近年来，随着煤矿开采深度的增加[1,2,3],煤炭开采作业愈加困难，瓦斯事故发生的风险也逐年上升[4,5,6]。井下钻孔抽采瓦斯作为消除瓦斯灾害隐患的主要手段，钻孔施工难度大大增加[7,8,9],软弱破碎煤体使得孔内钻渣难以排出[10],进而发生堵孔[11]导致孔底温度升高甚至引发孔底瓦斯燃烧[12],严重阻碍煤矿安全高效生产。

针对抽采钻孔钻进排渣相关技术，业内学者和工程技术人员进行多方面研究，并且取得一定进展。孙玉宁等[13]提出“钻穴”概念，认为“钻穴”是顺层瓦斯抽采钻孔施工、成孔困难的根本原因。王永龙等[14]将钻进排渣过程中孔内气-水-渣混合物假设为具有一定密度的非牛顿体，基于数值模拟、现场测试等方式优化了螺旋刻槽钻杆结构参数。随后几年内又以涡量为重要参数之一，阐明棱状钻杆在钻孔钻进过程中的排渣原理[15]。温忠党[16]设计煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术，通过定向钻机和定向钻杆选型方案的合理化，钻进返渣量达200 kg/m以上。左伟芹等[17]基于水力排渣、风压排水的运输方式，研发下向钻孔水渣运输抽采一体化装备。

当前煤矿井下瓦斯抽采钻孔所使用的钻杆多为圆状刻槽钻杆[18]。钻孔施工过程中，由于钻杆与钻孔之间空间不足导致通风阻力较大，渣体难以排出孔外。为此，本文设计四翼内凹刻槽钻杆模型，提高钻孔常规排渣通道的同时，削弱因缩径等原因导致的排渣通道减小而带来的排渣困难效果。研究结果有效提高瓦斯抽采钻孔施工效率，并为抽采钻孔钻具设计提供参考。

1、钻杆几何数值模型

根据FM排渣原理(流体驱动、机械驱动排渣原理)排渣原理对钻杆进行分类，当前煤矿所使用圆状刻槽钻杆属FM排渣原理(流体驱动、机械驱动排渣原理)联合排渣钻杆，在流体排渣(风力排渣和水利排渣)的同时，圆状刻槽钻杆表面几何结构对孔内钻渣施加有机械驱动力，但由于圆状刻槽钻杆截面积所占钻孔截面积相对较大，致使孔内排渣通道空间较小，排渣效果欠佳。在现有技术装备基础上，进一步提高钻孔排渣通道空间，本文提出四翼内凹刻槽钻杆几何模型设计方案，在圆状刻槽钻杆表面沿轴线方向进行弧形内凹切槽，其结构如图1所示。

图1 四翼内凹刻槽钻杆结构示意

Φ73 mm四翼内凹刻槽钻杆如图1所示，弧形内凹切槽轮廓为Φ135 mm、与钻杆圆心距为100 mm的圆切入钻杆所得，其具有以下特点：

1)相较于传统圆状刻槽钻杆，四翼内凹刻槽钻杆保留了部分刻槽驱动面积，当孔内钻渣堆积时亦能保证机械驱动力，弧形内凹切槽使得孔内排渣通道空间增加，降低钻杆对钻渣群的压力，进而降低钻渣与钻杆壁、孔壁之间以及钻渣颗粒之间的摩擦阻力，促进高效排渣。

2)弧形内凹切槽相较于平面切槽，切槽轮廓线端部角度较大，变化较平滑，在使用风水联动排渣时，可有效避免渣水混合形成的煤泥附着在钻杆表面，导致排渣困难，甚至钻杆损坏失效。

3)钻杆在旋转过程中，气流在从翼部位到弧形内凹切槽部位时，流动面积增大，流速降低，即弧形内凹切槽部位为“高压低速区”,由于气流产生压力、流速差，从而在“高压低速区”产生“压差涡流”。利用Fluent数值模拟软件对四翼内凹刻槽钻杆和常规圆状刻槽钻杆做纯流体仿真，流体设置为空气，入口设置为速度入口，速度为15 m/s, 出口设置为压力出口，表压为0,钻杆旋转速度为280 rev/min, 模型如图2所示。

图2 钻杆数值模型

沿钻杆轴线方向选取y=300 mm处截面进行涡量分析并绘制涡量云图与涡量线。涡量云图及涡量线如图3所示。

图3 y=300 mm截面涡量及涡量线

由图3可知，在钻杆旋转钻进过程中，四翼内凹刻槽钻杆弧形内凹切槽部位气流产生具有明显影响范围和强度的“压差涡流”,由图3(a)可知，气流旋涡影响范围几乎覆盖弧形内凹切槽与钻孔壁之间的区域；由图3(b)可知，常规圆状刻槽钻杆在钻进过程中，钻杆旋转虽同样能产生气流旋涡，但漩涡影响面积有限，数量也少于四翼内凹刻槽钻杆产生的漩涡数。气流漩涡的存在有助于扬起落在沉积于钻孔底部的钻渣，在供风供水的条件下顺利排出孔外。

2、孔内排渣阻力力学模型

为方便分析，假设钻孔内排渣通道中的气-渣混合体为具有一定密度的非牛顿体，并在排渣通道内做沿程流动，这样的假设虽无法对尺度较小范围内甚至微观尺度下的运动行为进行精准分析，但对一定长度而面积不同的排渣通道内气-渣混合体运动状态对比具有相对较大的参考价值。

当气-渣混合物在排渣通道内运移时，由于混合体内摩擦力以及孔壁、钻杆壁面粗糙产生的阻力统称为沿程阻力，其计算如式(1)所示：

式中：λ为沿程阻力系数，λ∈(0,1);L为排渣通道长度，m; D为排渣通道截面直径，m; PD为混合流体动压，Pa。

混合流体在排渣通道中做沿程流动，则D取流道截面水力直径。

将图2所示数值模型作为研究对象，基于式(1)进行分析，对于相同孔径钻孔，取长度L一定，令λ相等。又因为孔内流体均为气-渣混合物，故ρ相等。由于相同钻头单位时间破煤量相同，故单位时间产生的混合体的质量流量相同，设为Q=100 kg/s, 则四翼内凹刻槽钻杆钻孔内流速v1=11.7 m/s, 圆状刻槽钻杆钻孔内流速v2=12.2 m/s。经计算，四翼内凹刻槽钻杆孔内流道截面水力直径D1=42.2 mm, 圆状刻槽钻杆孔内流道截面水力直径D2=40 mm。沿程阻力与沿程阻力系数λ关系如图4所示。

图4 沿程阻力对比

由图4可知，两钻杆孔内沿程阻力大小与沿程阻力系数近似成正比关系。当沿程阻力系数一定时，计算得四翼内凹刻槽钻杆孔内沿程阻力低于圆状刻槽钻杆孔内沿程阻力约13%。

3、钻杆几何参数优化

3.1 弧形内凹切槽圆心角优化

为保证钻杆具有足够的机械排渣效能，翼部所占圆心角的角度需得到保证。钻杆横截面如图5所示。

图5 弧形内凹切槽轮廓几何示意

由图5可知，四翼内凹刻槽钻杆表面的弧形内凹切槽截面轮廓可看作是圆B沿圆A径向切入圆A留下的弧线，即为弧

基于钻杆壁厚有限，在不影响钻杆强度前提下，弧形内凹切槽最大切入深度不应超过4 mm, 即

对应圆A的圆心角α大小应满足条件如式(2)所示：

当满足式(2)条件时，

才具有一定弧度，此时，设翼对应圆A的圆心角为γ,如式(3)所示：

γ的大小决定钻杆机械排渣效果的优劣，γ越大，则机械排渣效果更为明显，但同时弧形内凹切槽所占面积越小，则排渣通道截面积越小，反而不利于排渣；γ越小，排渣通道截面积得到保证，但钻杆表面结构对渣体的机械驱动力不足。故γ的大小对钻杆的排渣能力具有关键影响。取γ分别为40°,45°,50°,55°,弧形内凹切槽切入深度4 mm, 分析比较各自对应的排渣效果，得到最优方案。为考察钻杆排渣性能。使用Fluent-EDEM耦合计算进行数值模拟。取钻孔模型长度为580 mm, Fluent计算模型如图6所示。

图6 Fluent模拟模型

Fluent关于钻孔风力排渣模拟采用Realizable k-ε模型，壁面函数选择SWF标准壁面函数。流体类型设置为空气，入口设置为速度入口，速度为15 m/s, 出口设置为压力出口，表压为0 Pa, 钻杆旋转速度为280 rev/min。数值计算前读入Fluent-EDEM耦合接口并实现连接，EDEM模型如图7所示。

图7 EDEM模拟模型

EDEM关于钻孔排渣模拟采用的是Hertz-Mindlin with Standard Rolling Friction模型，其可用于常规颗粒接触、滚动摩擦作用的过程模拟。颗粒工厂设置为动态工厂，颗粒产生速度为3×105 个/s, 颗粒总数为4.5×104个，模拟时间全长为0.15 s。颗粒物理力学性质如表1所示。

表1 颗粒物理性质

数值模拟结果如图8所示。

图8 不同γ孔内压力及渣体运移情况

由图8可知：

1)在钻孔钻进过程中会出现大量钻渣，使用四翼内凹刻槽钻杆进行钻孔施工，孔内钻渣在风力(流体排渣)和钻杆表面结构(机械排渣)共同作用下相对均匀的分布在排渣通道中，说明使用四翼内凹刻槽钻杆钻进可以有效避免孔内渣体堆积导致的排渣困难甚至钻孔喷孔。

2)在y分别为150,300,450 mm处设置监测面，可知在钻杆翼部对应钻杆截面圆心角γ分别为40°,45°,50°,55°时，钻孔内钻渣运移距离在0.15 s内均超过450-10=440 mm, 排渣性能良好。

3)由颗粒运移速度标签可知，当γ=55°时，渣体运移速度极值较其他γ值的模型最大。

对孔内运移距离超过400 mm的颗粒数量和孔内颗粒运移速度超过0.5 m/s对应颗粒数量分布进行统计，统计结果分别如图9和图10所示。

图9 不同γ值颗粒运移距离-数量分布

图10 不同γ值颗粒运移速度-数量分布

由图9和图10可知。

1)当γ=55°时，颗粒运移距离最大，从不同运移距离的颗粒数量分布来看，γ=55°时对应钻杆的孔内颗粒数量分布也相应较大，则γ=55°具有相对优越的排渣性能。

2)当运移速度小于5 m/s时，γ=45°钻杆对应孔内颗粒数量普遍大于其他3种钻杆；当运移速度大于5 m/s而小于5.5 m/s时，γ=50°钻杆对应孔内颗粒数量大于其他3种钻杆；当运移速度大于5.5 m/s时，γ=55°钻杆对应孔内颗粒数量大于其他3种钻杆，此处对孔内颗粒运移速度大于等于0.5 m/s, 且小于等于7 m/s的颗粒平均速度进行计算，如式(4)所示：

式中：为不同γ值对应的孔内颗粒平均运移速度，m/s; nγ(v)为不同γ值孔内颗粒速度对应颗粒数量函数；N为孔内颗粒总数，个。

计算结果如表2所示。

由表2可知，当γ=55°时，孔内颗粒平均速度最大，由图9～10可知，当γ=55°时，钻杆排渣性能最优。

表2 颗粒平均速度计算汇总(不同γ值)

3.2 弧形内凹切槽切入深度优化

由上文可知，当钻杆翼部圆心角γ=55°时，即弧形内凹切槽所对圆心角α=35°时，钻杆钻进过程中排渣性能最优。此处对弧形内凹切槽切入深度进行研究。为保证弧形内凹切槽轮廓

具有一定弧度，此时的切入深度

应满足条件如式(5)所示：

为方便计算对比，取切入深度

分别为2.5,3,3.5,4 mm。为考察钻杆排渣性能，使用Fluent-EDEM耦合计算进行数值模拟，各计算模型、方法与上文中模型、方法一致。模拟综合结果如图11所示。

图11 不同

值孔内压力及渣体运移情况

由图11可知，使用四翼内凹刻槽钻杆能够有效避免孔内颗粒堆积，保证钻杆排渣功能。当钻杆

分别为2.5,3,3.5 mm时，孔内颗粒运移速度最大值和运移最大距离明显小于

mm钻杆。统计结果分别如图12和图13所示。

图12 不同

值颗粒运移距离-数量分布

图13 不同

值颗粒运移速度-数量分布

由图12可知，当钻杆

4mm时，其运移距离及颗粒数量远远高于其他3种

值钻杆；由图13可知，当颗粒运移速度值小于4.3 m/s时，

5mm 3种尺寸钻杆孔内颗粒运移速度及相应的数量分布相差不多且变化趋势一致，均高于

4mm尺寸钻杆孔内颗粒运移速度及相应数量分布；当颗粒运移速度大于4.3 m/s时，

4mm尺寸钻杆孔内颗粒运移速度及相应数量分布则显著高于其他3种尺寸钻杆，且运移速度最大值也大幅高于其他3种尺寸钻杆。对4种

值对应钻杆孔内颗粒运移平均速度进行计算，结果如表3所示。

表3 颗粒平均速度计算汇总(不同

4mm尺寸钻杆对应孔内颗粒运移平均速度最大，且排渣效果最佳。

3.3 结果分析

结合数值模拟计算结果，通过监测不同几何参数钻杆钻孔内颗粒运移距离、颗粒运移速度分布，得出结论：当弧形内凹切槽轮廓

所对圆心角α=35°、切入深度

4mm时，钻杆排渣性能最优。

4、工业性试验

某矿属突出矿井，主采2#、8#煤层。该矿地质条件复杂，瓦斯相对涌出量46.36 m3/t。工业性试验地点选择2#煤层12511胶带运输巷，该矿以往使用普通圆状刻槽钻杆进行钻孔施工，使用四翼内凹刻槽钻杆，并以钻孔钻进深度作为工业性试验指标，通过统计对比两者各项性能参数以证明钻杆优越性。四翼内凹刻槽钻杆实物如图14所示。

图14 四翼内凹刻槽钻杆

统计使用四翼内凹刻槽钻杆及圆状刻槽钻杆施工抽采钻孔的终孔深度和班进尺深度，并进行对比，对比结果分别如图15和图16所示。

图15 两钻杆施工终孔深度对比

图16 班进尺深度统计对比

由图15和图16可知，使用四翼内凹刻槽钻杆施工时，每班进尺深度普遍高于使用圆状刻槽钻杆施工的班次；此外在终孔深度方面，使用四翼内凹刻槽钻杆施工的钻孔终孔深度均高于使用圆状刻槽钻杆施工的钻孔。这是由于使用四翼内凹刻槽钻杆施工时，其排渣性能良好，钻孔钻进产生的钻渣能够更快速地向孔外运移，避免了钻屑的孔内堆积，影响钻进效率。

5、结论

1)针对当前应用较广的圆状刻槽钻杆可能具有的排渣困难问题，提出四翼内凹刻槽钻杆模型

构想，通过钻杆表面加工弧形内凹切槽以增大更大的排渣通道截面积，同时保留螺旋刻槽使得钻杆仍然具有机械排渣效果。使用Fluent软件对孔内截面涡量进行模拟验证，结果表明四翼内凹刻槽钻杆旋转过程中会在孔内弧形内凹切槽处产生强度更大、范围更广的“压差涡流”以扬起孔内钻渣，避免了孔内钻渣堆积，促进钻渣顺利排出孔外。

2)将孔内气-渣耦合体看作是具有一定密度的非牛顿流体，并计算比较圆状刻槽钻杆和四翼内凹刻槽钻杆在钻孔钻进过程中孔内流体运移时所受沿程阻力，结果表明使用四翼内凹刻槽钻杆施工，孔内沿程阻力值较圆状刻槽钻杆低13%。

3)使用Fluent-EDEM数值模拟软件耦合计算，以颗粒运移距离和颗粒运移速度作为评价指标，根据计算结果对四翼内凹刻槽钻杆表面结构进行尺寸优化，最终确定钻杆表面弧形内凹切槽所对圆心角α=35°、切入深度

4)加工优化后的翼型内凹阻尼钻具并在某矿进行工业性试验，通过钻孔终孔深度和班进尺长度的比较，证明四翼内凹刻槽钻杆的排渣效果明显优于圆状刻槽钻杆排渣效果。

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基金资助:国家自然科学基金项目(41872188); 河南省科技攻关计划项目(232102320240); 河南省高等学校重点科研项目(24A440008);

文章来源:王永龙,杜康,余在江,等.四翼内凹刻槽钻杆高效排渣钻进技术研究[J].中国安全生产科学技术,2024,20(05):162-169.