)的技術(shù)特點，依托雙動力頭雙管定向鉆機(jī)可以分別驅(qū)動套管和定向鉆具，復(fù)合夾持器可分別夾持套管和鉆桿，且具備卸扣功能，采用中間自動加桿方式，可以自動同時加裝套管和鉆桿。該鉆進(jìn)技術(shù)分為定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩個工藝過程。定向鉆進(jìn)時，鉆桿動力頭帶動鉆桿、無磁鉆具、螺桿馬達(dá)、底擴(kuò)式鉆頭等鉆具，以螺桿馬達(dá)為碎巖動力進(jìn)行滑動定向鉆進(jìn)，同時套管動力頭旋轉(zhuǎn)帶動套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。復(fù)合鉆進(jìn)時，鉆桿動力頭帶動鉆具組合正向復(fù)合鉆進(jìn)，此時套管動力頭帶動套管以較低轉(zhuǎn)速反向回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)，鉆機(jī)及鉆具連接示意如圖1 所示。交替采用定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)，以實現(xiàn)跟管護(hù)孔和連續(xù)定向鉆進(jìn)。終孔后，先將鉆桿從套管內(nèi)提出，套管暫時留在孔內(nèi)，然后從套管內(nèi)通孔下入篩管，完成后將套管提出，篩管留在孔內(nèi)終孔。

圖1 雙管定向鉆進(jìn)系統(tǒng)Fig.1 Double pipe directional drilling system

煤粉的輸送過程如圖2 所示，空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體作為動力和攜粉介質(zhì)通過進(jìn)氣通道在定向鉆頭處釋放，在鉆桿與套管及套管與孔壁構(gòu)成的環(huán)空間隙內(nèi)形成高速風(fēng)流，將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的煤粉輸送至孔外。

圖2 雙管定向鉆進(jìn)排渣過程Fig.2 Slag removal process of double pipe directional drilling

2 雙管定向鉆進(jìn)煤粉運移規(guī)律數(shù)值模擬

歐拉?歐拉多相流模型將顆粒相看作是和氣相互相滲透的連續(xù)介質(zhì)，且兩相有各自的處理方式，計算精度高，對于描述氣體?煤粉非均勻氣固兩相流能夠達(dá)到良好的模擬結(jié)果。筆者采用此模型對通道環(huán)空內(nèi)的流場特征進(jìn)行分析，研究煤粉在雙通道內(nèi)的運移規(guī)律。

2.1 幾何模型建立

雙管定向鉆進(jìn)時，煤粉由套管的內(nèi)外雙通道排出，過程十分復(fù)雜，而進(jìn)氣通道對壓縮氣體的摩擦阻力較小，也不攜帶煤粉，從實用性和成本出發(fā)，將流場入口設(shè)定在套管鉆頭位置、流場出口設(shè)置在鉆孔孔口，煤粉輸送模型如圖3 所示。

圖3 煤粉輸送模型Fig.3 Pulverized coal conveying model

2.2 數(shù)學(xué)模型

氣動雙管鉆進(jìn)攜粉屬于氣固兩相流的氣力輸送問題，在此過程中，湍流及旋流運動非常常見。Realizablek-ε湍流模型中考慮到了湍流漩渦、圓柱擾流，尤其適用于包含了旋流、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動以及二次流等問題方面的模擬[24-25]。筆者采用旋流修正的Realizablek-ε模型對鉆進(jìn)的流場進(jìn)行模擬。

式中：k為湍流動能，J；ε為湍流耗散率；ρ為流體密度，kg/m3；ui、uj分別為流速分量(i，j分別為坐標(biāo)方向)，m/s；μ為分子黏度，Pa·s；μt為湍流黏性系數(shù)；xi、xj為坐標(biāo)分量(i，j分別為坐標(biāo)方向)；v為運動黏性系數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項；Gb為浮力引起的湍流動能產(chǎn)生項；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率影響；Sk和Sε為自定義源相；C1為模型系數(shù)；η為平均應(yīng)變率張量模量；Eij為時均應(yīng)變率；C1ε、C2、C3ε、σε、σk為模型常數(shù)，其默認(rèn)值分別為C1ε=1.44，C2=1.9，C3ε=0.8，σε=1.2，σk=1.0。

2.3 模擬參數(shù)選定

1)煤粉參數(shù)的選擇

選取祁南煤礦井下碎軟煤層鉆進(jìn)施工現(xiàn)場返出煤粉作為試樣，測得煤粉顆粒密度為1 350 kg/m3，流場內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)為0.04%，并對孔口返出的煤粉進(jìn)行粒徑分析，由于仿真需要設(shè)定固定的粒徑值，加權(quán)平均后作為煤粉粒徑仿真選擇依據(jù)，見表1。

表1 煤粉試樣粒徑分布加權(quán)值Table 1 Weighted values of particle size distribution of sampled pulverized coal

2)邊界條件的設(shè)置

結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，氣體風(fēng)量為600 m3/h；煤粉顆粒流速為0.6 m/s。煤粉顆粒在進(jìn)口和出口位置采用Escape 邊界條件，固體壁面位置采用Reflect 邊界條件，徑向速度反彈系數(shù)為0.5，切向速度反彈系數(shù)為0.9。

杜家臺分洪工程由漢江進(jìn)洪閘（杜家臺分洪閘）、行洪道、蓄洪區(qū)（漢南泛區(qū)）和長江泄洪閘（黃陵磯閘）等部分組成，是漢江中下游唯一的分洪控制工程，同時又被國務(wù)院確立為長江中游12個重點分蓄洪區(qū)之一。該工程自1956年4月建成至今已運用21次（分洪運用19次，分流運用2次），累計分泄?jié)h江超額洪水196.68億m3，有效地改善了漢江下游的防汛緊張局面。該工程在歷次運用中，按實測洪峰水位與推算洪峰水位比較，降低仙桃站洪峰水位0.6～3.0 m，為保障漢江下游和武漢市的防洪安全發(fā)揮了巨大作用，防洪效益十分顯著。

2.4 數(shù)值模擬過程與結(jié)果分析

2.4.1 套管及套管鉆頭尺寸對煤粉運移的影響

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗和現(xiàn)有裝備，選擇?73/36 mm鉆桿為內(nèi)鉆桿，分別設(shè)計了3 種不同尺寸的套管及套管鉆頭，套管尺寸分別為?114/90、?120/96、?127/102 mm，套管鉆頭尺寸分別為?133、?140、?148 mm。套管轉(zhuǎn)速為40 r/min 時，模擬不同的套管鉆頭與套管組合對雙通道內(nèi)煤粉輸送規(guī)律的影響，其工況見表2。

表2 套管鉆頭與套管組合方案Table 2 Casing bit and casing combination scheme 單位：mm

雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)采用雙通道排渣，煤粉在雙螺旋鉆桿內(nèi)的排出過程十分復(fù)雜，內(nèi)外鉆桿旋轉(zhuǎn)方向不同，煤粉在通道內(nèi)的輸送軌跡如圖4 所示，部分煤粉顆粒(紅色)沿逆時針方向從內(nèi)外鉆桿環(huán)空形成的內(nèi)通道排出,部分煤粉顆粒(藍(lán)色)沿順時針方向從外鉆桿和孔壁形成的外環(huán)空通道排出。不同尺寸的鉆具配合會形成不同的環(huán)空通道，進(jìn)而影響通道內(nèi)環(huán)空流場的分布和煤粉的輸送效率。

圖4 雙通道煤粉軌跡Fig.4 Dual-channel pulverized coal trajectory

雙管鉆進(jìn)時煤粉的排出率是指出口處煤粉顆粒數(shù)與進(jìn)口處顆粒數(shù)比值，它是檢驗鉆桿攜粉能力的重要指標(biāo)，對不同套管鉆頭和套管9 種組合工況下煤粉顆粒排出效果進(jìn)行數(shù)值模擬，煤粉顆粒從孔口排出率如圖5 所示。不同鉆具組合下煤粉的排出率差距較大，最低42.8%，最高可達(dá)98.4%，工況3 和工況7 的煤粉排出率都低于50%，工況3 外環(huán)空通道面積太小，紊流大，煤粉容易沉積堵塞；工況7 外環(huán)空通道面積較大，引起氣體流場速度較小。工況2、5、9 的煤粉排出率均可達(dá)到80%以上，其中?120/96 mm 套管與不同套管鉆頭配合均有較高的煤粉排出率。

圖5 煤粉排出率Fig.5 Pulverized coal discharge rate

不同鉆具配合工況下，兩通道環(huán)空截面面積也不同，這也將影響通道內(nèi)煤粉顆粒的輸送速度。出口截面處煤粉顆粒的輸送速度監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示。對于同一套管，內(nèi)環(huán)空通道截面積不變，隨著套管鉆頭尺寸的增加，其顆粒速度逐漸降低；對于同一套管鉆頭，隨著套管尺寸的增加，內(nèi)環(huán)空通道截面積增大，外環(huán)空通道減小，顆粒的輸送速度逐漸增大。由此可知，煤粉主要由內(nèi)環(huán)空通道排出。

圖6 煤粉顆粒輸送速度Fig.6 Conveying speed of pulverized coal particles

分析煤粉排出率和煤粉顆粒的輸送速度可知，盡管隨著內(nèi)通道截面積的增加，顆粒的運輸速度增加，但外環(huán)空面積的減小，導(dǎo)致煤粉的排出率降低，因此，選擇合適的鉆具組合才能保證煤粉高效輸送至孔外。當(dāng)套管為?120/96 mm、套管鉆頭為?133 mm 和?140 mm時，煤粉排出率和顆粒輸送速度較高，可以為后續(xù)模擬和現(xiàn)場試驗提供參考。

2.4.2 套管轉(zhuǎn)速對煤粉運移的影響

雙管定向鉆進(jìn)過程中套管動力頭旋轉(zhuǎn)帶動套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，套管轉(zhuǎn)速的變化將改變環(huán)空間隙內(nèi)流場分布，引起紊流，且煤粉顆粒在螺旋鉆桿的回轉(zhuǎn)作用下將被揚起，從而提高了煤粉顆粒的懸浮程度，進(jìn)而影響煤粉的排出效果。選擇?120/96 mm 套管和?133 mm、?140 mm 套管鉆頭組成2 種鉆具組合進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬工況見表3。

表3 套管鉆具與轉(zhuǎn)速組合方案Table 3 Casing drilling tool and rotational speed combination scheme

煤粉懸浮率是指煤粉在環(huán)空通道內(nèi)被揚起顆粒數(shù)與總顆粒數(shù)的比值，對不同工況下煤粉顆粒懸浮數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，結(jié)果如圖7 所示，轉(zhuǎn)速的變化對2 種鉆具組合下煤粉懸浮程度有相似的影響。對于?140 mm 套管鉆頭與?120/96 mm 套管組合，當(dāng)轉(zhuǎn)速從20 r/min 變化到40 r/min 時煤粉懸浮率從68.2%提高至88.4%。繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速時，煤粉懸浮率開始下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至120 r/min 時，煤粉懸浮程度降低至18.6%。由此可知，在轉(zhuǎn)速較低時，增加轉(zhuǎn)速可以減少煤粉的沉積，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值時，轉(zhuǎn)速的增加會減少煤粉的懸浮程度，對煤粉的排出起負(fù)面影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，內(nèi)外螺旋鉆桿的螺旋槽能及時將煤粉揚起，減少煤粉的沉積，當(dāng)套管轉(zhuǎn)速過快時，煤粉可能未能及時進(jìn)入螺旋槽，在重力的作用下，一直向鉆孔底部沉積。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下的煤粉懸浮率Fig.7 Pulverized coal suspension rate at different rotational speeds

套管轉(zhuǎn)速對不同煤粉顆粒軌跡的影響如圖8 所示，左側(cè)為孔口，煤粉顆粒隨壓縮氣體在孔底生成，一部分煤粉顆粒沿逆時針做螺旋運動從內(nèi)通道輸送至孔口，一部分煤粉顆粒沿順時針做螺旋運動從外通道輸送至孔口。轉(zhuǎn)速在20～60 r/min 時，大部分煤粉顆粒能在螺旋鉆桿的帶動下被揚起，而當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至120 r/min 時，極少部分煤粉沿孔底被輸送至孔外。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下煤粉顆粒的輸送軌跡Fig.8 Conveying trajectory of pulverized coal particles at different rotational speeds

通過研究套管轉(zhuǎn)速對煤粉懸浮程度和煤粉顆粒輸送軌跡的影響，在現(xiàn)場施工時，應(yīng)盡量保證套管轉(zhuǎn)速維持在20～60 r/min，以減少煤粉的沉積，保證煤粉高效輸送至孔外。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 工程地質(zhì)概況

祁南礦位于安徽省宿州市，井田位于淮北煤田東南緣，工作面采用走向條帶方式開采，自然垮落法管理頂板，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗鉆場位于31采區(qū)313 風(fēng)巷，鉆孔施工鉆遇地層為32煤。32煤堅固性系數(shù)f=0.30～0.46，平均厚度2.8 m，多含0～1 層泥巖夾矸，平均厚度0.27 m；瓦斯壓力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t。32煤層頂板巖性為泥巖，深灰色，致密塊狀，性脆，含大量植物碎片，局部為粉砂巖，厚度為8.5～12.8 m。底板為灰黑色-灰色泥巖，裂隙發(fā)育，含長條狀植物化石碎片，局部夾一層厚約0.2 m 的炭質(zhì)泥巖。

3.2 試驗配套設(shè)備及施工方案

試驗鉆孔施工配套設(shè)備主要包括ZDY6000-3000LDK 型雙管定向鉆機(jī)、隨鉆測量系統(tǒng)、流量計、空氣壓縮機(jī)、?73 mm 空氣螺桿馬達(dá)、?73 mm 無磁鉆桿、?73 mm 整體式大通孔螺旋鉆桿、?90 mm 定向鉆頭、?105 mm 底孔鉆頭、?133 mm 套管鉆頭、?140 mm套管鉆頭、?120 mm 螺旋套管等。

雙管定向鉆進(jìn)試驗鉆孔施工鉆具組合為：①內(nèi)鉆具組合：?90 mm 定向鉆頭+?105 mm 底擴(kuò)鉆頭+?73 mm風(fēng)動螺桿馬達(dá)+?73 mm 配套鉆桿+大通孔送風(fēng)器；② 外套管鉆具組合：?120/96 mm 套管+?133 mm 或?140 mm 套管鉆頭，套管與套管鉆頭如圖9 所示。

圖9 螺旋套管與套管鉆頭實物Fig.9 Physical drawing of spiral casing and casing bit

設(shè)計采用雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)施工4 個順煤層定向長鉆孔，終孔孔深250 m，各鉆孔鉆進(jìn)參數(shù)見表4。

表4 鉆進(jìn)參數(shù)Table 4 Drilling parameter table

3.3 試驗結(jié)果及分析

鉆進(jìn)總進(jìn)尺830 m，最大孔深252 m，套管最大跟進(jìn)深度162 m，并記錄不同孔深時的返風(fēng)量，見表5。在鉆進(jìn)過程中隨著鉆進(jìn)深度的增加，孔口返風(fēng)量逐漸減小，施工至外通道孔口不返風(fēng)時，采用單管定向鉆進(jìn)。1 號鉆孔采用?133 mm 套管鉆頭施工，施工至78 m 處，外環(huán)空間隙未見壓縮氣體和煤粉返出，提鉆終孔，提出套管后發(fā)現(xiàn)套管外壁有大量煤泥，分析可能是煤層含水量大，且套管與孔壁環(huán)空間隙較小，未能及時將煤粉排出。2、3、4 號鉆孔利用?140 mm 套管鉆頭在不同的套管轉(zhuǎn)速下施工至外環(huán)空通道不返風(fēng)不返煤粉，此時套管回轉(zhuǎn)壓力大，停止套管跟進(jìn)，采用單管鉆進(jìn)至終孔。與?133 mm 套管鉆頭相比，?140 mm 套管鉆頭鉆進(jìn)距離大幅增加，利用?140 mm 套管鉆頭鉆進(jìn)時，當(dāng)套管轉(zhuǎn)速從20 r/min 增加至40 r/min 時，套管跟進(jìn)距離明顯增加，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速時，套管跟進(jìn)深度開始減小，與數(shù)值模擬工況基本吻合。

表5 鉆孔參數(shù)Table 5 Drilling parameters

4 結(jié) 論

a.不同尺寸的套管與套管鉆頭組合時，煤粉的排出率和運移速度差距較大，其中?120/96 mm 套管與不同套管鉆頭配合均有較高的煤粉排出率；出口處煤粉顆粒的輸送速度隨著環(huán)空截面積的增大而減小，但孔徑一定時，煤粉顆粒的輸送速度隨著內(nèi)環(huán)空截面積的增大而增大。

b.螺旋套管轉(zhuǎn)速的變化將改變環(huán)空間隙內(nèi)流場分布，引起紊流，并將煤粉揚起；轉(zhuǎn)速較低時，增加轉(zhuǎn)速可以減少煤粉的沉積，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值時，轉(zhuǎn)速的增加會對煤粉的排出起負(fù)面影響，現(xiàn)場施工時應(yīng)盡量保證套管轉(zhuǎn)速維持在20～60 r/min。

c.現(xiàn)場試驗表明，采用?140 mm 套管鉆頭鉆進(jìn)時相比?133 mm 套管鉆頭，能大幅提升套管鉆進(jìn)深度，更適用于雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)；利用?140 mm 套管鉆頭鉆進(jìn)時，套管轉(zhuǎn)速對煤粉排出效果的影響與數(shù)值模擬結(jié)果較吻合，驗證了模擬的合理性與準(zhǔn)確性。