1 概述
无尘钻进的主要研究内容就是改变传统抽放钻孔施工过程中的排渣动力, 利用“负压”抽放的方式进行排渣, 即钻杆中利用负压进行排渣, 钻杆与钻孔壁之间利用正压进行进气。利用负压作为排渣动力, 钻屑是由钻杆内排出孔外, 钻杆与煤屑收集箱相连, 钻屑直接排到钻屑收集箱里, 也就是说钻屑基本是在密闭的系统中排出, 避免了利用动力、机械和双动力排渣而带来的钻屑外扬, 使得打钻过程中粉尘浓度大大降低, 改善劳动条件, 减少因粉尘带来的职业病;钻杆尾部的负压装置排气孔所排压力为“正压”, 这样就可以与矿上的抽放管路相连接, 在施工煤层钻孔时, 钻孔周围煤层中的瓦斯会随着负压管路直接被抽到抽放系统中, 这样就避免因打钻而造成的瓦斯超限问题。采用这种方法可以消除利用正压施工而带来的大量煤尘, 避免喷孔所带来的瓦斯超限及瓦斯异常涌出等问题。机械排渣是由于钻屑自身的重力、钻屑之间的黏滞力以及钻屑与叶片和孔壁之间的摩擦力等因素, 使得钻屑在叶片推动下挤压直线前进, 实现螺旋钻杆和钻孔之间形成一个“螺旋运输带”, 从而使得在钻进过程中煤屑能从钻孔中排出。动力排渣主要是风力排渣和水力排渣, 在施工钻孔的过程中, 在钻孔内注入压风或者动压水, 利用风压、水压的压力及煤体的自重, 将钻屑在钻杆与钻孔壁间排出孔外。双动力排渣除了是除利用动力排渣以外, 在光钻杆上刻螺旋槽, 或者利用三棱钻杆等技术进行混合排渣。
现在的这些排渣方式主要是通过“正压”的方式, 来排出钻孔的钻屑, 所以在施工钻孔的过程中煤尘比较大, 尤其在三软煤层中施工钻孔, 利用防尘网、细水雾等措施来降低煤尘, 但是效果仍然不好。特别是在具有自喷能力的煤层施工钻孔, 就是利用防喷装置仍然解决不了“喷孔”和“瓦斯积聚”等根本性问题。
1.1 负压无尘系统设计
该项技术主要应用在瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤体破坏类型高、煤体具有强自喷能力的煤层中, 采用直径94mm三翼钻头, 外径73mm, 内径45mm, 中空掏槽钻杆, 独立负压泵, 流量10m3/min, 负压60KPa, 采用多旋转少进尺钻进方式, 尽可能破碎煤体。负压无尘钻进技术是一项新技术, 对于瓦斯治理工作有重要作用。
1.2 气力输送临界风速的研究
气力输送的临界风速, 是指被输送的粉体颗粒仍能在输送气体中处于悬浮状态的最小气速, 它是选择输送气速的基础, 气速过低会造成输送困难甚至堵塞。由于气力输送过程中气固两相流体运动的复杂性和多样性, 无法从理论上对颗粒群的临界风速进行推导, 目前求取临界气速的关系式基本上全是经验和半经验公式。
要研究气力输送的临界风速, 首先要对气力输送最简单的一种形式即单颗粒圆球在气流中的运动进行分析, 它是研究整个气力输送过程的基础。其它更为复杂情况的流体动力特性, 都可以直接或间接地由单粒圆球的相应性质近似得到, 通过对单粒圆球进行修正的方法来获得相应的流体动力特性就成了必然的选择。对于直径为d的球形颗粒, 根据悬浮时空气动力与浮重相平衡的力学条件, 可推导出其自由悬浮速度的一般表达式:
国内外学者对多种固体颗粒进行了大量的工艺试验。Barth对小麦的临界输送进行分析研究, 提出达到水平输送临界气速时的弗劳德准数是固气比的指数函数。德国的Muschelknantz和Bohnet提出适用于粒径d>0.5mm, 固气比m<15的颗粒体物料的临界风速, 适用于牛顿阻力区和过渡区。日本池森教授等对小麦、菜籽、大豆、合成树脂进行试验, 得出固气混合比与最小风速的关系式, 适用于d>0.5mm, 固气比m<15的颗粒体物料。Duckworth和Matsumoto也提出了包括固气比、颗粒粒径、输送管道直径等影响因素在内的临界风速的经验公式。
表1中列出了预测临界风速的部分经验和半经验公式。其中, m为固气比;Fr为弗劳德准数;D为输送管道直径, m;upu为临界输送气速, m/s;其余符号同前。
1.3 顺层钻孔中风力排渣的最小风速研究
排渣风速是打钻工艺的关键参数之一, 风力排渣系统的成功设计和最佳运转, 取决于钻屑能否稳定地排出钻孔。最小排渣风速是指被输送的钻屑仍能在输送气流中处于悬浮状态的最小气速, 当空气流速低于此值时, 系统运行就会不稳定, 就可能出现钻屑沉积甚至堵塞钻孔;而排渣系统在过高的流速下运行会使动力消耗过大, 同时造成粉尘飞扬, 工作环境恶化。只有系统在最小风速下运行, 它的动力消耗才最小而效率最高。此处的最小风速是钻孔底部的风速, 如果在钻孔底部的风速可以使钻屑悬浮的话, 由于气体沿程膨胀, 气速增大, 使钻孔其余部分可在高于最小气速下排屑, 因此, 不致出现钻屑的沉降进而发生堵塞现象。
1.4 顺层钻孔气力排渣的压力损失
在风力排渣中, 气流和钻屑所消耗的各种能量, 均由气流的压力能量补偿, 因此要想顺利排出钻屑必须具备一定的压力风流。钻孔风力排渣的压力损失主要分为两部分:一是气体和钻屑的两相流在由钻杆外壁和钻孔壁组成的圆环状通道中产生的摩擦、钻屑悬浮提升和加速的附加压损;二是压力气体在钻孔风孔中产生的摩擦压损。风力排渣中固气比很小, 且圆环通道的水力直径相比风孔直径要大的多, 则在圆环通道中的压力损失很小, 因此风力排渣可以看为是低压输送, 在圆环通道中可不考虑气体密度的变化。而钻杆孔风孔中的气体流动则属于高压气力流动, 应按照可压缩流体来计算压力损失。
2 现场应用
应用地点选在十三矿己15-17-13031风巷, 己15-17-13031工作面位于己三采区的西翼第二区段, 东到沟里封断层, 西至己三皮带下山保护煤柱, 南、北两侧尚未有采面布置。该工作面可采走向2213m, 倾斜180m, 煤层倾角11~19°, 平均17°, 两巷标高在-580~-680m之间, 地面标高+82.0~+95m。主采煤层己15-17煤层, 厚度平均5.8m。工作面绝对涌出量为8~10m3/min, 瓦斯压力3.7MPa, 瓦斯含量11.53m/t, 瓦斯管理形式为突出管理。煤尘情况:爆炸指数为18.73%~22.46%, 自然发火期为1~3个月。据目前地质资料反映, 地质构造复杂, 断层发育。该地点具有代表性。选用MKD-5S型煤矿用全液压坑道钻机, 配套Φ73mm×1000mm圆钢。
3 实施效果对比分析
该项技术在平煤股份十三矿己15-17-13031风巷进行试验。该工作面在施工下向钻孔时, 易塌孔、卡钻, 地质构造复杂, 瓦斯含量较大, 根据初步调查, 每打2~3个钻孔, 就会出现一次比较严重的卡钻或抱钻现象, 严重影响打钻速度, 且出现喷孔现象, 易造成瓦斯超限和塌孔, 同时在打钻过程中, 产生大量的煤尘, 容易造成煤尘超限。
选用ZDY3200S型钻机施工, 配合无尘钻进系统, 安装相关设备, 测试效果, 调整参数 (钻头形状、钻杆直径及中孔大小) 完成试验。通过在同一工作面, 相同条件下的施工, 从打钻时产生的煤尘量、瓦斯最大值、钻孔成孔时间进行对比。如表2、表3所示。
通过以上数据进行对比分析, 采用无尘钻进技术打钻和普通方法打钻具有明显的优势。在同一工作面, 地质条件相同, 钻进深度相当的情况下, 打钻时产生的煤尘量与原来相比减少了25%, 瓦斯最大值与原来相比明显降低, 成孔时间与原来相比缩短了15%以上。同时, 采用此种方法打钻, 改善了工人的作业环境, 确保了安全生产。
4 结束语
通过理论应用分析、数值模拟和现场试验考察相结合的方法分析了无尘钻进的效果, 并通过在十三矿的应用与效果考察, 得到如下结论:
1) 经过现场实测, 这套无尘钻进设备可以满足高瓦斯区域实现无尘钻进深度不低于100m, 成孔率不低于70%;
2) 在打钻施工过程, 降尘率达到90%以上;
3) 满足单机日成孔不低于2个。
4) 经过数值模拟, 负压系统、钻头、钻杆可以完成吸粉的工作, 可以实现无尘钻进。
摘要：为了更好的解决防突打钻过程中引起煤尘及瓦斯超限问题, 改善工人作业环境, 确保安全生产, 对平煤股份十三矿施工顺层钻孔时的情况进行了分析, 利用“负压”抽放的方式进行排渣, 即钻杆中利用负压进行排渣, 钻杆与钻孔壁之间利用正压进行进气, 这样就避免因打钻而造成的煤尘及瓦斯超限问题。研究表明:采用此项施工技术, 产生的煤尘量得到了减少, 打钻时瓦斯浓度降低, 成孔时间有效缩短, 可以实现无尘钻进。
关键词：突出煤层,深孔钻进,除尘,防瓦斯