一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的结构及设计方法
技术领域
本发明属于瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的结构及设计方法。
背景技术
我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，瓦斯治理一直是困扰突出矿井安全生产与产能提高的难题，利用钻孔预抽煤层瓦斯是防治瓦斯事故常用有效措施。目前，部分突出矿井为提高抽采效果在施工抽采钻孔基础上通过水力冲孔扩大煤层卸压范围，提高卸压范围内煤层透气性，有效降低煤层瓦斯压力和含量，实现防治煤与瓦斯突出目的。由于突出煤层绝大多数为松软破碎的严重破坏煤体，进行了中高压水力冲孔包括水力排粉钻进钻孔，高压水沿煤层孔裂隙楔入煤体中，与冲孔后煤层大范围卸压沟通煤层以及煤层顶底板的原始含水量，在封孔抽采后共同或单独引发破碎煤体片帮，形成煤泥水堆积在抽采钻孔下部的抽采钻孔中，影响抽采管路瓦斯流动通道，抽采瓦斯量上下剧烈波动，甚至完全堵塞抽采管路，造成抽采钻孔报废。
为保证中高压水力冲孔与水力排粉钻孔抽采管路畅通，煤矿工程技术人员与科研院校研究人员实施了下筛管防止冲孔煤水堵塞抽采瓦斯技术。现场实测数据表明，下筛管进行瓦斯抽采时平均瓦斯浓度要比不下筛管抽放时高20%以上，而且下筛管的钻孔深度越长，钻孔预抽达标时间越短。由此可见下筛管进行瓦斯抽采能够达到很好防治瓦斯效果。但是，由于矿井地质构造复杂，突出煤层孔壁煤体稳定性差，孔壁易垮塌，如果使用目前使用的一般筛管，仍有细小煤颗粒、煤泥以及煤水通过管道筛孔进入到瓦斯管道内，对抽采系统造成堵塞损坏，影响抽采效果，对煤矿安全生产产生一定影响。
目前使用的瓦斯抽采筛管由于设计筛孔开口方向和筛孔总数、总面积时没有充分考虑钻孔瓦斯流动特征和瓦斯抽采流量，可能出现以下情况：（1）细小的煤炭颗粒、煤水和煤泥容易堵塞筛孔，通过筛孔进入抽采管路内，堵塞抽采管路增大抽采阻力，损坏抽采系统，影响抽采效果。（2）冲孔半径大影响范围大，卸压煤量多，钻孔抽采初期瓦斯涌出量大，筛管内瓦斯流速远高于经济流速，增大抽采阻力，不能满足抽放需求。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、结构简单、提高瓦斯抽采效果的防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的结构及设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的结构，包括竖向设置的筛管，筛管长度为3000mm，筛管外径为59mm，筛管内径为51mm，筛管上端口设有堵板，筛管下端口与瓦斯抽采管连接，筛管上均匀开设有若干个筛孔，每个筛孔外部或内部均设置有防堵孔结构。
筛孔外部的防堵孔结构为凸出于筛管外圆的防堵帽，防堵帽为空心六面体结构，筛孔的中心线沿筛管的径向方向设置，防堵帽的内侧固定连接有外螺纹套，外螺纹套伸入并螺纹连接在筛孔内，外螺纹套外套设有橡胶圈，防堵帽的内侧通过橡胶圈压紧筛管外圆，防堵帽的内侧开设有与外螺纹套内部连通的通孔，防堵帽的下侧面开设有敞口的进气孔。
筛孔的孔径和外螺纹套的外径均为13mm，沿筛管长度方向相邻两个筛孔之间的距离为200mm, 外螺纹套和通孔的内径均为10mm，进气孔的边缘形状为等腰梯形，等腰梯形上底、下底和高分别为12mm 、15mm和6mm。
筛孔内部的防堵孔结构为倾斜结构，即筛孔的中心线与筛管中心线的夹角为锐角，筛孔内端口的最下侧高于或等于筛孔外端口的最上侧。
筛管壁厚L1为4mm，筛孔外端口沿筛管长度方向的尺寸d1为10mm，筛孔内端口的最下侧与筛孔外端口的最下侧之间沿筛管长度方向的距离L2为11.2mm，筛孔的中心线与筛管中心线的夹角为等于20°。
一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的设计方法，包括以下步骤：
（1）实测煤矿井下钻场前期钻孔瓦斯涌出量，绘制钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图；
根据抽采钻孔煤层瓦斯流动理论，钻孔瓦斯涌出量随着时间的推移呈衰减趋势，钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图中表征钻孔自然瓦斯涌出特征参数有2个: 钻孔初始自然瓦斯流量 q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数α，通过q0和α值可以通过测定不同时间钻孔自然瓦斯涌出量，按下式回归分析求得：
式中: qt—时间为 t 时的钻孔自然瓦斯流量，m3/ min;
q0—时间 t = 0 时的钻孔初始自然瓦斯流量，m3/min;
α—钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d－1
t—钻孔自排瓦斯时间，d；
e—自然底数；
在钻孔刚揭露煤层时钻孔初始自然瓦斯流量q0为钻孔内最大瓦斯涌出量，受煤层瓦斯赋存与涌出非均衡性影响，钻孔垮孔影响瓦斯涌出具有波动性，有时瓦斯涌出会突然变大。
（2）设计筛管的筛孔时瓦斯涌出量取初始瓦斯涌出量q0的2倍作为富余系数；同时考虑管道内流体流动阻力与管道周长呈正比，筛孔增多筛孔周长相应增大，以及气体流动局部阻力特征，为防止瓦斯流入筛孔时局部阻力变大，设计筛孔的总面积S筛孔等于筛管的横截面积S横截的2倍，筛管内瓦斯流速V满足经济流速；
（3）根据上述要求并结合步骤（1）中测出的现场数据，设计针对该煤矿井下钻场冲孔的设计筛孔的总面积S筛孔等于筛管的横截面积S横截的2倍；
（4）计算得出筛孔的半径和筛管上筛孔的数量；
（5）在筛管上沿径向方向钻筛孔，同时制作防堵帽和外螺纹套；
（6）将橡胶圈套到外螺纹套上，手持防堵帽将外螺纹套拧入筛孔中，拧紧后使进气孔朝下，这样可使煤水、煤泥通过筛孔时在重力的作用而无法进入筛管内，瓦斯在抽采负压作用下被抽入筛管内。
一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的设计方法，包括以下步骤：
（1）实测煤矿井下钻场前期钻孔瓦斯涌出量，绘制钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图；
根据抽采钻孔煤层瓦斯流动理论，钻孔瓦斯涌出量随着时间的推移呈衰减趋势，钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图中表征钻孔自然瓦斯涌出特征参数有2个: 钻孔初始自然瓦斯流量 q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数α，通过q0和α值可以通过测定不同时间钻孔自然瓦斯涌出量，按下式回归分析求得：
式中: qt—时间为 t 时的钻孔自然瓦斯流量，m3/ min;
q0—时间 t = 0 时的钻孔初始自然瓦斯流量，m3/min;
α—钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d－1
t—钻孔自排瓦斯时间，d；
e—自然底数；
在钻孔刚揭露煤层时钻孔初始自然瓦斯流量q0为钻孔内最大瓦斯涌出量，受煤层瓦斯赋存与涌出非均衡性影响，钻孔垮孔影响瓦斯涌出具有波动性，有时瓦斯涌出会突然变大。
（2）设计筛管的筛孔时瓦斯涌出量取初始瓦斯涌出量q0的2倍作为富余系数；同时考虑管道内流体流动阻力与管道周长呈正比，筛孔增多筛孔周长相应增大，以及气体流动局部阻力特征，为防止瓦斯流入筛孔时局部阻力变大，设计筛孔的总面积S筛孔等于筛管的横截面积S横截的2倍，筛管内瓦斯流速V满足经济流速；
（3）根据上述要求并结合步骤（1）中测出的现场数据，设计针对该煤矿井下钻场冲孔的设计筛孔的总面积S筛孔等于筛管的横截面积S横截的2倍；
（4）计算得出筛孔的半径和筛管上筛孔的数量；
（5）在保证筛孔内端口的最下侧高于筛孔外端口的最上侧，煤水、煤泥通过筛孔时在重力的作用而无法进入筛管内，瓦斯在抽采负压作用下被抽入筛管内，设计筛孔中心线的倾斜角度，即筛孔的中心线与筛管中心线的夹角。
采用上述技术方案，本发明利用煤水与瓦斯气体的密度差以及瓦斯气体扩散性，采用低负压环境中固、液受重力作用下降，气体受负压驱使流动进入筛管的方法，使气液、气固分离，实现防止冲孔煤泥水堵塞抽采管路的目的；为保证瓦斯抽采过程中瓦斯流动阻力满足工程要求，根据钻孔瓦斯涌出规律，本发明设计了筛孔的总面积与筛孔数量计算方法，筛孔的结构及排列方式；根据现场实际抽采钻孔和筛孔几何尺寸，设计了两种抽采瓦斯筛管的防堵结构。两种筛管的顶端均设有堵板不开口，根据钻孔瓦斯流动情况，第一种筛管设计了一种安装在筛孔上的防煤水堵塞帽，防堵帽开口方向沿筛管径向朝下，有效屏蔽煤水进入到筛管内；第二种筛管设计筛孔开口方向向上倾斜，与筛管轴线成一定角度，筛孔外侧高度全部低于筛孔内侧高度，使瓦斯在抽采负压作用下通过防堵帽和筛孔进入筛管与抽采管路中，细小煤炭颗粒、煤水和煤泥由于防堵帽隔档和自身重力而无法进入管路中来。
在设计时考虑到以下条件：筛管上的筛孔个数、总面积满足冲孔瓦斯涌出量最大时段瓦斯流速小于经济流速要求。钻孔瓦斯涌出量随时间延长发生负指数幂衰减，钻孔施工与冲孔完成后，以及垮孔后一段时间内瓦斯涌出量最大，为满足此时段瓦斯抽采需要，根据抽采地区煤层瓦斯含量、瓦斯压力、煤层渗透性、冲孔直径大小与卸压范围，确定冲孔最大瓦斯涌出量，计算出筛管内最大瓦斯流速，据此流速以及管道气体流动阻力、局部阻力特点设计筛孔个数、总面积，保证在瓦斯经筛孔流入筛管阶段流速小于筛管内瓦斯流速，防止瓦斯流动阻力大幅度增加。
本发明中的筛管均竖向设置，也可以倾斜布置，筛管与其连接的抽采套管为一整套封孔器材，全部筛孔沿筛管周围等夹角、轴向等间距分布，筛管长度等于或略小于钻孔内煤孔长度，钻孔其余长度采用套管，为煤水堆积、储存提供空间。
综上所述，本发明按照《煤矿安全规程》相关技术标准和要求，原理科学，结构简单，较好地解决了冲孔后煤水堵塞筛孔、堵塞抽采管路、抽采阻力大抽采效果差等问题，能够保证瓦斯抽采系统畅通。
附图说明
图1为本发明中筛管实施例一的结构示意图；
图2是图1中A处的放大图；
图3是本发明中防堵帽的正视图；
图4是图3的侧视图
图5是图3的俯视图；
图6是钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图；
图7是本发明中筛管实施例二的结构示意图；
图8是图7中B处的放大图；
图9是图7中筛管倾斜设置时筛孔内端口的最下侧高度等于筛孔外端口的最上侧的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：如图1-图5所示，本发明的一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管的结构，包括竖向设置的筛管1，筛管1长度为3000mm，筛管1外径为59mm，筛管1内径为51mm，筛管1壁厚L为4mm，筛管1上端口设有堵板2，筛管1下端口与瓦斯抽采管连接，筛管1上均匀开设有若干个筛孔3，每个筛孔3外部均设置有防堵孔结构。
筛孔3外部的防堵孔结构为凸出于筛管1外圆的防堵帽4，防堵帽4为空心六面体结构，筛孔3的中心线沿筛管1的径向方向设置，防堵帽4的内侧固定连接有外螺纹套5，外螺纹套5伸入并螺纹连接在筛孔3内，外螺纹套5外套设有橡胶圈6，防堵帽4的内侧通过橡胶圈6压紧筛管1外圆，防堵帽4的内侧开设有与外螺纹套5内部连通的通孔7，防堵帽4的下侧面开设有敞口的进气孔8。
筛孔3的孔径和外螺纹套5的外径均为13mm，沿筛管1长度方向相邻两个筛孔3之间的距离为200mm, 外螺纹套5和通孔7的内径均为10mm，进气孔8的边缘形状为等腰梯形，等腰梯形上底、下底和高分别为12mm 、15mm和6mm。
一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管1的设计方法，包括以下步骤：
（1）实测煤矿井下钻场前期钻孔瓦斯涌出量，绘制钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图，如图6所示；
根据抽采钻孔煤层瓦斯流动理论，钻孔瓦斯涌出量随着时间的推移呈衰减趋势，钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图中表征钻孔自然瓦斯涌出特征参数有2个: 钻孔初始自然瓦斯流量 q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数α，通过q0和α值可以通过测定不同时间钻孔自然瓦斯涌出量，按下式回归分析求得：
式中: qt—时间为 t 时的钻孔自然瓦斯流量，m3/ min;
q0—时间 t = 0 时的钻孔初始自然瓦斯流量，m3/min;
α—钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d－1
t—钻孔自排瓦斯时间，d；
e—自然底数；
在钻孔刚揭露煤层时钻孔初始自然瓦斯流量q0为钻孔内最大瓦斯涌出量，受煤层瓦斯赋存与涌出非均衡性影响，钻孔垮孔影响瓦斯涌出具有波动性，有时瓦斯涌出会突然变大。
（2）设计筛管1的筛孔3时瓦斯涌出量取初始瓦斯涌出量q0的2倍作为富余系数；同时考虑管道内流体流动阻力与管道周长呈正比，筛孔3增多筛孔3周长相应增大，以及气体流动局部阻力特征，为防止瓦斯流入筛孔3时局部阻力变大，设计筛孔3的总面积S筛孔等于筛管1的横截面积S横截的2倍，筛管1内瓦斯流速V满足经济流速；
（3）根据上述要求并结合步骤（1）中测出的现场数据，设计针对该煤矿井下钻场冲孔的设计筛孔3的总面积S筛孔等于筛管1的横截面积S横截的2倍；
以上面实测矿井冲孔瓦斯抽采为例进行说明。通过现场实测该矿钻孔初始自然瓦斯流量。根据
筛管1内平均流速符合经济流速要求。
设计单个圆形筛孔3直径为8mm，则单个圆形筛孔3面积为
（4）计算得出筛孔3的半径和筛管1上筛孔3的数量；
由于瓦斯通过筛孔3进入筛管1时会发生节流收缩，所以设计筛孔3时需将筛孔3面积乘以系数1.6，则单个圆形筛孔3的半径为5mm，直径d3为10mm；
筛管1上筛孔3个数为N
所以，筛管1上的筛孔3至少要设计50个，才能满足要求。
筛管1由于筛孔3上要安装防堵帽4，所以筛孔3直径设计为13mm，筛孔3设计52个。
（5）在筛管1上沿径向方向钻筛孔3，同时制作防堵帽4和外螺纹套5；
（6）将橡胶圈6套到外螺纹套5上，手持防堵帽4将外螺纹套5拧入筛孔3中，拧紧后使进气孔8朝下，这样可使煤水、煤泥通过筛孔3时在重力的作用而无法进入筛管1内，瓦斯在抽采负压作用下被抽入筛管1内。
实施例二：如图7-图9所示，一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管1的结构，包括竖向设置的筛管1，筛管1长度为3000mm，筛管1外径为59mm，筛管1内径为51mm，筛管1壁厚L1为4mm，筛管1上端口设有堵板2，筛管1下端口与瓦斯抽采管连接，筛管1上均匀开设有若干个筛孔3，每个筛孔3内部均设置有防堵孔结构。
筛孔3内部的防堵孔结构为倾斜结构，即筛孔3的中心线与筛管1中心线的夹角为锐角，筛孔3内端口的最下侧高于或等于筛孔3外端口的最上侧。
筛孔3外端口沿筛管1长度方向的尺寸d1为10mm，筛孔3内端口的最下侧与筛孔3外端口的最下侧之间沿筛管1长度方向的距离L2为11.2mm，筛孔3的中心线与筛管1中心线的夹角等于20°。
一种防止冲孔煤水堵塞瓦斯抽采筛管1的设计方法，包括以下步骤：
（1）实测煤矿井下钻场前期钻孔瓦斯涌出量，绘制钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图；
根据抽采钻孔煤层瓦斯流动理论，钻孔瓦斯涌出量随着时间的推移呈衰减趋势，钻场前期钻孔瓦斯涌出量衰减图中表征钻孔自然瓦斯涌出特征参数有2个: 钻孔初始自然瓦斯流量 q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数α，通过q0和α值可以通过测定不同时间钻孔自然瓦斯涌出量，按下式回归分析求得：
式中: qt—时间为 t 时的钻孔自然瓦斯流量，m3/ min;
q0—时间 t = 0 时的钻孔初始自然瓦斯流量，m3/min;
α—钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d－1
t—钻孔自排瓦斯时间，d；
e—自然底数；
在钻孔刚揭露煤层时钻孔初始自然瓦斯流量q0为钻孔内最大瓦斯涌出量，受煤层瓦斯赋存与涌出非均衡性影响，钻孔垮孔影响瓦斯涌出具有波动性，有时瓦斯涌出会突然变大。
（2）设计筛管1的筛孔3时瓦斯涌出量取初始瓦斯涌出量q0的2倍作为富余系数；同时考虑管道内流体流动阻力与管道周长呈正比，筛孔3增多筛孔3周长相应增大，以及气体流动局部阻力特征，为防止瓦斯流入筛孔3时局部阻力变大，设计筛孔3的总面积S筛孔等于筛管1的横截面积S横截的2倍，筛管1内瓦斯流速V满足经济流速；
（3）根据上述要求并结合步骤（1）中测出的现场数据，设计针对该煤矿井下钻场冲孔的设计筛孔3的总面积S筛孔等于筛管1的横截面积S横截的2倍；
以上面实测矿井冲孔瓦斯抽采为例进行说明。通过现场实测该矿钻孔初始自然瓦斯流量。根据
筛管1内平均流速符合经济流速要求。
设计单个圆形筛孔3直径为8mm，则单个圆形筛孔3面积为
（4）计算得出筛孔3的半径和筛管1上筛孔3的数量；
由于瓦斯通过筛孔3进入筛管1时会发生节流收缩，所以设计筛孔3时需将筛孔3面积乘以系数1.6，则单个圆形筛孔3的半径为5mm，直径d3为10mm；
筛管1上筛孔3个数为N
所以，筛管1上的筛孔3至少要设计50个，才能满足要求；
如图8所示，筛管1上的筛孔3开口方向斜向上与筛管1轴线夹角为β；
式中L1为筛管1管壁厚度，β为筛孔3开口方向与筛管1轴线的夹角；d1为筛孔3外端口沿筛管1长度方向的尺寸，L2为筛孔3内端口的最下侧与筛孔3外端口的最下侧之间沿筛管1长度方向的距离；
本次设计筛孔3开口方向斜向上与筛管1轴线夹角β为20°，筛孔3设计56个
（5）在保证筛孔3内端口的最下侧高于或等于筛孔3外端口的最上侧，煤水、煤泥通过筛孔3时在重力的作用而无法进入筛管1内，瓦斯在抽采负压作用下被抽入筛管1内，设计筛孔3中心线的倾斜角度，即筛孔3的中心线与筛管1中心线的夹角。
如图9所示，筛管1倾斜设置时筛孔3内端口的最下侧高度等于筛孔3外端口的最上侧时，即为筛管1竖向布置时最大的倾斜度。
n为筛管1旋转角度，L为水平线，则n+β+θ=90°，又δ+β+θ=90°，所以n=δ，其中β为开口角度，β=20°。BC=11.2-10=1.2mm,由图可知tanδ=tann=BC/AC=1.2/4=0.3,BC为筛管1壁厚4mm。n=arctan(0.3)=16.6992°。所以当筛管1与竖直方向呈16.6992°时A、B两点高度相同。为保证B点高于A点，筛管1的旋转角度应该小于16.6992°，取16°。所以筛管1的竖向设置的旋转范围为-16°～16°（以竖直方向为基点，逆时针为负，顺时针为正）。
本发明所设计的两种瓦斯筛管，可以有效解决气孔堵塞导致抽采系统故障等问题，实施例一中筛管1加工简单且可以节省加工费用，但因防堵帽4的安装，增大了该筛管1的直径范围，在操作过程中需考虑钻孔直径；实施例二中筛管1可解决筛管1所带来的问题，但不易加工生产，且适用的倾斜角度有限。在实际应用中可结合实际进行选择。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
