瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑数值模拟*

韩晓明，李佳良

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作454000)

0 引言

目前，在高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井和无保护层的单一突出煤层的矿井中，进行顺层钻孔预抽煤层瓦斯是防止煤巷掘进和煤层回采过程中瓦斯突出的主要措施[1]。然而，由于现用的气力正循环和螺旋输送的排屑方式存在环空输送阻力大、煤屑容易沉淀堆积、钻杆受力复杂多变易疲劳等弊端，当煤屑沿钻杆与煤壁之间的环形空腔排出时，容易造成煤屑堵塞钻孔、卡钻等事故，导致瓦斯抽采钻孔成孔深度浅，成孔率低[2-3]。为了解决上述问题，乔慧丽等[4]设计了开闭式反循环钻头并结合全程筛管下放和反循环钻进2种工艺，提高了成孔深度和成孔率；韩晓明等[5]发明了全封闭风力排渣抽放瓦斯深孔钻进系统及方法；张辉等[6]研制了一套泵吸反循环钻进系统并进行了试验研究，发现泵吸反循环钻进可以有效的防止“钻渣三区”的形成，解决了巷道底板锚索孔快速深孔钻进的难题，净化了作业环境；张宏图、温志辉、魏建平[7-10]等将负压反循环排渣定点取样技术用于煤层瓦斯含量的测定，研发了颗粒煤瓦斯负压-负压转常压解吸实验系统，并对其进行了数值模拟与试验研究，提高了采样效率。反循环排屑的应用可以提高瓦斯抽采钻孔的成孔深度与成孔率，但是不当的操作条件容易导致煤屑堵塞钻孔影响排屑效率，因此本文采用CFD-DEM耦合方法对瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程进行数值模拟，研究排屑气速、煤屑生成量对气力排屑性能和气力排屑系统压降的影响。

1 数学模型

瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑装置示意如图1所示，由钻机、钻杆、钻头、分离器、真空泵组成。空气沿钻杆与煤壁之间的环形空腔进入钻孔，在孔底位置空气裹挟着煤屑形成气固两相流从钻头孔进入钻杆，在旋风分离器内完成空气和煤屑的分离，由真空泵提供动力。

图1 瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑装置示意Fig.1 Schematicsketch of reverse circulation pneumatic chip removal in gas drainage borehole

在瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程中，空气作为输送介质，被当作连续相处理，使用CFD求解器进行求解；煤屑作为输送物料，按照离散相处理，使用DEM求解器进行计算，因此，在CFD-DEM中采用欧拉-拉格朗日模型对空气和煤屑形成的气固两相流进行描述，空气与煤屑之间通过动量交换实现耦合。

在CFD中，空气采用Navier-Stokes方程求解[11]，质量守恒方程与动量守恒方程分别为：

(1)

(2)

式中：ρa为空气的密度；ua为空气的速度；g为重力加速度；μa为空气粘度；S为空气与煤屑间的能量交换。

(3)

式中：ΔV为单位体积；fd为空气动力阻力。

在DEM中，煤屑的移动与转动遵循牛顿第二运动定律[12]。

(4)

(5)

式中：mci，Ici分别为煤屑i的质量与转动惯量；uci，ωci分别为煤屑i的速度与角速度；Gci，Fc分别为煤屑的重力和煤屑之间的接触力；Fc-a为空气与煤屑之间的相互作用力；Tci为作用于煤屑i表面的旋转力矩矢量。

在CFD中首先计算出钻杆内空气的流场数据，并将流场信息传递给DEM，DEM根据流场信息计算出煤屑间的接触碰撞、受力、位置，并将煤屑的运动信息传递给CFD，从而完成一次耦合计算[13]，在相应的计算时间内，通过多次耦合计算完成瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程的数值模拟。

2 计算模型与求解器设置

在实际瓦斯抽采钻孔施工过程中，常常需要根据钻孔的深度采用不同长度的钻杆。由于计算条件有限，本文采用长L=1 800 mm， 内孔直径D=60 mm的钻杆模型，如图2所示。在ICEM中采用六面体结构化网格对钻杆模型划分网格，重力加速度方向沿Z方向大小为9.81 m/s2，钻孔为沿Y方向的水平钻孔；采用直径d=1 mm的球型颗粒创建煤屑模型。

图2 钻杆模型Fig.2 Drill pipeline model

在CFD中，采用基于压力求解器，湍流模型采用标准k-ε模型，为了研究排屑气速对排屑性能的影响，采用速度入口和压力出口，并采用有限体积法对控制方程进行离散化，时间步长为1×10-3s；在DEM中设置煤屑生成方式动态/无限制，并设置煤屑的初始速度为0 m/s，时间步长为2×10-5s；在CFD-DEM耦合计算中，采用欧拉-拉格朗日计算模型。其余数值模拟参数见表1。

表1 数值模拟参数Table 1 Numerical simulation parameters

3 仿真结果与分析

3.1 排屑气速的影响

对煤屑生成速率为10 000个/s，排屑气速分别为4.2，5.6，7.0，8.4，9.8，11.2，12.6和14.0 m/s时的气力排屑过程进行了模拟，如图3所示。

图3 2 s时不同气速下煤屑在钻杆内的分布Fig.3 Distribution of coal chip in drill pipeline with different gas velocity at 2 s

结果表明，当气速低于7.0 m/s时，煤屑经过短暂的加速后出现了减速的现象，并在重力的作用下在钻杆底部堆积，以较低的速度沿钻杆底部滑移；气速为8.4 m/s时，煤屑开始以悬浮状分布在钻杆内，主要分布在钻杆的下半部，煤屑的速度无明显的变化；当气速达到11.2 m/s时，煤屑呈现完全悬浮状并分布于整个钻杆，煤屑在气流的作用下逐渐被加速。因此，为确保煤屑顺利排出钻杆，避免钻杆堵塞，需要较大的排屑气速。

CDF-DEM数值模拟的优势在于不仅可以观测到煤屑颗粒的运动信息，而且可以获取煤屑-煤屑之间，煤屑-钻杆之间的碰撞信息[14]，0～2 s内不同排屑气速下煤屑-煤屑，煤屑-钻杆之间的碰撞次数经统计后如图4所示。当气速低于7.0 m/s时，煤屑-煤屑，煤屑-钻杆的碰撞剧烈，而且煤屑-煤屑的碰撞构成了碰撞的主要部分；随着气速的增大，碰撞次数逐渐减小并趋于稳定，此时，煤屑-钻杆的碰撞成为了主要部分。

图4 不同气速下煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞次数Fig.4 Number of coal-coal and coal-drill pipeline collision with different gas velocity

为了研究煤屑在不同气速下的加速程度，对钻杆内不同气速作用下煤屑平均速度与排屑气速的比值进行了分析，该比值用V*表示，其变化规律如图5所示。

图5 不同气速下煤屑平均速度与排屑气速的比值Fig.5 Ratio of average coal chipvelocity to gas velocity with different gas velocity

当气速较低时，煤屑的平均速度远小于气速，随着气速的增大，煤屑平均速度与气速的比值逐渐增大，煤屑的平均速度大约可以达到气速的0.6倍，但煤屑的平均速度与入口气速的比值增长缓慢。这是由于当排屑气速较低时，空气无力输送煤屑，煤屑大量堆积于管道底部，受到来自煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞摩擦影响较大，导致煤屑的平均速度远低于气速；随着气速的增加，煤屑逐渐由堆积状向悬浮状转变，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞次数减少，煤屑逐渐被加速，其平均速度与气速的比值增大；随排屑气速的进一步增大，煤屑处于完全悬浮状，煤屑在钻杆内分布均匀，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞对煤屑的运动虽有影响但影响甚微，煤屑主要在空气的曳力下加速，所以煤屑的平均速度与入口气速的比值变化平稳。

3.2 煤屑生成量的影响

在瓦斯抽采钻孔的过程中，煤屑生成量与钻杆钻速成正比，因此对不同煤屑生成量进行数值模拟是必要的。在排屑气速为11.2 m/s的条件下，分别模拟了煤屑生成速度10 000，20 000，30 000和40 000个/s的气力排屑过程。并监视了0～1.5 s内钻杆出口处煤屑的质量流率，如图6所示。在不同的煤屑生成量下，煤屑均在0.2～0.3 s之间首先到达钻杆出口；尽管不同煤屑生成量下煤屑的质量流率呈波动变化，但是波动相对平稳。

图6 钻杆出口处煤屑的质量流率Fig.6 Mass flow rate of coal chip at drill pipeline outlet

进出口煤屑质量流率可以表征气力排屑的性能，为避免煤屑未到达钻杆出口对平均质量流率的影响，本文统计了0.5～1.5 s稳定排屑阶段钻杆出口煤屑平均质量流量。经统计，不同煤屑生成速率下钻杆进出口煤屑的平均质量流率变化情况如图7所示。

图7 进出口煤屑质量流率Fig.7 Mass flow of inlet and outlet

可以看出，在不同煤屑生成速率下，出口煤屑质量流率与入口煤屑质量流率基本相同，煤屑生成量与排出量达到了动态平衡，这说明气速为11.2 m/s时，煤屑生成量对气力排屑性能影响不大。对此过程中煤屑-煤屑，煤屑-钻杆之间的碰撞次数进行统计，结果如图8所示。

图8 不同煤屑生成速率下煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞次数Fig.8 Number of coal-coal and coal-drill pipeline collision with different coal chipgeneration rate

结果表明，随着煤屑生成速率的增大，钻杆内煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞次数急剧增加，这是由于随着钻杆内煤屑数目的增大，煤屑的体积分数增大，孔隙率降低，气体无法为煤屑提供足够大的升力来保持煤屑颗粒悬浮，煤屑颗粒由悬浮状逐渐向钻杆底部沉降，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞频繁。这说明，在入口气速一定的情况下，存在一个最大煤屑生成量，当超过这个最大生成量时，煤屑会在钻杆内堆积，导致排屑困难、钻杆堵塞。

3.3 反循环气力排屑系统压降

在气力排屑系统中，流场压降常被用来表征气力排屑系统的能量消耗，流场压降随排屑气速、煤屑生成量的变化规律如图9～10所示。

图9 压降随排屑气速的变化Fig.9 Change of pressure drop with gas velocity

图10 压降随煤屑生成速率的变化Fig.10 change ofpressure with coal chip generation rate

可以看出，流场压降与排屑气速、煤屑颗粒生成速率均呈正相关。随着气速的增大，尽管煤屑颗粒以悬浮状在钻杆内运动，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆间的碰撞较小，但煤屑速度不断增大，流场压降大部分转化为煤屑的动能，所以在较高气速下，流场的能量消耗仍然很大。在以往的研究中[15]，气速与压降的关系可作为区别稀相输送和浓相输送的标准，根据压降随入口气速增大而变大可知，该气力排屑系统在此模拟工况下属于稀相输送。结合不同入口气速下煤屑在钻杆内的分布，在保证煤屑颗粒顺利排出钻杆的前提下，为避免入口气速过高而导致气力排屑系统额外的能量损耗，因此，在当前水平钻孔钻杆模型下，当煤屑生成速度为10 000个/s时，最佳入口气速为11.2 m/s。随着煤屑生成量增大时，煤屑除了从流场获得动能外，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆间的碰撞和摩擦压损也消耗了大量的流场能量，因此流场压降随着煤屑生成速率的增大而增大。

4 结论

1)排屑气速较低时，空气无力输送煤屑，煤屑易在钻杆内部沉积，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆间的碰撞剧烈，不利于排屑；随着气速的增大，煤屑呈悬浮状分布在钻杆内，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆间的碰撞明显减少。因此，为保证排屑顺利，防止钻杆堵塞，需要较大的排屑气速。

2)排屑气速为11.2 m/s时，煤屑的生成量对气力排屑性能影响不大；但是，随着钻杆内煤屑数目的增多，煤屑的体积分数增大，孔隙率降低，空气无法为煤屑提供足够大的升力来保持煤屑悬浮，煤屑由悬浮状逐渐向钻杆底部沉降，煤屑-煤屑、煤屑-钻杆的碰撞增加，当煤屑生成量足够大时，煤屑在钻杆内堆积，导致钻杆堵塞。

3)流场压降与排屑气速、煤屑生成量呈正相关。综合考虑能耗因素，在当前钻杆模型下，当煤屑颗粒生成速度为10 000个/s时，对于水平钻孔最佳入口气速为11.2 m/s。在实际施工中为达到最佳排屑效果，避免不必要的能耗，要选用合适的排屑气速和钻杆钻速。