王永龙，裴宇翔，孙玉宁，余在江，丁立培，吴 越，郭佳宽，杜 康

(河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454003)

我国作为煤炭资源开采和利用的大国，煤炭企业中煤与瓦斯突出矿井数量占比较重，施工瓦斯抽采钻孔进行采前预抽可以有效预防瓦斯灾害事故。瓦斯抽采钻孔施工过程中发生喷孔是导致瓦斯超限最常见的一种动力现象。钻进过程中的喷孔现象是一把双刃剑，一方面喷孔在快速释放煤层瓦斯的同时对煤体也具有卸压作用；另一方喷孔产生的高速瓦斯气流非常容易造成瓦斯喷孔超限。煤层瓦斯喷孔超限事故是矿井安全生产的主要隐患，根据近3 a 的统计资料表明，瓦斯喷孔超限事故在瓦斯超限事故中占比已超过50%[1-5]。

针对瓦斯喷孔超限难题，科研及工程技术人员做了大量的研究工作，例如将三棱钻杆、孔口防喷装置及防喷钻杆联合应用到钻孔施工中[6-9]，全封闭式“三防”装置和采用钻尾抽采和防延时喷孔技术[10-12]，钻孔孔口“防喷、捕尘一体化”装置[13-15]，快速封孔、螺旋排渣、瓦斯煤渣分离、旋流式分离、喷雾除尘等成套技术[16-19]，新型高效放水排渣、抽排瓦斯、孔口除尘三位一体防喷出装置及配套钻割新工艺[20]，水力冲孔防喷孔整套装置[21]，瓦斯喷孔综合治理安全装置等[22]，对于治理瓦斯喷孔超限都有一定的效果。

钻孔揭露瓦斯富集区时大量高压瓦斯从孔底向孔口高速涌出，常规的钻进方法，难以将喷孔压力降低到安全值，喷孔无法避免，只能在孔口处进行被动防喷。瓦斯喷出通道为钻杆与钻孔之间的缝隙，中间夹杂着钻屑，这些因素会形成通风阻力，一定程度降低了孔口喷出压力，如能将喷出压力在孔内大幅度削弱，将减轻孔外防喷的压力。为此，笔者分析孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制，并设计了孔底组合钻具，结合数值模拟、建立气流阻力力学方程、分析了孔底组合钻具的阻尼效果，并通过工业性试验对孔底组合钻具的阻尼效果进行了验证，为瓦斯抽采防喷孔技术开辟了一条新的技术途径。

1 孔底组合钻具结构及阻尼原理

1.1 孔底组合阻尼钻具结构原理

围绕将钻孔喷出压力在孔内大幅度削弱的思路，研制孔底组合钻具，在钻孔喷孔源头进行主动削弱瓦斯喷涌压力，如图1 所示，采用分层切削的方案进行钻进，设计孔底组合钻具结构，包括揭露钻头、阻尼钻杆和扩孔钻头，前端使用直径较小的揭露钻头钻进，随后跟阻尼钻杆、扩孔钻头。通过应用孔底组合钻具，使孔底揭露面积分级增大，从而降低高压瓦斯富集区瓦斯喷出量。

图1 孔底组合钻具模型结构Fig.1 Structure diagram of bottom hole combined damping drilling tool model

瓦斯喷出路径如图2 所示，通过增加气体流动通道的阻力削弱瓦斯喷出压力。阻尼钻杆表面设置有凸起螺纹，称阻尼钻杆表面与钻孔壁的间隙为“降压间隙”β，降压间隙的大小为揭露钻头直径与阻尼钻杆最大旋转外径之差，设计降压间隙β和螺纹高度，使同一条流线上的通风空间突然扩大和缩小，提高阻力系数，有效增加风阻，揭露钻头直径小于扩孔钻头直径，流动气体到达扩孔钻头时形成涡旋降低部分气体压力。

1.2 钻具气流阻力力学模型

在空气流经狭窄空间时，设风流总压为PQ，风流静压为PJ，风流动压为P，根据伯努利方程，沿流线运动过程中，总能量守恒，对于气体可以忽略重力，则

动压计算公式为

则

式中，ρ为风流密度；v为风速。

风流在通道内做沿程流动时，由于流体层间的摩擦、流体与壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力，也叫沿程阻力hf，其计算公式为

本文风流在管道内做沿程流动，则式中d为风流通道水力直径、λ为沿程阻力系数，L为风流通道长度，环形管道水力直径d计算公式为

式中，S为排渣通道断面面积；U为排渣通道断面周长。

由式(2)、(5)得

如图3 孔底组合钻具钻进截面模型所示，U1为组合钻具截面周长，U2为钻孔周长，假设钻孔半径为R，钻杆的半径为r，则风压阻力的降压间隙为β=R-r。

图3 孔底组合钻具钻进截面模型Fig.3 Drilling section model of hole combined damping drilling tool

则沿程阻力可表示为

设高压瓦斯聚集区内的瓦斯压力为Pq，钻孔外静压为一常量C，则

则瓦斯流动阻力力学方程可表示为

在钻孔内高压瓦斯流动时所产生的沿程阻力与沿程阻力系数λ、风流通道长度L、降压间隙β和孔底瓦斯压力Pq相关。

风流在管道内运动为湍流，阻尼钻杆的相对粗糙度影响沿程阻力系数，本文中阻尼钻杆的相对粗糙度为螺纹高度h与水力直径d的比值，即相对粗糙度表示为h/d。相对粗糙度高，沿程阻力系数大。

瓦斯总压力递减梯度如图4 所示，通过钻具结构创新，提高沿程阻力系数，增加风阻，当喷孔发生时，最大程度削弱流动通道内气体静压，降低瓦斯喷出压力。

图4 总压递减梯度示意Fig.4 Total pressure decline gradient diagram

由式(12)做定量分析，设置降压间隙β=4 mm，孔底组合阻尼钻具中阻尼钻杆长度分别为250、500、1 000、1 500 mm，阻尼钻杆螺纹高度均相等，基于式(12)可获得摩擦风阻与沿程阻力系数的关系的关系，如图5 所示。

图5 摩擦风阻与沿程阻力系数的关系Fig.5 Relationship between frictional wind resistance and along-way resistance coefficient

当降压间隙确定，沿程阻力系数λ≤0.04 时，摩擦风阻增长速率大。沿程阻力系数λ＞ 0.04 时，摩擦风阻增长速率小。摩擦风阻过大不利于孔内渣体排出，摩擦风阻过小阻尼效果不理想，以摩擦风阻为65%(Pq-C)～75%(Pq-C)为基准，将钻孔喷孔源喷出的瓦斯压力降低到初始的25%～35%。

通过设置阻尼钻杆的螺纹高度改变沿程阻力系数，基于定量分析，组合阻尼钻具能够将喷出的瓦斯压力降低到初始的25%以下。

2 孔底组合钻具阻尼效果数值模拟

2.1 常规钻具与组合阻尼钻具对比分析

2.1.1计算模型

基于流体力学进行数值模拟实验，在solidworks Flow simulation 中建立2 种钻具钻进瓦斯喷涌阻尼模型。模型方程为标准k-ε模型[9]，如图6 所示，将钻孔建立为圆环状。

图6 常规钻具和组合阻尼钻具计算模型Fig.6 Calculation model of conventional drilling tools and combination damping drilling tools

(1)常规钻具模型。揭露钻头直径为113 mm，圆钻杆直径为73 mm，设置模型观测线长度1 100 mm，距离中心轴线45.19 mm。

(2)组合阻尼钻具模型。揭露钻头直径为73.5 mm、熔涂阻尼钻杆(钻杆中心杆体直径65 mm、熔涂螺纹高度3.5 mm)、扩孔钻头直径为113 mm、圆钻杆直径为73 mm。设置模型观测线长度为1 100 mm，距离中心轴线35.94 mm。

2.1.2边界条件

模型流体：空气；边界层类型：湍流；入口设置质量流量：0.009 kg/s，钻杆旋转速度：180 r/min；出口设置：静压状态。

2.1.3结果分析

通过计算得到模型静压分布云图如图7 所示，孔壁与钻杆间隙中模拟介质的静压数值如图8 所示。由图7、8 可以看出，模型入口到出口钻具在钻进过程中气体压力在递减，采用常规钻具钻进时，计算模型入口与出口的压差为15 Pa，压差波动小，气体压力损耗是由于气体流通空间的摩擦引起。采用组合阻尼钻具钻进时，模型入口与出口压差为500 Pa，压差波动大，压力递减比较均匀，具有一定规律性。组合阻尼钻具阻尼效果优于常规钻具。

图7 常规钻具与组合阻尼钻具模型静压云图Fig.7 Static pressure cloud map of conventional drilling tool model and combination damping drilling tool model

图8 常规钻具与组合阻尼钻具模型观测线上的静压Fig.8 Static pressure on observation line of conventional drilling tools and combined damping drilling tools

2.2 气体质量流量对钻具阻尼效果的影响

(1)计算模型。模型结构参照图6(b)，区别在于模型中入口处的质量流量分别设置为0.009、0.018、0.027、0.036 kg/s，设置模型观测线长度为1 100 mm，模型观测线距离中心轴线均为35.94 mm。

(2)模型方程。模型方程同为标准k-ε模型。

(3)结果分析。通过计算，得到模型孔壁与钻杆间隙中模拟介质的静压数值，如图9(a)所示。由图9(a)可以看出在同一钻进模型入口处施加不同质量流量，通过增加数值模型入口的气体质量流量来模拟孔底揭露高压瓦斯富集区时，瓦斯气体释放增多的情况。模拟钻进过程中，入口处的压力在很大的情况下，经过均匀降压，在出口处压力也会达到平稳的状态，表明孔底组合钻具具有明显的阻尼效果，能够大幅削弱喷孔的气流压力，降低了高压气流在孔口高速喷出的风险。能够将喷孔源的高压气体降低到安全值。

图9 模型观测线上的静压Fig.9 Static pressure on observation lines of models

3 孔底组合钻具结构优化

3.1 阻尼钻杆长度优化

(1)计算模型。采用数值计算的方法对钻杆长度进行优化，其模型结构参照图6(b)，区别在于模型中熔涂阻尼钻杆长度分别设置为0.25、0.50、0.75、1.00 m，设置模型观测线长度为310、560、840、1 060 mm，模型观测线距离中心轴线均为35.94 mm。

(2)模型方程。模型方程同为标准k-ε模型。

(3)结果分析。通过计算得到模型孔壁与钻杆间隙中模拟介质的静压数值，如图9(b)所示。由图9(b)可得出随着钻杆长度增加，其压降增强，压降和阻尼钻杆长度呈正相关。阻尼钻杆短，阻尼效果不理想。阻尼钻杆长，不利于排渣。考虑现场施工钻具安装便捷和钻机到钻孔壁的距离，阻尼钻杆长度设置为1 m。

3.2 阻尼钻杆螺纹高度优化

(1)计算模型。采用数值计算的方法对阻尼钻杆螺纹高度进行优化，模型结构参照图6(b)，区别在于模型中熔涂阻尼钻杆螺纹高度分别设置为2.5、3.0、3.5、4.0 mm，设置模型观测线长度为1 000 mm，模型观测线距离中心轴线为35.94 mm。

(2)模型方程。模型方程同为标准k-ε模型。

(3)结果分析。通过计算得到模型孔壁与钻杆间隙中模拟介质的静压数值。如图9(c)所示，阻尼钻杆熔涂螺纹高度越高，沿程阻尼系数越大，摩擦风阻越大。在不影响正常钻进和排渣的前提下，阻尼钻杆螺纹高度尽可能取最大值。

3.3 揭露钻头直径优化

(1)计算模型。采用数值计算的方法对揭露钻头直径进行优化，模型结构参照图6(b)，区别在于揭露钻头直径分别设置为73.5、75.0、76.5、78.0 mm，模型观测线长度为1 000 mm，模型观测线距离中心轴线分别为35.94、37.44、38.94、40.44 mm。

(2)模型方程。模型方程同为标准k-ε模型。

(3)结果分析。通过计算得到模型孔壁与钻杆间隙中模拟介质的静压数值，如图9(d)所示。从图9(d)中可以看出“降压间隙”(揭露钻头直径与阻尼钻杆最大旋转外径之差)对阻尼效果影响较大。当钻头直径为73.5 mm 与75 mm 时孔内静压下降最快，都具有较好的阻尼效果。降压间隙减小到0 时，说明没有气体流动。综合考虑压降，当钻头直径为73.5 mm 时此时孔内降压间隙合适，其阻尼效果最好。

4 现场工业性试验

4.1 试验地点概况

工业性试验地点为山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿8 号煤层18407 轨道巷，2011 年矿井被鉴定为煤与瓦斯突出矿井，8 号煤层平均厚度2.74 m,工作面沿8 号煤层顶板回采，8 号煤层瓦斯含量在10.35～13.41 m3/t，是开采煤层瓦斯的主要来源[23]，工作面走向长2 096 m，采长235 m，煤层整体向南西倾斜，煤层倾角0°～7°。

屯兰矿8 号煤上覆K2 灰岩下方为0.15 m 厚煤层，L4 灰岩下方为0.75 m 厚煤层，瓦斯以游离状态存在于煤体和周围岩体的裂缝空隙之中，K2 灰岩和L4灰岩局部存在高压瓦斯富集区或高压溶洞瓦斯，使用矿上现有常规钻具，在8 号煤施工裂隙带穿层抽采钻孔时易发生瓦斯喷孔超限事故，由于常规钻具无法削弱孔内喷出瓦斯的压力，导致高压瓦斯沿常规孔口防喷装置向巷道溢散，从而造成瓦斯超限。

4.2 工业性试验方案

基于孔底组合钻具的结构优化，结合现场钻孔施工装备，孔底组合阻尼钻具结构参数为：揭露钻头直径73.5 mm，熔涂阻尼钻杆直径73 mm(钻杆中心杆体直径65 mm、熔涂螺纹高度4 mm)，扩孔钻头直径113 mm，如图10 孔底组合阻尼钻具所示。

图10 工业性试验孔底组合阻尼钻具Fig.10 Industrial test hole bottom combined damping drill

在18407 轨道巷顶板使用ZDY4000L 钻机，采用风水联动打钻，施工方位角45°、倾角25°和方位角35°、倾角20°这2 种钻孔。25°倾角钻孔如图11 所示。

图11 工业性试验25°倾角钻孔示意Fig.11 Schematic diagram 25° of industrial test drilling

4.3 工业性试验结果分析

在钻进工业性试验过程中，使用孔底组合阻尼钻具，累计有效钻进时间为22 d，共完成22 个钻孔，累计钻进深度为2 200 m。使用效果具体分析如下：

(1)使用矿上钻具供水阀门开度为半开，孔口渣水气混合体为喷出状，使用孔底组合阻尼钻具供水阀门开度为全开，孔口渣水气混合体为流出状，表明组合阻尼钻具对孔底流体有明显的阻尼作用，在钻入瓦斯富集区时同样对喷出的瓦斯具有阻尼作用。

(2)从钻进速度来看，矿上现使用钻具平均钻进速度为0.5 m/min，应用组合阻尼钻具平均钻进速度约为0.48 m/min，钻进速度略有降低，表明组合阻尼钻具对孔底排出的流体具有阻尼作用。

(3)正常钻进情况下，巷道内瓦检仪数值为0～0.10%，使用孔底组合阻尼钻具钻进，施工61 号孔时，巷道内瓦检仪数值由0.11%上升到0.36%，施工69 号孔时，巷道内瓦检仪数值由0.09%上升到0.41%，钻孔均揭露到高压瓦斯富集区时，孔口处检测到2 次明显瓦斯波动现象，但未形成喷孔，表明孔底组合阻尼钻具削弱瓦斯喷出压力作用显著。

5 结论

(1)通过降低高压瓦斯富集区揭露面积降低瓦斯喷出量，基于气流阻力力学方程定量分析，孔底组合阻尼钻具的阻尼效果随阻尼钻杆的螺纹高度和阻尼钻杆长度成线性增加；阻尼钻杆直径不变的情况下，揭露钻头直径决定着“降压间隙”的大小，“降压间隙”越小阻尼效果越好，阻尼钻杆结构设计应综合考虑降压间隙、巷道空间尺寸、钻机结构等因素。理论上增大阻尼钻杆螺纹高度可以提高沿程阻力系数，增加气体流动通道的阻力，增强阻尼效果，可以将孔底涌出瓦斯的压力降低到初始的25%以下。

(2)通过数值模拟，孔底组合阻尼钻具在钻进过程中，能够使喷孔产生的气流动力不断削弱，降低了高压气流在孔口高速喷出的风险，阻尼效果优于常规钻具，数值模拟优化后的组合阻尼钻具结构为揭露钻头直径为73.5 mm，阻尼钻杆直径为73 mm(钻杆中心杆体直径65 mm、熔涂螺纹高度4 mm)，扩孔钻头直径为113 mm。

(3)通过使用常规钻具和孔底组合阻尼钻具在屯兰矿进行工业性试验，使用常规钻具在8 号煤施工抽采钻孔易发生瓦斯喷孔超限，使用孔底组合阻尼钻具在8 号煤施工抽采钻孔，施工61 号孔，巷道内瓦检仪数值由0.11%上升到0.36%，施工69 号孔，巷道内瓦检仪数值由0.09%上升到0.41%，未形成喷孔，2 次瓦斯波动现象表明孔底组合阻尼钻具能够有效降低瓦斯喷出强度。