下向钻孔水渣输运机制与高效抽采试验研究_左伟芹.pdf

第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）下向钻孔水渣输运机制与高效抽采试验研究左伟芹1，2，李运强1，2，刘彦伟1，2，韩红凯1，2，贾浩杰1，2（1.河南理工大学 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）摘要：为了解决煤矿下向钻孔水渣积存导致瓦斯抽采效果差的问题，基于水力排渣、压风排水的分步输运方式，提出下向钻孔高效循环排水排渣新思路，计算水渣输运关键参数，研发下向钻孔水渣输运抽采一体化装备，并在义安煤矿开展现场试验。结果表明：下向钻孔水渣输运抽采一体化装备能有效排出粒径 8 mm 以内的煤岩屑，无外来水补充 10 min内可排净孔内积水；经过排水排渣作业后，抽采单孔瓦斯体积分数由 0 提高到 60%85%；钻孔内有外来水源补充时，可采用不定期排水排渣，延长钻孔高效抽采时间，通过长时间效果考察可知，抽采体积分数提高了 2.812.6倍。研究表明，下向钻孔水渣输运抽采一体化装备能够高效排出下向钻孔内的水渣，完成排渣、排水、抽采 3种作业状态的快速切换和循环作业，提高下向钻孔抽采效率，为下向孔水力化增透技术和瓦斯高效抽采提供技术保障。关键词：瓦斯抽采；下向钻孔；水渣输运；抽采效果中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）2-19-8Experimental study on water and slag transportation mechanism and high-efficiency extraction in downward boreholesZUO Weiqin1，2，LI Yunqiang1，2，LIU Yanwei1，2，HAN Hongkai1，2，JIA Haojie1，2（1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China；2.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China）Abstract：In order to solve the problems of water and slag accumulation and poor effect of gas drainage in downward boreholes，based on step-by-step transportation mode of“water injection slag，pressure air drainage”way，a transportation mechanism of high-efficient circulating water and slag drainage in downhole drilling was put forward.An integrative equipment of downhole drainage and slag extraction was developed，and field tests were carried out in Yian Coal Mine.The results showed that the cuttings with size 8 mm or less could be discharged effectively.The drainage operation could be completed in 10 min without external water supply.After the drainage and slag discharge operation，the concentration of single boreholes was increased 左伟芹，李运强，刘彦伟，等.下向钻孔水渣输运机制与高效抽采试验研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：19-26.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021080064ZUO W Q，LI Y Q，LIU Y W，et al.Experimental study on water and slag transportation mechanism and high-efficiency extraction in downward boreholes J .Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：19-26.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021080064收稿日期：2021-08-18；修回日期：2021-11-16基金项目：国家自然科学基金资助项目（51774119，52174173）；河南省高等学校重点科研项目（19zx003）第一作者简介：左伟芹（1984），男，湖北仙桃人，博士，副教授，主要从事瓦斯灾害预测与防治方面的教学和研究工作。Email：通讯作者简介：刘彦伟（1975），男，河南新郑人，博士，教授，博士生导师，主要从事瓦斯灾害预测与防治方面的教学和研究工作。Email：O S I D2023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）from 0 to 60%85%.When there was additional water source in the borehole，the time of high efficient extraction could be prolonged by using irregular drainage and slag discharge.A long examination of the effects showed that the gas drainage concentration was increased by 2.812.6 times.Studies have shown that，the equipment could effectively discharge the water slag accumulated at the bottom of the borehole and the fissure water flowing into the borehole in the process of extraction，and could realize the rapid switching and circulation operation of three working states of slag discharge，water discharge and gas drainage，improve the pumping efficiency of the downhole drilling.This provided technical guarantee for hydraulic anti-permeability technology of down-hole and high-efficiency gas extraction.Key words：gas drainage；downward borehole；water and slag transportation；effect of gas drainage0引言瓦斯抽采是预防瓦斯事故的治本之策1-2，矿井经常通过打钻孔预抽煤层瓦斯，消除煤与瓦斯突出隐患3-7。对于上向抽采钻孔而言，冲孔时产生的水渣及孔内的裂隙水很容易从孔口排出，而下向钻孔中的水和煤岩渣屑往往会积存在钻孔底部，导致煤层中瓦斯流动的孔/裂隙通道被堵塞，产生水锁效应8-9，且会封堵抽采管路，严重影响瓦斯抽采效果。另外，松软煤层中长时间积水浸泡会造成钻孔坍塌破坏，进而导致出现瓦斯抽采空白带，难以保证瓦斯抽采效果10，在掘进或回采时形成安全隐患。下向孔水渣输运技术在油气井、煤层气井、水井、水文地质钻孔、大口径工程施工孔等地面钻井中应用较多，目前应用较广的是反循环钻井技术，包括气举反循环、泵吸反循环和全井反循环技术11，能实现较好的排渣效果。当前研究热点是基于 Reel well钻井法的反向射流抽吸技术12-13和适 用 于 中 浅 层 气 资 源 的 反 循 环 空 气 钻 井 技术14-15，这些技术都具有携带岩屑能力强的特点，为下向钻孔水渣输运提供了理论和技术基础，但不适用于煤矿井下抽采，特别是顶抽巷等狭小空间。李栋等10、卢义玉等16针对矿井瓦斯抽放俯孔排水排渣问题，基于射流泵工作原理，提出瓦斯抽采孔排水排渣方法，并开展实验室试验，对普通抽采孔施工后的积存水渣有较好的排出效果；刘延保等17提出一种煤矿瓦斯抽采下向钻孔智能排水排渣系统及应用，该系统采用矿用气动抽水泵进行排水排渣，应用于高差不大的下向钻孔，效果较好，比如小倾角的下向顺煤层钻孔。由于气动抽水泵的最大干吸高度受限，当高差超过 10 m时无法排尽孔内积水煤渣，质量分数稍高时排水排渣效果受到极大影响。井下瓦斯抽采钻孔直径小，用电要求苛刻，抽采钻孔数量庞大，常规排水渣方法难以在狭小工作环境里进行大规模应用，特别是顶板裂隙水发育时需要进行多次排水排渣。针对以上问题，本文基于固液两相流动规律、环空排渣、正压排水原理，以压缩空气和高压水为动力提出下向钻孔高效循环排水渣的输运新思路，研发下向钻孔排水排渣抽采一体化装备，以期能够有效排出孔底的积存水渣，降低孔内水分，显著提升瓦斯抽采效果。1下向钻孔水渣输运原理及关键参数确定为实现下向钻孔水渣输运与抽采一体化，在下向钻孔中增设一根直达孔底的内管，向孔底部通入高压水或压缩空气，水渣混合物通过内管与抽采管之间的环空通道排出孔外，采用“水力排渣、压风排水”分步进行的方法实现钻孔内的水渣输运，比直接利用压缩空气同时排水渣具有更高的携渣能力和排水效率。通过内管向底部通入高压水形成水射流，与孔底的煤岩屑发生动量交换，一部分高速水流动能传给渣体，混合形成水渣两相流体，并进行能量和质量传递，利用水的黏性将煤岩屑携带出孔外（图 1（a），完成水力排渣。排渣结束后，由内管向孔底通入高压风流，利用静压排除大量积水（图1（b）。孔内水量减少后，风流以气举及置换方式消除残余水分（图 1（c）。要实现下向钻孔高效排水渣，需根据下向钻孔孔径、孔深、俯角角度、孔底煤岩渣特性和积水深度等现场情况，进行内管材质和型号选型，并对供水、供风等关键参数进行优化。在此基础上，设计下向钻孔水渣输运抽采一体化装备。20第 2 期左伟芹，等：下向钻孔水渣输运机制与高效抽采试验研究1.1排渣水流量计算高压水作用下形成水渣混合物上返时，由于煤岩屑颗粒比水的密度大，会出现滑脱沉降现象18。为便于研究，假设在上返流体中作沉降运动的煤岩屑颗粒是直径为 d 的球形，且煤岩屑在沉 降 过 程 中 受 到 重 力 FG、浮 力 FB和 阻 力 FD的作用18-21，FG=d26sg，（1）FB=d26fg，（2）式中：d 为球形煤岩屑颗粒直径，m；g 为重力加速度，N/kg；s为煤岩屑颗粒密度，kg/m3；f为流体密度，kg/m3。由于液体黏性和煤岩屑运动惯性，煤岩屑与流体发生相对运动，煤岩屑颗粒表面受到流体摩擦阻力作用，当微粒粒度一定时，重力和浮力不变，流体对微粒的阻力随粒子与流体的相对速度增