青崗坪礦高壓水射流卸壓增透技術應用研究

劉 揚,關景順,張 輝,李小波

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.陜西旬邑青崗坪礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

煤層透氣性是衡量開采層瓦斯抽放可行性的重要指標之一[1-5]，而我國大部分煤礦具有煤層滲透率低、煤質松軟等特點。目前，井下煤層增透技術主要采用水力壓裂、水射流、煤層注水等水力化措施，以及炸藥、高能氣體、CO2與N2等固-液-氣相變等爆破措施，對煤層施加強電場、高溫場或注入氮氣、二氧化碳等驅氣措施，以及多種增透措施的有機組合。其中，水力化技術是以高壓水作為動力，使儲層內原生裂隙擴大、延伸或者人為形成新的孔洞、槽縫、裂隙等，促使巖體產生位移，達到儲層卸壓、增滲的目的，如水射流割縫(或擴孔、鉆孔)、水力壓裂等。相比于水力壓裂，水射流割縫(或擴孔)具有裂縫擴展可控、設備要求低、操作簡單、施工安全等特點[6-7]。

1 工程概況

青崗坪礦位于陜西旬邑縣清塬鄉石門村，屬于高瓦斯礦井；可采儲量8 380萬t，生產能力120萬t/a，可采煤層為4-1、4-2煤層，4-2煤層為礦井主采煤層，全區可采，平均厚度10.26 m；煤層透氣性較差。為改善瓦斯抽采效果，在42108工作面進行采前預抽鉆割一體化水力增透工藝試驗研究，以求在一定的時期內提高瓦斯抽采量，縮短瓦斯治理抽采達標時間。

42108工作面直接頂為泥巖，厚度約1.0 m；老頂為深灰、黑灰色粉砂巖和中粒砂巖，厚度約為10.5 m，具波狀層理；直接底為黑色炭質泥巖，厚度約3.13 m，遇水易膨脹；老底為紫灰、紫紅等雜色泥巖，厚度約3.35 m，易風化破碎，見水膨脹，且煤層煤樣的微小孔較為發育。礦井絕對瓦斯涌出量17.23 m3/min，相對瓦斯涌出量10.85 m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量7.6 m3/min，該礦井為高瓦斯礦井，工作面在回采作業前需結合現場實際情況采取有效的瓦斯綜合治理措施，為工作面安全開采提供保障。

2 水力割縫煤層增透作用研究

采用鉆孔抽采瓦斯的效果，往往受到鉆孔直徑的大小、鉆孔周圍裂隙的發育程度和應力分布狀態的影響。鉆孔直徑擴大后，既可以增加鉆孔周圍煤體的暴露面積，還能擴大鉆孔的卸壓范圍和提高鉆孔周圍裂隙的發育程度，從而增大鉆孔的抽采影響半徑，因此，大直徑鉆孔能較好地提高鉆孔的瓦斯抽采效果。

采用鉆機在松軟、低透氣性煤層內施工大直徑鉆孔，存在容易塌孔、排渣困難、成孔長度短和鉆機負荷大等問題，在質地較硬的煤層施工大直徑鉆孔也存在成本較高、操作復雜等問題。因此，無論是從技術上還是經濟上考慮，大直徑鉆孔施工都不能很好地滿足現場需求。采用高壓旋轉水射流擴孔技術，在已施工完成的小鉆孔內，利用高壓水射流沖割煤體并將煤屑排出孔外，可以近似達到擴大鉆孔直徑的目的。

煤層段擴孔后，其附近的原巖應力重新分布，鉆孔周圍由遠及近將形成原巖應力區、彈性區、塑性區和破碎區等4個區。在破碎區內，煤體已處于破壞狀態，存在部分殘余強度。在塑性區內，煤體已處于壓縮變形的狀態，裂隙比較發育，內部裂隙產生具有一定方向性的裂隙弱面。彈性區內的煤體處于彈性變形階段，其內部裂隙仍以原生裂隙弱面為主。本次研究所分析的割縫鉆孔順層鉆孔，在不考慮鉆孔上下煤體重力對鉆孔的影響時，可以認為鉆孔壁僅受最大水平主應力和最小水平主應力的作用而處于二維非均勻應力場的作用下，其應力分布符合摩爾-庫侖強度準則，如圖1所示。

圖1 鉆孔周圍應力分布區域劃分

1) 基本方程。求解鉆孔周邊圍巖的變形和應力時，巖體平衡微分方程為：

(1)

式中：σr為鉆孔的徑向應力；σθ為鉆孔的切向應力。幾何方程為：

(2)

式中：εr為鉆孔的徑向應變;εθ為鉆孔的切向應變。邊界條件為：

r=a時，σrs=Pi

(3)

2) 鉆孔周邊圍巖彈性解析。鉆孔在非均勻應力下的應力場，通過基爾斯解答可以分解為均勻應力場和左右受拉、上下受壓應力場，如圖2所示。

圖2 非均勻應力場下鉆孔圍巖應力分解

均勻受拉應力場條件下，由于鉆孔圍巖處于彈性狀態，對于圍壓P1，內壓為彈塑性交界面處的應力σR，按照彈性力學理論，距離鉆孔中心為r的點處的徑向應力和切向應力為：

(4)

在左右受拉應力場P2、上下受壓應力場P2的條件下，根據彈性力學理論計算得出：

(5)

將兩種應力場疊加，即可得到鉆孔在非均勻應力場下彈性區的圍巖應力場：

(6)

當r=Rp時，即在彈塑性交界面時，由上式可得：

(7)

3) 塑性區半徑的計算。在鉆孔圍巖形成塑性區后，塑性區內的巖體既滿足平衡微分方程也滿足塑性條件。非均勻應力場下穿層鉆孔的煤層段擴孔后塑性區半徑的表達式為：

Rp=a·

(8)

從上式可以看出，影響鉆孔周圍塑性區半徑的因素主要有：原巖應力P、側壓系數λ、方位角θ、內摩擦角φ、粘聚力C和鉆孔半徑a等，且與鉆孔的半徑成正比。這也就說明了鉆孔擴孔能夠增大塑性區的范圍。

3 高壓水射流卸壓增透工藝

3.1 工藝成套裝備

高壓水射流鉆割一體化裝備主要由射流噴嘴、鉆割一體化鉆頭、螺旋輔助排渣高壓鉆桿、回轉式高壓旋轉接頭、壓力控制裝置、煤層注水泵等組成，高壓水泵選用往復式5柱塞泵，管路選用內徑32 mm高壓膠管。

3.2 鉆孔布置

為驗證鉆割一體化卸壓增透裝備對本礦低透煤層增透效果，在42108工作面運輸巷距進風巷繞道與巷道交叉口320～340 m處選取一段巷道，選取1個鉆孔為鉆割一體化裝備增透試驗鉆孔，其余4個為常規觀測對比鉆孔，鉆孔在巷道中的位置如圖3所示。鉆孔間距為5 m，為方便鉆孔排渣，鉆孔角度設計為7°/11°，鉆孔長度為90 m，鉆孔方位與巷道夾角84°，鉆孔參數見表1。

圖3 42108運輸巷道鉆割一體化卸壓增透試驗位置示意

表1 鉆孔設計參數

3.3 鉆割一體化工藝

1) 鉆割一體化順層鉆孔采用ZDY4000L鉆機施工，施工前，依次連接鉆頭、鉆割一體化噴頭、高壓水射流專用高壓密封鉆桿、常規水尾、水管、普通球閥和常壓供水設施形成鉆割一體化打鉆系統。順層鉆孔按設計參數施工到位后，從鉆桿上卸掉常規水尾，將常規打鉆系統中部分組件更換形成鉆割一體化水力割縫系統，開始向外退鉆割縫，割縫間距為5 m，割縫時間10 min。

2) 退鉆過程中，通過高壓水泵提高鉆割一體化水力割縫系統中管路壓力,將鉆進時的鉆孔冷卻排渣水(低壓低流量)轉換為高壓高流量水，高壓水從射流噴嘴中射出，形成高壓水射流，達到切割煤體的目的。

3) 割縫作業時，應嚴格遵守安全規章制度并執行安全措施，同時應統計單孔排出煤渣總量并記錄；割縫作業完成后，將高壓高流量水轉換為低壓低流量的鉆機冷卻水，高壓單向閥芯在孔底彈簧的作用下復位，高壓單向閥開啟，鉆機恢復到正常鉆進狀態，退出所有鉆桿。

4 高壓水射流卸壓增透技術效果考察

利用鉆割一體化卸壓增透裝備在42108工作面運輸巷與進風巷交叉口320～340 m處選取一段巷道進行了現場試驗。試驗段內共布置試驗鉆孔1個，對比段內施工常規鉆孔4個。通過對試驗段鉆孔的跟蹤考察，根據混合流量、抽采濃度、抽采純量等數據，計算出標況條件下純瓦斯流量，代入鉆孔長度進一步得出百米鉆孔流量，計算公式如下：

(9)

式中：Qhm為百米鉆孔流量，m3/min；P為鉆孔負壓，kPa；Q為鉆孔測量混合流量，m3/min；ω為鉆孔瓦斯濃度，%；L為鉆孔抽采段長度，m。

代入考察所得數據進行計算，得出考察期間試驗鉆孔與對比常規鉆孔瓦斯抽采流量對比曲線，如圖4所示。

圖4 42108工作面鉆割一體化卸壓增透鉆孔抽采流量對比

由圖4可以看出，常規鉆孔和試驗鉆孔百米鉆孔流量先增大后減小，最終趨于穩定，其變化趨勢大致相同。在整個觀測期內，試驗鉆孔百米鉆孔平均流量為0.172 m3/min，約為常規鉆孔百米鉆孔平均流量的2～3倍，在割縫鉆孔抽采初期甚至可以達到常規鉆孔流量的近5倍；隨著抽采時間的延長，鉆孔周邊煤體應力應變狀態基本恢復穩定，但鉆孔周邊煤體塑性區已形成，后期平穩階段試驗鉆孔流量仍可達到常規鉆孔的1～2倍。

對42108工作面瓦斯抽采鉆孔濃度進行考察，可以得出高壓水射流卸壓增透試驗鉆孔與常規對比鉆孔瓦斯抽采濃度變化規律，對試驗鉆孔及對比鉆孔平均抽采瓦斯濃度進行計算整理，結果如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采鉆孔平均濃度對比效果

從圖5可以看出，進行鉆割一體化卸壓增透試驗后的鉆孔與常規對比鉆孔在瓦斯抽采平均濃度的變化上具有一定的共性，抽采初始階段由于鉆孔周邊應力處于不斷的變化中，平均瓦斯抽采濃度波動變化較大；抽采進行30 d后，鉆孔周邊應力已經處于穩定狀態，而后瓦斯抽采濃度基本變化范圍較小。

同時，試驗鉆孔整體平均濃度明顯高于常規鉆孔，說明卸壓增透效果較好，且在長時間的抽采過程中可以保持增透效果。

5 結 語

1) 大直徑鉆孔能增加鉆孔周圍煤體的暴露面積、擴大鉆孔的卸壓范圍、提高鉆孔周圍裂隙的發育程度,從而提高鉆孔的瓦斯抽采效果。

2) 采用高壓水射流卸壓增透技術后百米鉆孔平均流量可提高2～3倍，同時抽采濃度高、持續時間長。