气动式底板钻机多相耦合排渣机理及应用_石蒙.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 随着煤炭开采强度的加大，煤矿开采深度持续 增加，我国很多煤矿已经进入深部开采，高应力作 用下巷道围岩多数具有软岩特征[1]， 随之而来的是 巷道底鼓现象日益突出。现今治理巷道底鼓最为有 效的方法是底板锚杆 （索） 支护[2-3]。然而， 底板锚固 孔钻进效率低、成孔难的问题严重制约着底鼓治理 技术的应用与发展。 排渣困难是造成底板锚固孔成孔困难的主要原 因。目前， 底板钻孔主要的排渣方式有 3 种 ①螺旋 钻杆排渣， 典型的是风煤钻搭配麻花钻杆钻进， 在底 板为煤层时成孔效率较高， 但在岩层中钻进能力差， 适用范围较窄； ②冲洗液排渣， 多用于辅助全液压动 力头式钻机钻进， 有正循环和反循环 2 种排渣方式， 应用效果较好[4-5]， 但此类钻机大多造价高、 体积质 量大、 灵活性较差； ③高压风排渣， 气动式钻机普遍 采用此种方式排渣， 高压风既作为冲击钻头的动力， 又作为排渣动力， 排渣能力略弱于冲洗液排渣， 但气 动式钻机设备轻巧， 操作简单， 灵活性较高， 故应用 较为广泛。 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.025 气动式底板钻机多相耦合排渣机理及应用 石蒙 1， 2， 蒋 威， 郝登云1， 2 （1．天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013； 2．煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013； 3．中国矿业大学 （北京） 能源与矿业学院， 北京 100083） 摘要 针对气动式钻机在煤矿巷道底板排渣效率低、 成孔困难的问题， 基于两相流态变化进行 了气-液-固多相耦合排渣机理分析，并从钻渣运移动力路径的角度对成孔困难原因进行阐释。 结果表明 在底板水影响下， 孔内先后经历 “静态-泡状流-段塞流-环空雾流” 等两相流态， 约 75的钻渣在泡状流与段塞流阶段以较快速率排出，剩余钻渣需在环空雾流阶段以较低效率缓 慢排出； 底板水侵蚀引发的孔口外扩是成孔困难的主要原因。结合益新煤矿-250 机道石门底板 锚固工程实际， 提出了 “套管束流” 排渣法并优化了原钻孔工艺， 现场应用效果良好。 关键词 气动式钻机； 巷道底板； 锚固孔； 排渣机理； 多相流理论 中图分类号 TD41文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0110-04 Multiphase Coupling Deslagging Mechanism and Application of Pneumatic Floor Drilling Machine SHI Meng1,2, JIANG Wei, HAO Dengyun1,2 （1.Coal Mining 2.Coal Mining Research Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;3.School of Energy and Mining, China University of Mining and Technology（Beijing） , Beijing 100083, China） Abstract In view of low slag discharge efficiency and hole-ing difficulty problem of pneumatic drilling machine in coal mine roadway floor, multiphase flow pattern change in drill-hole during slag discharge process has been analyzed based on two-phase flow pattern change. Meanwhile, reasons that cause hole-ing difficulty have been analyzed from the point of moving force path of drilling slag. The results show that two-phase pattern change, such as “static - bubble flow - slug flow - annular fog flow” were successively experienced in the hole, about 75 of drilling slag is discharged at a faster rate during the bubble and slug flow stages, while the remaining drilling slag should be discharged slowly in the stage of annular fog flow with low efficiency; external expansion of drill-hole caused by water erosion is the main factor leading to drilling failure. Based on the engineering practice of -250 cross-hole in Yixin Coal Mine, the “casing beam”deslagging is proposed correspondingly and the original drilling technique is optimized, and the field application effect is good. Key words pneumatic drilling machine; roadway floor; anchor hole; deslagging mechanism; multiphase flow theory 基金项目中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资 助 项 目 （2018- TD- MS027） ； 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2017YFC0804305） 110 1,2,3 1,2,3 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 为了提高气动式底板钻机排渣效率和成孔率， 结合流体力学基本理论和多相流理论对钻孔排渣机 理进行分析， 并基于益新煤矿-250 轨道石门底板锚 固工程实际对应提出了提高排渣效率和成孔率的技 术措施， 应用效果良好。 1气动式底板钻机工作模式 气动式底板钻机的主体结构包括操作装置、 固 定装置、 回转装置、 推进装置、 冲击器以及机架。钻 机的固定、 回转、 推进、 冲击均由高压风流驱动， 经 操作台进行远程控制。在工作时，利用固定装置将 机架固定于巷道顶底板之间，由推进装置推动回转 装置及冲击器上下作业，此过程中，冲击器带动钻 头的冲击以及回转装置带动钻头的旋转剪切共同作 用于底板岩层， 达到破碎岩石的目的。另一方面， 高 压气流通过钻头处的出气孔喷出，带动钻渣经钻杆 与孔壁之间的间隙排出孔外，使钻头可以始终冲击 新鲜岩面并减少钻孔内钻渣数量以避免卡钻现象的 出现， 钻机排渣路线如图 1。 排渣问题是导致气动式底板钻机成孔困难的主 要因素，在较大程度上阻滞了其应用与发展。深入 了解气动式钻机排渣机理对于提高底板锚固钻孔成 孔效率，加快底板锚固工程进度以及提高工程质量 具有重大意义。 2多相耦合排渣机理分析 当钻孔达到一定深度时，底板水由孔壁周边渗 入钻孔， 此时的排渣问题为高压气体 （气相） 为排渣 动力、 底板水 （液相） 为输送介质、 钻渣 （固相） 为运 移目标的气-液-固三相问题。为了简化问题， 将底 板水与钻渣合归为水渣混合液 （液相） ， 在气-液两 相流态分析的基础上， 对气-液-固三相状态排渣机 理进行分析。 根据管道倾角、 直径、 气体和液体流动速率以及 二者的物理性质等因素，可将气-液两相流动状态 分为层流、 段塞流、 环空雾流、 雾状流以及分散泡状 流等流态[6]。排渣过程中气-液两相流态变化示意图 如图 2, 图 2 中横坐标为时间 t，纵坐标为管道含气 率 α。 当高压气流由钻头出气口进入环空管道后， 水 渣混合液在气流推动下不断从孔口溢出，相应的排 渣阻力不断减小， 气流速度逐步加大， 此过程中， 环 空管道任一截面内的两相流态逐步经历了图 2 的流 态变化。 随着时间的推移，排渣过程中管道含气率经历 了加速增长、 稳定快速增长和缓慢增长 3 个阶段， 相 应的管道内两相流态变化由静态依次转化为泡状 流、段塞流和环空雾流，结合国内外学者研究成果 和两相流理论， 对各流态描述如下 1 ） 静态。在没有扰动的情况下， 水渣混合液处 于静态， 钻渣在重力作用下沉积于管道下方。 2 ） 泡状流。当气体的表观速度较小时， 在管道 内作为分散的气泡流动。管道下方的钻渣在气泡扰 动下上浮， 并逐渐与水混合形成水渣混合液， 气泡推 动下孔口处液体缓慢溢出， 当管道内含气率达到 αtf 时， 泡状流向段塞流转换。Caetano 同心圆环实验数 据表明， αtf≈0.2[7]。 3） 段塞流。随着气流速度逐渐增大， 气泡尺寸 开始增加并形成段塞气泡，水渣混合液在段塞气泡 图 2排渣过程中气-液两相流态变化示意图 图 1气动式钻机排渣路线示意图 111 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 3多相状态 （环空雾流） 下钻渣运移路径 的推动下由孔口涌出，且在涌出过程中因排渣阻力 不断降低，涌出速度也不断加快。综合国内外学者 实验数据可知，段塞流向环空雾流转换的临界含气 率 αtf≈0.75[8]。 4） 环空雾流。经过泡状流、 段塞流阶段， 大部分 液体已排出钻孔， 剩余液体约 25） 以波浪形的液 膜方式在高速气流的牵引作用下沿孔壁和钻杆向上 运动，缓慢流出钻孔，孔壁液膜厚度总是大于钻杆 液膜厚度[9]， 在管道中间， 微小的球状液滴在高速气 流的夹带下呈雾状向上运动。 由排渣过程中气-液两相流流态变化过程可 知在气流通道贯通之前，排渣动力主要为高压气 泡的推动力 （泡状流、 段塞流） ， 约 75的水渣混合 液可在此阶段快速排出；当气流通道贯通之后， 流 态转换为环空雾流，排渣动力变化为高速气流的牵 引力， 剩余 25的水渣混合液在高速气流牵引力作 用下缓慢向孔外运移，使含气率 α 值逐渐趋近于 αte， αte1。 3钻渣运移动力路径分析 在底板钻孔作业时，排渣动力与钻渣重力相向 且平行于钻孔轴向，在没有外力干扰下，钻渣仅能 依靠孔口处的散逸风流运出孔外，这为排渣工作造 成了较大困扰。 排渣过程中， 在流态达到环状流之前， 水渣混合 液在高压气体的推动下从孔口周边溢出，流态达到 环状流后，水渣混合液在高速气体的牵引下以蠕动 方式出离孔口。然而， 当底板较为松散时， 水流会对 孔壁尤其是孔口造成严重侵蚀。水渣混合液向孔口 四周涌出以及排渣动力消失后的回流过程中，会对 孔口处松散底板反复冲刷使其逐渐外扩，多相状态 （环空雾流） 下钻渣运移路径如图 3。 外扩形孔口为钻孔排渣带来了极大困扰，在外 扩孔口处， 靠近外扩孔壁的气体流速 vs趋近于 0， 对 水渣混合液的牵引力极小，此时水渣混合液主要依 靠运动惯性和后方液体的推挤向孔外运移，惯性消 失后即在重力作用下折返流入钻孔，由于摩擦阻力 不同，钻渣的运移明显滞后于水，会出现水体在外 扩孔口处反复冲刷，钻渣聚积于图 3 钻渣滞留区的 现象。 此时孔口不断外扩， 形成恶性循环。 当停止供 风，排渣动力消失后，滞留区和孔壁上的钻渣以及 冲刷孔口形成的岩渣一同回返孔底，大量淤积于钻 头处， 导致卡钻。因此， 此时仅能依靠泡状流、 段塞 流阶段高压气泡的推动排渣，但可排出的钻渣为定 值 （约 75） ， 当钻孔内钻渣过多时， 剩余钻渣无法 在环空雾流阶段排出，卡钻现象无法避免。此即气 动式钻机底板锚固孔成孔困难的主要原因。 4工程应用 4.1工程概况 益新煤矿三水平-250 轨道石门在多年的使用 过程中已开展多次巷道复修工程，巷道围岩较为破 碎，底板下方 1.5 m 以内为松散层， 1.52.5 m 范围 内砂岩底板裂隙发育， 2.5 m 以深底板较为完整， 相 邻废弃巷道老空水不断通过岩层裂隙渗入，造成其 底板含水量较大的现状。 目前正在进行的-250 轨道 石门底板锚注加固工程， 设计锚索长度 5.3 m， 成孔 后放入锚索并进行封孔注浆， 浆液凝固后张拉锚索， 设计预紧力 190 kN。 使用 ZQJJ-200/1.8 型气动架柱 式钻机进行锚固孔钻进作业， 钻杆外径 50 mm， 钻头 直径 76 mm。 在早期试验的钻孔作业中， 2 m 以内钻进速度 较快， 钻渣排出顺利； 钻至 2 m 后底板水渗入钻孔， 排渣出现困难，且底板水对孔口的反复冲刷使孔口 不断扩大， 钻渣在外扩孔口处徘徊而无法排出， 一般 钻进至 34 m 即出现卡钻现象， 前期试验的 6 个钻 孔仅成孔 1 个， 成孔时间 110 min， 且外扩孔口直径 最大可达 500 mm， 封孔难度极大。 4.2提高排渣效率及成孔率的技术措施 为了提高益新煤矿-250 机道石门富水松散底 板锚固孔排渣效率和成孔率， 提出以下对策 1 ） “套管束流” 排渣。为了防止孔口外扩、 控制 成孔直径、提高排渣效率和成孔率，提出“套管束 112 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 流” 排渣方法， 主要分为以下 2 步 ①在钻孔内见水 之后， 将长为 1.5 m， 直径 80 mm 的铁皮套管下入钻 孔（因松散层孔壁外扩现象，实际钻孔直径大于钻 头直径） ， 保护孔口处松散底板以及出口段 1.5 m 孔 壁不受水流冲刷影响；②将沙袋围绕套管填充于钻 机底座与钻孔周边底板之间，仅留一侧排渣通道， 束缚并引导排渣风流，将其由向钻孔四周散溢的状 态变为向钻孔一侧高速涌流的状态，减少排渣动力 损耗， 提高排渣效率， 同时， 在排渣通道侧挖掘导水 通道，通入巷旁排水沟，防止已排出水渣混合液向 钻孔回流。 2 ） 施工工艺优化。原钻孔工艺在钻进过程中同 时进行排渣作业，因气动式钻头在工作状态时风能 损耗较大， 排渣效率低下。为了提高钻成孔效率， 增 加排渣环节，钻进一定距离后向上略微提钻使钻头 脱离工作状态，然后进行冲孔排渣作业，由于钻进 过程中水渣混合液已充分搅拌，风压可直接增至额 定风压，钻孔内两相流态达到环空雾流状态后， 保 持风压 1 min 以上， 至孔口无明显出渣时即可停止。 4.3应用效果 将 “套管束流” 排渣方法和优化后的施工工艺应 用到现场锚固孔作业后，极大提高了排渣效率和成 孔率， 基本解决-250 机道石门富水松散底板成孔困 难的问题，底板锚固工程得以顺利推进。在施工过 程中，有效避免了孔口外扩现象，钻孔成孔率达到 80以上， 成孔时间在 50 min 左右。因此， 采用 “套 管束流”排渣方法搭配优化施工工艺可以有效提高 气动式底板钻机排渣效率， 解决成孔困难问题。 5结语 1 ） 气动式底板钻机具有设备轻巧， 操作简单， 灵 活性较高等优点，在底板水影响下高压气体排渣效 率较低是制约其广泛应用的主要原因。 2 ） 底板钻孔排渣过程中， 高压气流与水渣混合 液两相流态依次经历了“静态-泡状流-段塞流-环 空雾流”等状态，经历过段塞流阶段后，剩余约有 25的钻渣需要在环空雾流阶段依靠高速气流的牵 引力缓慢向外排出，虽然此阶段排渣效率较低， 却 是预防卡钻现象的必要过程。 3） 受底板水侵蚀引发的孔口外扩现象是成孔率 低下的主要原因。 为了提高益新煤矿-250 机道石门 富水松散底板锚固钻孔的排渣效率和成孔率，基于 多相流排渣分析和钻渣运移动力路径分析，提出了 “套管束流” 排渣方法和优化钻孔施工工艺， 应用效 果良好。 参考文献 ［1］ 康红普， 牛多龙， 张镇， 等．深部沿空留巷围岩变形特 征与支护技术 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2010， 29 （10） 1977－1987． ［2］ 康红普， 王金华， 林建．煤矿巷道锚杆支护应用实例分 析 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2010， 29 （4） 649－664． ［3］ 鞠文君．我国煤矿锚杆支护技术的发展与展望 ［J］ ．煤 矿开采， 2014， 19 （6） 1－6． ［4］ 冯友良， 刘栋梁．巷道顶板锚固孔钻进动力响应特性 模型试验 ［J］ ．地下空间与工程学报， 2016 （S2） 525. ［5］ 冯友良， 鞠文君， 焦建康， 等．巷道底板锚固孔钻进泵 吸反循环排渣数值试验 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2017， 34 （1） 32－38． ［6］ Saleh J M． 流体流动手册 ［M］ ．邓敦夏， 译．北京 中国 石化出版社， 2003． ［7］E F Caetano, O Shoham, J P Brill． Upward Vertical Two－phase Flow through an Annulus－Part 1 single－ phase friction factor, Taylor bubble rise velocity and 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