刘 勇1，2，梁博臣1,2，何 岸1,2，魏建平1,2，3
（1．河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室（省部共建国家重点实验室培育基地），河南焦作454000；2．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；3．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454000）
摘要：瓦斯预抽钻孔在抽放过程中经常出现塌孔、堵孔等现象。针对这一问题，提出采用自进式旋转钻头修复失效钻孔的新方法。其利用自进式旋转钻头后置喷嘴的喷射反冲力作为动力，自行至钻孔堵塞段处，前置喷嘴形成的高压水射流对堵孔煤渣进行破碎，将其与水混合返出孔外，实现清孔排渣、钻孔修复的目的。对自进式旋转钻头钻孔破煤清渣的临界射流压力及流量进行分析，基于摩擦动力学计算钻头自驱的临界射流压力，在此基础上设计钻头结构及优化喷嘴布置，数值分析不同喷嘴组合情况下射流速度分布，得出最优喷嘴布置方式。并应用于鹤煤八矿- 655轨道石门揭煤瓦斯预抽，实验结果表明：该方法能够实现失效钻孔的修复，并有效的提高了瓦斯抽采效果，缩短了瓦斯抽放时间。
关键词：水射流；钻孔修复；自进式旋转钻头；瓦斯抽采
中图分类号：X936 doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x. 2016. 02.007
0 引言
瓦斯抽采作为治理瓦斯突出及实现瓦斯能源综合利用的重要手段，其抽采效果与矿井的安全生产密切相关。近年来，随着矿井开采深度的不断增加，瓦斯抽采条件趋于复杂，如在高地应力、围岩裂隙发育地带及松软煤层中进行瓦斯抽采时，受地应力及外力扰动，钻孔中经常出现塌孔、堵孔等现象，导致瓦斯抽采通道堵塞，瓦斯抽采流量及浓度极低。针对这一问题，常用的方法是用钻机按照原钻孔参数进行重新钻孔。这种方法不仅耗时、成本高，而且受施工条件及设备能力限制，二次钻孔实际参数与原钻孔参数相差较大，容易造成串孔，增大瓦斯抽采难度。除此之外，采用负压吸出钻孔中煤渣、岩屑，该方法仅适用于颗粒较小的散落煤渣，无法排出塌孔造成的大块煤渣、岩块及煤泥。如何清除钻孔中岩屑、煤渣，恢复钻孔抽采能力，是保证钻孔高效使用、瓦斯高效抽采的重要前提。
综上所述，失效瓦斯钻孔修复技术的研究是目前煤矿瓦斯治理工作十分迫切的需求，为此本文研制了自进式旋转钻头钻孔修复装置及工艺，并对自进式旋转钻头的关键参数进行研究，同时将该工艺应用于鹤煤八矿- 655轨道石门揭煤瓦斯强化瓦斯预抽，验证相关理论，为煤层瓦斯钻孔修复技术提供新方法。
1 钻孔修复装置
自进式旋转钻头钻孔修复装置主要设备有三部分：高压水射流供水设备、高压水射流发生装备、高压水射流回水装备。如图1所示。
1.1 钻孔修复水力参数
煤渣破碎后与水流混合流出钻孔，为避免在输送过程中出现淤积造成二次堵孔，就需要对煤渣输送的临界不淤流速展开研究。煤渣水力输送临界流速的影响因素较多，如钻孔直径、浆体浓度等。近年来，众多学者针对不同的试验条件对临界流速计算公式进行了一系列的研究，但其结构形式和涉及参数均有较大的区别，至今没有统一。丁宏达教授提出的全浓度区临界流速计算公式能有效解决煤渣颗粒在一定浓度煤水混合物中的输送问题，并通过大量试验确定相应的系数，符合本文研究需要，且具有一定的精度。如式：
1.2 射流破渣压力
喷嘴出口射流流速计算公式为：
式中：p t为射流破渣水压，M Pa；q为射流体积流量，L/min；μ为喷嘴流量系数；d为喷嘴孔出口截面直径，mm。
高压水射流的工作压力根据喷嘴所建立的破渣水压减去破渣系统的压力损失得到，即p = p t - △p，其中，系统压力损失公式为：
式中：d0为高压输水软管直径，mm; Re为雷诺数，取11 165 q/d0。
钻头所用锥直型喷嘴流量系数为0. 95，采用25 mm高压软管，则可计算出沿程阻力损失为0. 009 M Pa/m，一般高压水泵距离试验地点50 m，结合本次设计修复深度为50 m，则沿程阻力损失为0.9 M Pa。
煤渣是由煤粉和不同粒径的煤体颗粒随机组成的，孔隙多而裂隙发育。射流破渣临界水压没有固定的公式，只能通过经验以及实验室试验，模拟几种煤渣构成，对其进行射流破碎。实验发现，当射流打击压力达到2M Pa时，能较好的完成破渣工作，则破渣水压为2.9M Pa。但考虑现场操作等因素的影响，为确保钻头可以畅通无阻，现场破渣水压应在10~ 15 M Pa。
2 自进式旋转钻头技术参数研究
2.1 自进式旋转钻头自进力
自进式旋转钻头作为整套修复装置的关键，其利用反向喷嘴的反冲力使钻头产生自进力，从而驱动系统完成自主推进。如图2所示，对于系统来说，由于正反两个方向的径向、切向力必须保持平衡，因此正向切割喷嘴反冲力的轴向分量是阻力，反向喷嘴反冲力的轴向分量是动力，在不考虑摩擦的情况下，自进力就是这两组喷嘴轴向力的合力，但在实际使用中，还应考虑摩擦力的影响。
式中：F1为反向喷嘴轴向反冲合力；F2为正向喷嘴轴向反冲合力f为系统总摩擦阻力。
钻孔修复系统靠钻头喷嘴射流反冲力克服整个系统的摩擦阻力向前推进，但随着推进深度的增加，参与推进的高压输水胶管长度也逐渐增加，系统所受的摩擦阻力也越来越大。
根据钻头开始工作时的初始条件和终止工作时的最终速度为零的情况，对上式进行积分，可得自进式旋转钻头的运动方程：
由以上的分析可以得出，当钻头速度为零时钻进停止，此时钻头修复的深度达到最大值，根据此条件可以得到最大修复深度的表达式：
2.3 喷嘴布置方式
喷嘴作为破渣清孔的执行元件，其结构的合理与否，直接关系到清孔排渣效果的好坏，好的喷嘴设计不但能提高工作效率，还能有效避免射流设备功率的浪费。
2.3.1 正反喷嘴的当量直径计算
自进式旋转钻头既要完成破渣工作，又要实现自身旋转完成扩孔工作，因此钻头的设计应该遵循多个喷嘴协同工作的原则。由于射流破渣压力和沿程压力损失的计算都是针对单喷嘴直径展开的，因此就应该把多喷嘴直径转化为当量直径。当量直径的计算公式为：
式中：d为多喷嘴的当量直径；d n为第n个喷嘴的直径。
由式(3)计算可得喷嘴的当量直径d约为6.7 mm。结合本次设计钻孔修复深度为50 m，由式(11)可得：
式中：F反为反向喷嘴喷出射流反冲力；a为反向喷嘴倾角；F中为正向中心喷嘴反冲力，F外为正向外环喷嘴射流反冲力；β为正向外环喷嘴倾角；y为正向外环喷嘴偏角。
2.3.2 反向喷嘴布置方式
反向喷嘴除了提供反冲力拖动胶管使钻头向前推进外，还能对返流中的大粒径煤渣进行进一步的破坏。受限于水道分流，一般可设置2、3或4个反向喷嘴，其参数及布置方式如表1所示。
从理论上讲，这几种布置方式在性能上不会有任何差异，但其实际使用效果，还需要通过相应的实验进行验证。为了探究喷嘴不同布置方式下钻头推进的效果，杨博凯通过对反向喷嘴三种布置方式的钻头在自制煤样中的钻进过程的试验中发现，3个喷嘴组合的布置方式钻头的稳定性最好，因此确定为最优布置方式。
2.3.3 正向喷嘴布置方式
正向喷嘴的个数直接关系到钻头水道速度场、压力场的分布，是射流完成破渣工作的关键。段新胜在对环形喷嘴射流泵结构参数的实验研究中发现，对于一定尺寸的射流泵，当喷嘴的数量超过6个时，射流在较大流量比时性能逐渐变差。针对本钻头设计尺寸，外环喷嘴数目以不超过4个为佳，布置方式如图3所示。
根据上一节对喷嘴当量直径的分析，可得喷嘴参数如表2所示。
理论上这几种布置方式没有什么区别，通过实验验证存在较多的不确定因素，本文拟选用Fluent数值模拟软件对几种喷嘴的射流情况进行模拟，遴选出最优喷嘴布置方式，其优选分析将在下一节中具体介绍。
2.4 正向喷嘴布置方式数值模拟优选
喷嘴布置方式决定流体的流动方式，通过分析水流在喷嘴内外的速度场分布规律，对不同布置方式的喷嘴进行优选。
2.4.1 几何模型的确定
模拟的实验情况为自进式旋转钻头在水平钻孔中通过高压水射流经过喷嘴破渣。为简化模型，将其划分为三个部分：主水道、喷嘴和计算区域，同时不考虑钻头前部旋转对冲击煤渣效果的影响，如图4所示。由于模型规则且简单，采用结构化网格进行划分。
2.4.2 模拟结果与分析
模拟参数设定如下：
多相流模型：VOF模型；湍流模型：标准k--Ɛ模型；入口边界：入口边界条件设定为pressure-inlet，大小设定为10 M Pa；出口边界：出口定义为pressure-outlet，由于其大小是相对于大气压力而言的，因此设定为0；壁面边界：除靶物、出入口外，其他的边界条件设定为固壁。
为实现喷嘴射流的速度流场分析，通过对靶距为5mm时3种喷嘴布置方式的射流速度场的分布规律进行对比，选取最优布置方式。见图5。
由图5可得出以下结论：1)射流扩散度：在射流能量一定的情况下，射流的扩散越小，射流与空气间的能量转化也就越少，射流作用于煤渣的能量也就越多。如图所示，5喷嘴布置方式的射流扩散度明显小于3喷嘴和4喷嘴，能量损失最少。
2)有效打击面积：钻头端面由中心喷嘴和外环喷嘴组成，每个喷嘴都有相对固定的有效打击面积，当所有喷嘴有效打击面积叠加在一起就是喷头作用面积，喷头破渣面积的大小决定破渣效率。射流完成破渣的压力为2 M Pa，由式(2)可计算出射流破渣的流速为63. 21m/s以上，因此，射流速度只有大于该速度区间才能有效完成破渣工作，才能称为有效打击面积。由图可以看出，5喷嘴布置方式的射流有效打击面积大于3喷嘴和4喷嘴。
3)打击力：由图可以看出，在靶距5 mm时，3种喷嘴布置方式的射流最高速度分别为130、134、136 m/s。5喷嘴布置方式的射流速度高于其他两个，根据射流在空气中的衰减规律，其在喷嘴出口处速度也高于3喷嘴和4喷嘴。由式P=pv2，可计算出，5喷嘴布置方式的射流打击压力最大。
综上所述，5喷嘴布置方式为自进式旋转钻头前置喷嘴的最优布置方式，能更好的完成清孔排渣工作。
3 现场试验研究
3.1 试验地点
试验地点选择在鹤煤八矿- 655水平轨道石门，具体的位置如图6所示。矿井的瓦斯地质资料和现场实测数据表明，轨道石门处煤岩破碎严重、煤质松软、透气性差且埋深较深，导致瓦斯预抽孔塌孔现象严重，瓦斯抽采浓度低、抽采量小，大大增加了瓦斯预抽时间和难
度，导致石门揭煤时间长。并且，煤层透气性系数差，导致钻孔抽采效果差，影响矿井的正常生产。
3.2钻孔修复试验
试验过程中，对抽采效果较差的钻孔采用自进式旋转钻头进行修复。为了验证钻孔修复效果，对采取自进式旋转钻头修复技术和未采用情况下的瓦斯抽采情况进行检测，检测结果如图7、8所示：
如图7、8所示，采用自进式旋转钻头钻孔修复技术的钻孔瓦斯抽采浓度和抽采流量有显著的提高。经数据统计，未采取钻孔修复情况下，瓦斯抽采浓度平均为8. 19%，而采取钻孔修复的钻孔，瓦斯抽采浓度为17. 08%，提高了2.09倍；瓦斯抽采流量方面，未采取钻孔修复情况下平均为0. 47 m3/min，而采取钻孔修复的钻孔为1. 29 m3/min，提高了2.74倍，达到了清孔排渣、卸压增透的目的，大大提高了瓦斯抽采效率，有效缩短了揭煤时间。
4 结论
1)对自进式旋转钻头修复装置技术参数进行研究，通过计算煤渣水力输送临界流速，确定高压水泵的额定流量为150 L/min；结合钻头的结构设计对其喷嘴布置方案进行分析，并通过试验和数值模拟对钻头正反喷嘴的几种布置方式进行优选，确定3个张角为120，直径为2.2 mm的喷嘴组合为最优的反向喷嘴布置方式，1个直径1 mm的中心喷嘴和4个倾角200、偏角150、直径1.5mm的外环喷嘴的组合为最优的反向喷嘴布置方式。
2)通过现场钻孔修复试验，瓦斯抽采浓度提高2. 09倍，瓦斯抽采流量提高2.74倍，大大提高了瓦斯抽采效率，有效缩短了揭煤时间。
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