瓦斯抽采注漿封孔器定值爆破閥設(shè)計(jì)

孫志東，馬 耕，2，孫玉寧，3

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.河南能源化工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州450000；3.河南理工大學(xué) 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作454000）

鉆孔密封是煤礦瓦斯抽采、瓦斯壓力測試及圍巖加固注漿等技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鉆孔的密封情況直接影響了上述技術(shù)的施工質(zhì)量。對煤層瓦斯抽采而言，低質(zhì)量封孔會(huì)導(dǎo)致鉆孔漏氣，進(jìn)而使煤層瓦斯抽采面臨“濃度低、管路危險(xiǎn)性高”的難題[1-3]。

國內(nèi)外的專家學(xué)者研發(fā)了多種封孔方法，以提高鉆孔的密封質(zhì)量。比較典型的有機(jī)械式封孔器封孔、聚氨酯封孔、聚氨酯+水泥漿“兩堵一注”封孔等[4-6]。其中機(jī)械式封孔器價(jià)格昂貴、難以回收；聚氨酯封孔難以承受鉆孔的變形，進(jìn)而導(dǎo)致孔內(nèi)漏氣[7]；對于“兩堵一注”封孔方法，聚氨酯發(fā)泡快，這限制了插孔的時(shí)間，所以會(huì)導(dǎo)致鉆孔封不到位的現(xiàn)象。近年來封孔器封孔方法得到了廣泛推廣，各種囊袋式封孔器價(jià)格均比較適中、避免聚氨酯使用，并可以實(shí)現(xiàn)“控壓式的分段注漿”，這大幅度地提高了鉆孔的封孔質(zhì)量。以河南理工大學(xué)研制的“中心分流囊袋式注漿封孔器”為例，該封孔裝置可實(shí)現(xiàn)“帶壓堵孔”和“保壓注漿”2 個(gè)連續(xù)的封孔過程[8-9]。

定值爆破閥是“中心分流囊袋式注漿封孔器”的1 個(gè)關(guān)鍵部件，直接控制了注漿過程中囊袋內(nèi)漿液壓力和中間段的注漿時(shí)機(jī)。目前市面上存在的爆破閥多采用具有一定強(qiáng)度和韌度的乳膠、金屬片制成，但多數(shù)不能直接應(yīng)用在瓦斯抽采封孔器上，其原因在于：瓦斯抽采封孔注漿要求閥體具有漿液“逆止”功能，即防止?jié){液回流；鉆孔內(nèi)環(huán)境多變，市面上的爆破閥穩(wěn)定性不足，注漿壓力不穩(wěn)定；多數(shù)爆破閥在插孔過程中易破損，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)器械的報(bào)廢。為此，在前人的研究基礎(chǔ)上擬研制一種性能穩(wěn)定可靠的定值爆破閥、并優(yōu)選其爆破片的結(jié)構(gòu)，以期提高中心分流囊袋式封孔器注漿的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)希望為國內(nèi)其他科研單位封孔器械的研制提供一定的參考。

1 定值爆破閥設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)注漿壓力

中心分流囊袋式注漿封孔器結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 中心分流囊袋式注漿封孔器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of central diversion bag grouting hole sealer

對于中心分流囊袋式注漿封孔器，其工作流程為：先對2 個(gè)囊袋進(jìn)行注漿，囊袋充分膨脹后其內(nèi)部壓力升高，進(jìn)而引發(fā)爆破閥開啟，開始對2 個(gè)囊袋之間的區(qū)域注漿。爆破閥的開啟壓力不應(yīng)大于囊袋和封孔管的承受壓力，但是開啟壓力過小則對于封孔注漿而言毫無意義，經(jīng)過多次試驗(yàn)確定了爆破閥的設(shè)計(jì)壓力為0.8～1.0 MPa。

1.2 定值爆破閥初步設(shè)計(jì)

定值爆破單向閥結(jié)構(gòu)圖如圖2，定值爆破單向閥由爆破片壓環(huán)、爆破片、PVC 墊片、玻璃球及閥體構(gòu)成。在注漿壓力下，漿液流入閥體并作用在爆破片上，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值式，爆破片破裂，此時(shí)開始對2 個(gè)囊袋之間的區(qū)域進(jìn)行注漿；當(dāng)注漿完畢后，漿液開始反向流入，玻璃球在彈簧和漿液壓力的驅(qū)使下能夠上下移動(dòng)，達(dá)到單向的目的，并且玻璃球表面光滑具有較好的導(dǎo)向作用。

圖2 定值爆破單向閥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of fixed blast valve

1.3 拱形爆破片及其破壞機(jī)制

1.3.1 拱形爆破片

爆破片是定值爆破閥最核心的部件，對于封孔器工作狀態(tài)的控制至關(guān)重要。因此對定值爆破閥進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，主要是對爆破片進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)爆破片的承壓側(cè)與卸壓側(cè)壓力差達(dá)到設(shè)計(jì)的爆破壓力時(shí)，爆破片就會(huì)發(fā)生脫落或破裂。目前，市場上使用的爆破片多為金屬拱形爆破片。拱形爆破片如圖3。

圖3 拱形爆破片F(xiàn)ig.3 Arch blasting disc

對于拱形爆破片，如果凸面迎向壓力則稱為正拱形，如果凹面迎向壓力則稱為反拱形。爆破片是從PTP 包裝鋁箔材上裁剪下來的圓平膜片，將其邊緣夾持固定在設(shè)備上，在承壓過程中，平形膜片逐漸隆起成為拱形。此種平形爆破片在尺寸參數(shù)相同的情況下，承受的作用力也完全相同，對于該封孔器的爆破閥而言，選擇此種方式的爆破片也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)效果，并且能夠節(jié)約成本。

1.3.2 片的破壞機(jī)制

一般情況下隨著壓力的逐漸增大，爆破片產(chǎn)生蠕變，并使拱形逐漸升高。在最大應(yīng)力作用面將產(chǎn)生滑移帶，并開裂成微觀裂紋，微觀裂紋經(jīng)過相互貫通以致最終成為宏觀裂紋，當(dāng)拱形爆破片的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，爆破片將在拱形頂部破裂，同時(shí)在應(yīng)變片的固定邊緣將無規(guī)則地撕開。為了探究正拱形爆破片的破壞過程，采用有限元方法（Finite Element Approach，F(xiàn)EA）對厚度為0.016 mm，高徑比（拱高與直徑之比）分別為1∶4、0.5∶4、0.2∶4 的正拱形爆破片進(jìn)行了數(shù)值解算，以反映不同變形爆破閥的破壞情況，進(jìn)而指導(dǎo)爆破壓力的控制。四周為固定約束，壓力設(shè)置1 MPa，幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖4。爆破片的壓力分布如圖5，爆破片的破壞傾向如圖6。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig.4 Geometric model and mesh generation

圖5 爆破片的壓力分布，kPaFig.5 Pressure distribution of blasting discs, kPa

圖6 爆破片的破壞傾向Fig.6 Failure tendency of blasting discs

由圖5 爆破片的受力情況可以看出爆破篇最邊緣處發(fā)生了應(yīng)力的降低，這表明爆破片四周發(fā)生了卸壓，并且爆破片的中部應(yīng)力也比較低，這說明邊緣的破壞風(fēng)險(xiǎn)很大，很有可能呈現(xiàn)整體式的破壞，而非頂部撕裂式的破壞。此外，隨著高徑比的增大，爆破片上的應(yīng)力集中越發(fā)明顯，在高徑比為0.5∶4 和1∶4時(shí)，在爆破片邊緣形成了明顯的“高應(yīng)力圈”；然而在高徑比0.2∶4 時(shí)應(yīng)力集中情況則弱很多。

由圖6 爆破片的破壞傾向性的分布可以看出：爆破片的破壞傾城呈現(xiàn)層疊的環(huán)形分布，越接近紅色表明破壞傾向越顯著。這與爆破片的實(shí)際破壞形態(tài)基本一致。并且高徑比越高，爆破片的破壞傾向越嚴(yán)重，這表明隨著爆破片的變形，爆破片越發(fā)趨于破壞。

2 爆破片優(yōu)選

2.1 爆破壓力及爆破系數(shù)

要爆破片在設(shè)定壓力下爆破，不但要理論計(jì)算合理，而且溫度，疲勞，沖擊，失效，材料穩(wěn)定性等同時(shí)諸多因素對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也具有十分重要的影響。目前關(guān)于爆破片爆破壓力的計(jì)算沒有統(tǒng)一的計(jì)算公式，若按照理論計(jì)算方法，應(yīng)該研究爆破片受壓后的形狀變化，再根據(jù)變形情況，決定膜片中各點(diǎn)的應(yīng)變及應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)變和應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，爆破片發(fā)生破裂，但是按照此種方法計(jì)算，試驗(yàn)將十分復(fù)雜。因此國內(nèi)諸多學(xué)者大都采用的是工程算法，即不精確分析整個(gè)變形過程，而是用近似的方法去估算爆破壓力，在公式的推導(dǎo)中，大都應(yīng)用“無力矩理論”即“薄膜理論”。目前國內(nèi)常用的工程經(jīng)驗(yàn)公式為[10]：

式中：pb為膜片的爆破壓力，kg/mm2；S 為膜片的原始厚度，mm；R 為膜片半徑，mm；σb為材料的拉伸強(qiáng)度極限，kg/mm2；K 為系數(shù)。

此外也出現(xiàn)過其他形式的計(jì)算公式，如：

式中：Kb為爆破系數(shù)。

本質(zhì)上式（2）與式（1）沒有太大的區(qū)別，只是在形式上做了少許變化，在材料的爆破系數(shù)已知的條件下，根據(jù)已知的設(shè)計(jì)壓力，就可以合理的確定排泄口直徑和爆破片的厚度，而材料的爆破系數(shù)需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。

2.2 爆破片試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選取內(nèi)徑分別為6、8、10、12、14 mm的5 種PVC 墊片，同時(shí)選取來自于同一廠家、同種材料的3 種不同厚度（0.016、0.020、0.026 mm）的醫(yī)用PTP 包裝鋁箔。試驗(yàn)過程將5 種不同內(nèi)經(jīng)的PVC墊片分別與3 種厚度的鋁箔逐個(gè)匹配進(jìn)行試驗(yàn)，每種組合進(jìn)行5 次試驗(yàn)，最終結(jié)果取其平均值。鋁箔表層鍍有少量固態(tài)膠，在加熱的情況下能夠與PVC 材料良好粘接。試驗(yàn)過程用體積較小、上壓緩慢的單活塞人力手壓泵進(jìn)行觀測，壓力表的量程為2.5 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖7。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result

由圖7（a）可以看出爆破壓力隨著墊片直徑（反映了拱形爆破片的直徑）的增大而降低，這與式（1）和式（2）的規(guī)律保持嚴(yán)格的一致。由圖7（b）以看出，鋁箔厚度越大，爆破系數(shù)Kb越大；然而，爆破系數(shù)隨墊片直徑基本不發(fā)生變化，這表明試驗(yàn)制備的爆破片具備穩(wěn)定工作性能。

瓦斯抽采封孔注漿所需的爆破閥開啟壓力為0.8～1.0 MPa 之間，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：符合設(shè)計(jì)壓力0.8～1.0 MPa 的試驗(yàn)有2 組，分別為鋁箔片厚度0.020 mm 配合內(nèi)徑10 mm PVC 墊片以及鋁箔片厚度0.016 mm 配合內(nèi)徑6 mm PVC 墊片。由于后者試驗(yàn)結(jié)果相差較大，故選取第1 組作為爆破片材料。

3 結(jié) 語

以煤礦瓦斯抽采封孔注漿實(shí)踐為背景，針對現(xiàn)存的爆破閥無法滿足新型高效注漿封孔器需要的現(xiàn)狀，研制了一種新型爆破閥，明晰了其爆破片的破壞機(jī)制，并通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)優(yōu)選了該新型爆破閥的關(guān)鍵參數(shù)。

1）針對中心分流囊袋式封孔器，設(shè)計(jì)了一種定值爆破閥，包括爆破片壓環(huán)、爆破片、PVC 墊片、玻璃球及閥體等構(gòu)件；該爆破閥具備定值開啟的功能，同時(shí)能夠有效的防止?jié){液回流，為封孔作業(yè)的封孔質(zhì)量提供了保障。

2）設(shè)計(jì)了拱形爆破片，通過FEA 分析發(fā)現(xiàn)，爆破片一般在已經(jīng)固定的邊緣發(fā)生破壞，并且高徑比越大其損傷越顯著，這表明隨著爆破片的變形，爆破片越發(fā)趨于破壞。

3）爆破片試驗(yàn)表明爆破壓力隨著墊片直徑增大而降低，隨著鋁箔厚度而升高；當(dāng)薄片厚度為0.020 mm，排泄口內(nèi)徑為10 mm 時(shí)爆破片爆破壓力符合設(shè)計(jì)要求，爆破壓力為0.89 MPa；此外，3 種不同厚度的鋁箔片的爆破系數(shù)Kb值并不為同一定值，而是隨著鋁箔的厚度增加而增大。