非金属瓦斯抽采管耐外压变形规律

任中华，魏风清，张益民

（1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000；2.河南理工大学，河南 焦作 45400）

平煤集团勘探工程处通过多年的科技攻关和技术创新，广泛采取穿层钻孔“两堵一注”带压注浆封孔工艺进行区域瓦斯治理，这一技术为煤矿安全生产提供了重要技术保障。“两堵一注”带压注浆封孔的瓦斯治理效果与抽采钻孔的设计、施工、封孔、抽采等多个环节密切相关。其中，封孔质量是影响瓦斯治理效果的重要因素。

在注浆封孔过程中，为了使注浆材料尽可能多的注入钻孔周围的裂隙，防止裂隙漏气，就需要一定的注浆压力。但是注浆压力过大，容易出现抽采管被压扁的现象。抽采管压扁后，瓦斯流动通道截面积变小，在抽采负压的作用下，煤屑和水混合成为煤泥团堵塞在压扁处，严重影响瓦斯抽采效果[1]。为此，通过对抽采管的耐外压能力进行研究，分析影响抽采管耐外压能力的主要因素，合理确定注浆压力参数，从而提高封孔质量，对保障煤矿安全生产具有重要意义。

1 瓦斯抽采管的使用现状与检测

煤矿井下使用过的瓦斯抽采管依时间先后顺序分别是钢质焊缝钢管或螺旋管、玻璃钢瓦斯抽采管和目前广泛使用的PE和PVC瓦斯抽采管。钢管的优点是刚度大，生产工艺简单且成熟，但钢管质量大，耐腐蚀性差，已逐步被淘汰。玻璃钢管又称作玻璃纤维增强塑料管，具有质量轻、刚度大、耐腐蚀性好等优点，但易碎裂，阻燃性能差，已被禁用。随着改性树脂材料的抗静电和阻燃性能得以解决，PE（聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）瓦斯抽采管因具有抗冲击性好、耐腐蚀等优点，在煤矿得到了大量使用[2-4]。

在安标网上统计，目前国内具有MA标志，名称为煤矿井下聚乙烯管、煤矿井下用聚乙烯管、煤矿用聚乙烯管、煤矿井下用聚乙烯瓦斯抽放管等的非金属瓦斯抽采管生产厂家多达百家，虽然产品名称不尽相同，但是其生产和检验标准都是MT 558.1—2005煤矿井下用塑料管材第1部分聚乙烯管材[5]、MT 558.2—2005煤矿井下用塑料管材第2部分聚氯乙烯管材[6]、AQ 1071—2009煤矿用非金属瓦斯输送管材安全技术要求[7]，标准对非金属瓦斯抽采管的外观、尺寸、不圆度、扁平、耐压、拉伸强度、抗拉强度、环刚度、耐正压、落锤冲击、阻燃、抗静电性能进行了要求、并明确了试验方法和检验规则。

为保证瓦斯抽采管安全可靠工作，孔令刚深入研究了瓦斯抽采管的安全技术标准[8]，李少辉等人对非金属管耐负压性能检测系统进行研究[9]。前述研究都是从抽采管抽放工作状态提出要求和检验方法。利用环刚度这一指标来反映了管材耐负压的能力，如果耐负压能力不够，会引起管材被吸瘪而导致管道堵塞。目前标准中规定的管材耐负压力能力（环刚度）的检验，是按照GB/T 9647—2003热塑性塑料管材 环刚度的测定规定的方法，在试验温度（23±2）℃条件下，利用材料万能试验机，用2个相互平行的平板对1段水平放置的管材，以恒定的速率在垂直方向进行压缩，以管材在恒速变形时所测得的负荷和变形量确定环刚度[10]。该方法与瓦斯抽采管在封孔过程中的实际工况不尽相符，主要表现在：①未考虑环境温度的影响；②抽采管工作状态与试验机条件下对管材的试验状态不同。

在封孔操作过程中，钻孔施工完成后，抽采管随两堵一注封孔器插入钻孔中，等待数小时甚至数十小时后再统一注浆封孔，受钻孔周围岩石温度的影响，非金属抽采管的性能会发生显著改变。现场施工过程中曾遇到，在注浆前抽出抽采管进行检查，抽采管受热变成软管的现象，这也是施工单位在地面试验确定好注浆压力后，在井下施工中还会出现抽采管被压扁的根本原因。另一方面利用材料万能试验机和平板从垂直方向进行正压试验测定环刚度时，对检验试件的圆度、直线度提出了一定的要求，而在施工现场，PE抽采管由于打卷搬运，不能保证圆度、直线度符合要求，这也影响了抽采管的耐外压能力。

2 非金属抽采管耐外压试验装置结构与原理

结合非金属抽采管在封孔过程中的实际工作状况，设计试制了非金属瓦斯抽采管耐外压实验装置，抽采管耐外压试验装置结构原理图如图1。

图1 抽采管耐外压试验装置结构原理图Fig.1 Structural schematic diagram of external pressure resistance test device for extraction pipe

装置主要由：加压部件、试验加压筒体部件、容积变化检测部件3部分组成。加压部件主要由溢流阀、加压泵、水箱、加热器以及连接管路组成。加压泵可以持续向试验加压筒体充入恒定压力的液体；溢流阀起到调整压力的作用、加热器主要提供一定温度的液体来模拟不同的环境温度。试验加压筒体部件主要由放液阀门、温度计、耐压筒体、压力表、放气阀门等组成。温度计和压力表分别检测试验抽采管受到的压力和试验时的温度，耐压筒体通过端部的密封端盖与试验抽采管外壁形成环形密闭空间。向该空间内压入一定温度的带压液体，即可模拟出抽采管在封孔时的实际工作状况。放气阀门主要起到排出环形空间和管路里的空气之用。放液阀门能在试验完毕后放出环形密闭空间内的液体。容积变化检测部件主要由抽采管堵头、试验抽采管、抽采管中空堵头、排水集气瓶、量筒及连接管路等组成。抽采管堵头和抽采管中空堵头与试验抽采管内壁构成封闭空间，通过软管与排水集气瓶相连。当试验抽采管受压变形后，封闭空间的体积变小，气体被压入到集气瓶，集气瓶中的水被压入气体等体积的排到量筒中，根据排出水的体积，即可推算试验抽采管的变形程度。

3 非金属抽采管耐外压变形试验

为检验非金属抽采管耐外压试验装置的性能，在平煤勘探工程处十三矿施工工区选取正在使用的PE-KM1.6/32型瓦斯抽采管进行试验。

试验前按照图1连接好加压部件、试验加压筒体部件、容积变化检测部件。水箱中加入清水，连接好加热器。将排水集气瓶内充满清水。截取长度为1.2 m的试验抽采管，校直后准备使用。

试验步骤如下：

1）用游标卡尺分别测量试验抽采管的直径和壁厚。每个位置测量3次，取平均值。

2）将试验抽采管安装到加压筒体中。将试验抽采管从加压筒体的一端插入筒体中，安装好两端的密封端盖。密封堵头和中空密封堵头均插入试验抽采管内，超过密封端盖内边缘30 mm，起到密封抽采管内壁空间并支撑抽采管，防止抽采管密封端盖部位受压变形，保证抽采管外壁和试验筒体形成的环形空间密封性的作用。

3）向加压筒体部件内充入液体，并保温一定时间。打开加压筒体上的排气阀门，开动加压泵将一定温度的液体注入筒体内。当排气阀门开始出水后，关闭加压泵，关闭排气阀门。保温20 min，使试验抽采管与液体同温后，读取温度计读数。

4）向加压筒体内加压，记录流入量筒内液体的体积。在加压过程中，首先调整溢流阀使起始压力从0.1 MPa开始，一直升压到1.5 MPa。每次升高0.1 MPa，加压后保压1 min，读取量筒内流出液体的体积，并记录数据。

5）结束试验。升压到1.5 MPa后，关闭加压泵，依次打开排液阀门、排气阀门，加压筒体内的液体流回水箱，拆除试验抽采管。

按照上述实验步骤，以水温22℃，PE-KM1.6/32型抽采管（外径32 mm，壁厚3.4 mm）的耐外压变形试验为例，试验过程如下：

压力从0.1 MPa开始，直到0.6 MPa，加压后保压1 min，排水集气瓶中没有气泡进入，表示试验抽采管没有发生变形。

压力达到0.7 MPa时，集气瓶中开始有气泡进入，压力表显示压力轻微下降后，再保持到0.7 MPa，保压过程中，集气瓶中出现缓慢连续的气泡，表示试验抽采管开始发生轻微变形。量筒中收集排出的液体约4 mL。

压力在0.7～1.1 MPa加压过程中，每增加0.1 MPa，均保压1 min，试验现象相同，在此范围内，试验抽采管发生缓慢变形。量筒中收集的液体体积分别为4、6、10、12 mL。

压力升到1.2 MPa时，压力表显示压力突然下降到0，集气瓶中收集的气体明显增多，在加压泵的作用下，压力逐渐升高，20 s后压力回复到1.2 MPa，保压1 min排出394 mL液体。试验抽采管在1.2 MPa时，发生剧烈变形。至此共收集排出的液体426 mL，试验抽采管内壁与堵头形成封闭空间的体积为486 mL,表明试验抽采管在1.2 MPa时，就几乎被完全压扁。

继续升压到1.5 MPa，集气瓶中还出现缓慢连续的气泡，量筒中收集的液体体积分别为6、3、2 mL。

关闭加压泵，依次打开排液阀门、排气阀门，试验筒体内的液体流回水箱。

试验抽采管内壁形成的封闭空间，变形前为一圆柱体，变形后近似椭圆柱体，变形前后，试验抽采管长度不变，抽采管截面的周长不变。可根据抽采管截面的面积计算公式以及排水集气法收集的液体体积来推算抽采管变形后的直径。

变形前：抽采管截面积Sq=πr2、横截面周长Lq=2πr、封闭空间体积Vq=πr2h。式中：r为变形前截面圆半径，经测量可得；h为试验抽采管内部两封堵头之间的距离。

变形后:抽采管截面积Sh=πab、横截面周长Lh=2πb+4（a-b）、封闭空间体积Vh=πabh。式中：a为变形后截面椭圆长半径；b为变形后截面椭圆短半径。

根据：Lh=Lq，得：

Vh=Vq-△p，得：

式中：△p为抽采管变形排出液体的体积，试验测量可得。

由式（1）和式（2），可以计算出抽采管变形后的短边直径2b，用短边直径的数值反映抽采管的变形程度。

试验对同一生产厂家，2个批次的PE-KM1.6/32型外径32 mm的抽采管依次进行不同温度下的耐外压试验，分别以管A（壁厚3.4 mm）、管B（壁厚3.9 mm）表示）。试件在不同环境温度下，初始变形和被压扁时的试验数据见表1。抽采管A、抽采管B在不同温度下被压扁时的压力值对比如图2。抽采管A外径变形与温度和压力的关系如图3。

表1 抽采管外径变形耐外压数值Table 1 External pressure resistance value of outer diameter deformation of extraction pipe

图2 不同壁厚抽采管被压扁时温度、压力对比Fig.2 Comparison of temperature and pressure in flattening of extraction pipes with different wall thickness

图3 抽采管A外径变化与压力、温度关系Fig.3 Relationship between the change of outer diameter of extraction pipe A and pressure and temperature

分析图2可知，壁厚对抽采管的耐外压能力影响显著，壁厚越厚，承外压能力越强。

分析图3可得出，在同一环境温度下，压力越高瓦斯抽采管变形越严重；当压力达到一定值时，抽采管剧烈变形，被完全压扁，之后，压力升高，直径变化不大。环境温度越高，抽采管被压扁的压力值越低。

PE-KM1.6/32型试验抽采管（壁厚3.4 mm）注浆压力推荐值见表2。根据试验结果，为保证抽采管在注浆过程中不被压扁，当选用外径32 mm，壁厚3.4 mm的PE抽采管时，注浆压力可参考表2选取。若瓦斯抽采管的直径、壁厚、材料有变化时需要测试其在不同温度下的耐外压值。

表2 PE-KM1.6/32型试验抽采管（壁厚3.4 mm）注浆压力推荐值Table 2 Recommended grouting pressure of PE-KM1.6/32 type test extraction pipe（wall thickness 3.4 mm）

4 结 语

1）在非金属瓦斯抽采管直径、材质、壁厚确定的情况下，影响瓦斯抽采管变形的主要因素是外加压力和环境温度。同一环境温度下，外加压力越高抽采管变形越严重；环境温度越高，抽采管被压扁的压力值越低。

2）非金属瓦斯抽采管的壁厚对抽采管承外压能力有重要影响。当抽采管直径、材质、环境温度等条件相同时，壁厚越厚，抽采管承外压能力越大，抗变形能力越强。

3）为提高封孔质量，保证瓦斯抽采效果，建议抽采钻孔在封孔前应检测封孔段钻孔岩石温度，根据岩石温度合理选择注浆压力，确保抽采管的完整性。