随着我国煤炭开采深度的不断增加，地质条件越发复杂，高瓦斯突出矿井日益增多，煤与瓦斯突出危害已成为制约煤矿安全生产的重要因素[1-2]。突出防治的根本措施是瓦斯抽采，利用钻孔预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的主要措施[3-4]。煤矿井下的复杂地层尤其是松软煤层或松软突出煤层，钻孔时易引起孔壁坍塌、破坏，或是瓦斯压力聚积后突然释放，其携带的大量煤粉颗粒阻塞钻孔，均会破坏瓦斯的抽采通道，造成瓦斯抽不出或抽采量减少[5]。采用筛管护孔可有效避免因钻孔坍塌导致的钻孔失效，较好地保持瓦斯抽采通道畅通，已成为煤矿井下瓦斯抽采孔完孔护壁的主要措施[6-8]。
目前，人们对煤矿瓦斯抽采用筛管的抗挤压强度等物理力学性能和结构设计优化等方面进行了一定研究。例如，王力分析了不同过流面积比下，不同结构筛管的抗围压强度以及下入强度[9]。苏海洋等利用有限元分析软件建立不同割缝参数下的筛管模型，对煤层气水平井塑料割缝筛管的强度、应力分布及变形进行了分析研究并做了优化设计[10]。王同涛等对基于塑性铰模型的煤层气完井筛管进行了抗挤强度分析计算[11]。付利等对煤层气水平井完井用塑料筛管做了几何参数的优化设计[12]。但对于筛管的煤粉通过性对抽采效果的影响研究较少，尤其是常规的圆孔筛管与割缝筛管的瓦斯抽采效果对比研究匮乏[13]。鉴于煤粉是散体颗粒，具有高度非连续性和各向异性的特点[14]，因此采用基于离散单元法的PFC3D 颗粒流软件[15]，建立了筛管圆眼和割缝附近局部范围内的煤粉颗粒流模型，对围压下煤粉通过性进行了数值模拟[16-17]。分析了筛管缝眼参数变化对煤粉颗粒通过性能的影响规律，并通过现场抽采试验，研究筛管的煤粉颗粒体积通过量与瓦斯抽采效果的相关性，为瓦斯抽采筛管的设计提供理论支撑。
1 煤粉颗粒流数值分析
1.1 模型建立
数值模拟中的所有筛管均采用煤矿井下双抗 U-PVC 管，外径 32 mm，壁厚 2.9 mm，公称压力1.6 MPa。其规格设计为2种类型:一种为圆孔筛管，孔径为2～10 mm;另一种为矩形割缝筛管，缝长20～80 mm，缝宽 2～8 mm，割缝长度方向与筛管长度方向平行。计算时对模型规格进行相关简化，建立筛眼和割缝周围某一小范围内的模型(图1)。对于圆孔筛管，定义圆柱体内为求解范围，圆柱面及顶面为所要建立模型的边界，圆柱体底面为筛管壁，底面开有筛眼,在局部小范围内将筛管壁近似看作平面来处理;对于割缝筛管，定义矩形体内为求解范围，除底面外的其余5个面为所要建立模型的边界，矩形体底面为筛管壁，底面开有矩形割缝，在局部小范围内将筛管壁近似看作平面来处理。
图1 求解模型
Fig.1 Solving model
1.2 微观参数匹配
对于颗粒流模型，介质的宏观力学性质需要通过对颗粒的几何参数、接触特性等进行赋值而间接获得，从而使颗粒模型介质体现的宏观性质与实际介质的宏观性质相匹配。考虑到钻孔内易于通过筛眼或割缝的大多为黏聚力很小的煤粉颗粒，难以通过常用三轴压缩试验进行赋值，因此采用 PFC3D中的滑动模型来进行模拟[18]，颗粒微观参数取值采用煤粉的天然休止角模拟试验进行匹配。
煤粉试样收集自淮北矿区童亭煤矿864工作面的瓦斯抽采钻孔内，测得其物性参数，采用均匀算法生成相应级配的颗粒模型[19-20](表1)，并不断调整颗粒的微观参数取得模拟休止角与煤粉天然休止角对应的颗粒参数值，作为相应的颗粒微观参数赋值(表2)。
表1 煤粉颗粒级配及休止角匹配
Table 1 Coal particle grading and angle of repose
项目煤粉各粒组(d,mm)质量分数/%≥2.01.0≤d<2.00.5≤d<1.00.25≤d<0.50.075≤d<0.25d<0.075天然休止角/(°)平均含水率/%室内测试39.717.036.93.91.90.641.01.46模拟颗粒39.817.236.63.72.00.741.2—
表2 颗粒和墙体的微观物理参数
Table 2 Microscopic physical parameters of particles and walls
颗粒法向黏结强度/Pa切向黏结强度/Pa法向刚度/(GN·m-1)切向刚度/(GN·m-1)围压/MPa摩擦因数密度/(kg·m-3)墙体法向刚度/(GN·m-1)切向刚度/(GN·m-1)1251300.10.11.60.51 7801010
1.3 煤粉颗粒通过性分析
依据匹配的颗粒级配在模型内部生成颗粒，并按随机位置将颗粒在区域内填充，模拟筛管周围煤层，通过循环来消除试样内部非均匀应力。对于圆孔筛管和割缝筛管求解区域，分别通过伺服控制圆柱体和矩形体边界墙体的方法对模型在x，y，z三个方向施加煤粉在原有地应力作用下的等效应力。初始化所有颗粒的速度、位移均为0;将割缝(圆孔)处墙体删除，继续进行循环计算，研究颗粒在缝隙中的通过性能。
设定围压为1.6 MPa，分别求解筛眼直径2～10 mm、割缝宽度2～8 mm、割缝长度20～80 mm内变化情况下通过单个筛眼或割缝的煤粉体积量，并换算同等过流面积(100 mm2)下的颗粒体积通过量。
图2 穿过筛眼(割缝)的颗粒体积随筛眼直径、割缝参数的变化关系
Fig.2 Relationship of particles volume passing through the round-hole (slit) with round-hole diameter and slotting parameters
由图2(a)可以看出，煤粉通过体积量均随筛眼直径或割缝宽度和长度的增加而增大;对于圆孔筛管，其增长趋势曲线拟合为一元二次方程，说明随着筛眼直径增大，煤粉通过体积量呈指数增加趋势;对于割缝筛管，其增长趋势曲线均拟合为一元一次方程，说明煤粉通过体积量基本随割缝宽度和长度的增加呈线性增大，且随割缝宽度增加的趋势明显大于随割缝长度。由图2(b)可以看出，在同等过流面积下，对于圆孔筛管和割缝筛管，煤粉颗粒通过体积量均呈线性增长趋势;但从增长趋势拟合曲线来看，筛眼直径以及割缝宽度的增加对煤粉颗粒通过体积量的影响较为接近，且远大于割缝长度增加对煤粉通过体积量的影响。
通过模拟数据分析可以得出，对于割缝筛管，为了保证同等过流面积下煤粉通过体积量尽可能小，应同时减小割缝宽度和割缝长度，但这会大大减小单一割缝的过流面积，考虑到割缝长度对煤粉通过体积量的影响远小于割缝宽度且过小割缝宽度易在地应力作用下使割缝产生闭合[9]，结合模拟结果来看割缝宽度2 mm时煤粉颗粒通过体积量已经降到很低的水平，而割缝长度在20～80 mm内煤粉颗粒体积通过量变化不大，因此，割缝宽度可取2 mm，割缝长度在分析不同长宽比的割缝受围压变形情况下可适当增大。对于圆孔筛管，为了保证同等过流面积下煤粉通过体积量尽可能小，应减小筛眼直径，但这会大大降低单孔过流面积从而使筛眼数量呈指数增加。以筛眼直径2 mm，割缝宽度2 mm、割缝长度20 mm为例，在同等过流面积下，圆孔筛管的煤粉颗粒体积通过量仍为割缝筛管的2倍，但筛眼数量却为割缝的13倍，当筛眼直径为10 mm时，虽然筛眼数量降为割缝筛管的一半，但煤粉通过体积量却增长到割缝筛管的22倍。
2 瓦斯抽采对比试验
2.1 试验点概况
淮北矿区童亭煤矿864工作面煤层结构较复杂，工作面内局部有1层夹矸，顶板岩性以灰黑色块状粉砂岩为主，含大量植物叶部化石，底板为灰色块状泥岩。煤厚1.33～3.39 m，平均2.35 m，黑色，粉末-鳞片状，玻璃光泽，条带状结构，半亮型煤，瓦斯压力最大为0.55 MPa，瓦斯含量为5.55 m3/t。工作面走向长为630 m，倾向宽为180 m，煤层倾角为7°～14°，平均约10°，局部受构造影响倾角较大。
2.2 试验设计及实施
2.2.1 筛管设计
结合模拟分析结果，筛管共设计4种结构，如图3所示，3种割缝筛管，1种圆孔筛管，其中圆孔筛管为煤矿井下常用筛管规格，每种结构的筛管单位长度过流面积均相同。第1种割缝筛管缝宽2 mm，缝长30 mm，布置密度32个/m;第2种割缝筛管缝宽3 mm，缝长20 mm，布置密度32个/m;第3种割缝筛管缝宽4 mm，缝长15 mm，布置密度32个/m;第4种为圆孔筛管,孔眼直径10 mm，布置密度25个/m。
图3 筛管结构
Fig.3 Screen pipe structure
2.2.2 抽采方案及下管情况
钻孔沿工作面由内向外顺次施工，钻孔深度为50～102 m，单排布孔，平均孔间距4 m，累计钻孔深度2 031 m。每完成1个钻孔即下入筛管，采用“两堵一注”工艺封孔，待同一组筛管完孔后连接支管路并预留瓦斯监测孔，将同组支管路汇集到1个抽采流量及浓度监测短节进行数据采集并接入抽采干路(图4)。
1—瓦斯抽采孔;2—预留瓦斯监测孔;3—抽采支管路;4—抽采流量及浓度监测短节;5—抽采干路
图4 筛管抽采管路布置示意
Fig.4 Schematic diagram of drainage pipe arrangement
根据钻孔施工顺序，累计记录A组数据58 d、B组数据56 d、C组数据54 d、D组数据51 d。图5中A1～A5为2 mm×30 mm割缝筛管、B1～B6为3 mm×20 mm割缝筛管、C1～C5为4 mm×15 mm割缝筛管、D1～D5为10 mm圆孔筛管，共下入筛管1 982 m，筛管下入率97.6%，A～D组筛管分别下入491,497,494,500 m，穿煤长度分别为356,378,377,356 m，去除封孔段有效穿煤长度分别为288,289,302,286 m。
图5 钻孔孔深及穿煤情况
Fig.5 Details of drilling depth and coal seam drilled
2.3 抽采结果对比分析
取各组抽采孔前51 d的数据进行对比分析。由图6(a)可见，各组抽采混合流量均随抽采时间增加而下降，整体来看A组抽采混合流量最大，B,C,D组依次减小。特别的，在抽采初期各组数值基本一致，
抽采20 d后，D组数值最先下降到0.5 m3/min左右并随抽采时间增加进一步下降，B,C组分别在抽采40,30 d后下降到同样水平，A组则在抽采35 d后稳定在0.8 m3/min左右。由图6(b)可知，各组瓦斯抽采体积分数均随抽采时间增加而减小，不同点在于，A,B组在抽采25 d后，瓦斯体积分数下降到较低水平并稳定在10%～15%左右，C,D组则基本随抽采时间呈相对线性下降趋势。由图6(c)可见，各组数据在抽采前25 d均快速下降，之后逐渐趋于稳定;但整体上每日瓦斯抽采纯量A组最高，B,C组次之，D组最小，抽采51 d后A～D组每日抽采纯量分别在128,104,76,49 m3/d。由图6(d)可见，从瓦斯累积抽采纯量看，各组均先快速增长后趋于平缓。其中，A,B,C组在抽采25 d后累积纯量增长趋于缓慢，D组则在抽采15 d后增长变慢。
通过4组数据对比，抽采51 d后A,B,C组割缝筛管瓦斯抽采纯量比D组圆孔筛管分别提高60.0%,43.3%,33.4%，抽采51 d后的瓦斯混合流量和纯量也分别是D组的约4倍，2.5倍和1.5倍以及约2.5倍，2倍和1.5倍;结合模拟分析，同样过流面积下φ10 mm圆孔筛管煤粉通过量分别是2 mm×30 mm,3 mm×20 mm,4 mm×15 mm割缝筛管的22,6,3.3倍，同时对比抽采过程中的瓦斯体积分数可见，圆形筛管孔的瓦斯浓度要略高于割缝筛管孔，但抽采流量远低于割缝筛管孔，这说明减少筛管的煤粉通过体积量可有效减少抽采通道的煤粉堵塞从而提高瓦斯抽采效果。
图6 各组筛管抽采数据对比
Fig.6 Comparison of gas drainage data in each group
3 结论及建议
(1)对于圆孔筛管和割缝筛管，同样过流面积下，筛眼直径和割缝宽度对于煤粉颗粒体积通过量的影响要远大于割缝长度，对于圆孔筛管，减小筛眼直径可显著减少煤粉颗粒体积通过量但会极大增加筛眼数量，对于割缝筛管，为保证单个割缝过流面积，可在减小割缝宽度的情况下适当增加割缝长度而不显著增加煤粉颗粒体积通过量。
(2)通过现场抽采试验结果分析，筛管的煤粉颗粒体积通过量与瓦斯抽采效果呈负相关，减小筛管的煤粉颗粒体积通过量有利于增加整个抽采过程中的抽采混合量和瓦斯纯量。
(3)建议开展割缝筛管在不同粒径级配下煤粉颗粒体积通过量以及不同割缝长宽比下受力变形分析，根据不同的煤层条件匹配合适的割缝宽度和长度。
(4)本文对于筛管煤粉通过量的分析主要考虑了地层压力、煤粉颗粒物性参数以及筛眼(割缝)参数等因素，建议进一步结合气固两相流理论分析在瓦斯抽采负压作用下瓦斯气体的流动对筛眼(割缝)处煤粉颗粒通过量的影响规律及煤粉颗粒在筛管内的堆积运移规律。
[1] 刘业娇，袁亮，薛俊华，等.煤与瓦斯突出机理和模拟试验研究现状及发展趋势[J].工矿自动化，2018,44(2):43-50.
LIU Yejiao,YUAN Liang,XUE Junhua,et al.Research status and development trend of mechanism and simulation test of coal and gas outburst[J].Industry and Mine Automation,2018,44(2):43-50.
[2] 袁亮，姜耀东，何学秋，等.煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展[J].煤炭学报，2018,43(2):306-318.
YUAN Liang,JIANG Yaodong,HE Xueqiu,et al.Research progress of precise risk accurate identification and monitoring early warning on typical dynamic disasters in coal mine[J].Journal of China Coal Society,2018,43(2):306-318.
[3] 舒龙勇，齐庆新，王凯，等.煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理[J].煤炭学报，2018,43(11):3023-3032.
SHU Longyong,QI Qingxin,WANG Kai,et al.Coordinated prevention mechanism of pressure-relief and coal and rock properties modification for coal and gas outburst in deep mining of coal mines[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3023-3032.
[4] 方俊，李泉新，许超，等.松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势[J].煤炭科学技术，2018,46(5):130-137.
FANG Jun,LI Quanxin,XU Chao,et al.Construction technology and development tendency of gas drainage borehole in soft and outburst seam[J].Coal Science and Technology,2018,46(5):130-137.
[5] 金新.两淮矿区复杂煤矿瓦斯抽采PVC筛管完孔技术研究[D].成都:成都理工大学，2017:1-4.
JIN Xin.Study on the technology of gas drainage PVC sieve pipe hole in complex coal mine in two huai mining area[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2017:1-4.
[6] 刘清泉，童碧，方有向，等.松软煤层快速全孔筛管护孔高效瓦斯抽采技术[J].煤炭科学技术，2014,42(12):58-61.
LIU Qingquan,TONG Bi,FANG Youxiang,et al.High efficient gas drainage technology with fast full length screen pipe for borehole protection in soft seam[J].Coal Science and Technology,2014,42(12):58-61.
[7] 孙新胜，王力，方有向，等.松软煤层筛管护孔瓦斯抽采技术与装备[J].煤炭科学技术，2013,41(3):74-76.
SUN Xinsheng,WANG Li,FANG Youxiang,et al.Technology and equipment of screen pipe protected borehole of gas drainage in soft seam[J].Coal Science and Technology,2013,41(3):74-76.
[8] 肖丽辉，李彦明，郭昆明，等.松软突出煤层全孔段下放筛管瓦斯抽采技术研究[J].煤炭科学技术,2014,42(7):61-64.
XIAO Lihui,LI Yanming,GUO Kunming,et al.Study on gas drainage technology of screen pipe putting down along full length borehole in soft outburst seam[J].Coal Science and Technology,2014,42(7):61-64.
[9] 王力.煤矿井下瓦斯抽采孔完孔筛管研究与强度分析[J].煤矿安全，2016,47(4):43-47.
WANG Li.Study and strength analysis of screen pipe for gas drainage borehole completion in underground coal mines[J].Safety in Coal Mines,2016,47(4):43-47.
[10] 苏海洋，申瑞臣，付利，等.煤层气水平井塑料割缝筛管有限元分析与参数优化[J].中国煤层气，2012,9(3):30-34.
SUN Haiyang,SHEN Ruichen,FU Li,et al.Finite element analysis of plastic slotted casing for CBM horizontal well and optimization of parameters[J].China Coalbed Methane,2012,9(3):30-34.
[11] 王同涛，闫相祯，杨秀娟.基于塑性铰模型的煤层气完井筛管抗挤强度分析[J].煤炭学报,2010,35(2):273-277.
WANG Tongtao,YAN Xiangzhen,YANG Xiujuan.Collapse pressure of perforated liner casing in CBM exploration based on plastic hinge model[J].Journal of China Coal Society,2010,35(2):273-277.
[12] 付利，申瑞臣，苏海洋，等.煤层气水平井完井用塑料筛管优化设计[J].石油机械,2012,40(8):47-51.
FU Li,SHEN Ruichen,SUN Haiyang,et al.Optimized design of plastic screen pipe for coal bed methane horizontal well completion[J].China Petroleum Machinery,2012,40(8):47-51.
[13] 张金宝.基于离散元法的煤矿井下护孔筛管防堵性颗粒流分析[J].煤矿安全，2017,48(10):178-181.
ZHANG Jinbao.Grain flow analysis of anti-blocking performance of coal mine hole-protecting screen pipe based on discrete element method[J].Safety in Coal Mines,2017,48(10):178-181.
[14] 申瑞臣，屈平，杨恒林.煤层井壁稳定技术研究进展与发展趋势[J].石油钻探技术，2010,38(3):1-7.
SHEN Ruichen,QU Ping,YANG Henglin.Advancement and development of coal bed wellbore stability technology[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(3):1-7.
[15] 周先齐，徐卫亚，钮新强，等.离散单元法研究进展及应用综述[J].岩土力学，2007,28(S):408-416.
ZHOU Xianqi,XU Weiya,NIU Xinqiang,et al.A review of distinct element method researching progress and application[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(S):408-416.
[16] CUNDALL P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock system[A].MULLER Led.Proceedings of Symposium of the International Society of Rock Mechanics[C].Rotterdam:A.A.Balkema,1971(1):8-12.
[17] ZHU H P,ZHOU Z Y,YANG R Y,et al.Discrete particle simulation of particulate systems:A review of major applications and findings[J].Chemical Engineering Science,2008,63(23):5728-5770.
[18] 黄中伟，李根生，王开龙，等.基于离散单元法的筛管内煤灰颗粒通过性分析[J].煤炭学报，2012,37(12):2083-2086.
HUANG Zhongwei,LI Gensheng,WANG Kailong,et al.Analysis of coal particles passing slotted screen based on discrete element method[J].Journal of China Coal Society,2012,37(12):2083-2086.
[19] Itasca Consulting Group Inc.PFC3D particle flow code in 3 dimensions user’s guide[M].Minneapolis,2008:22-140.
[20] 杨升，李晓庆.基于PFC3D的砂土直剪模拟及宏细观分析[J].计算力学学报，2019,36(6):777-782.
YANG Sheng,LI Xiaoqing.Shear simulation and macro meso analysis of sand based on PFC3D[J].Chinese Journal of Computational Mechanics，2019,36(6):777-782.
