劉 揚,關(guān)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(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.陜西旬邑青崗坪礦業(yè)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(biāo)之一[1-5]，而我國大部分煤礦具有煤層滲透率低、煤質(zhì)松軟等特點。目前，井下煤層增透技術(shù)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(qū)氣措施，以及多種增透措施的有機組合。其中，水力化技術(shù)是以高壓水作為動力，使儲層內(nèi)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(chǎn)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(shè)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(xiāng)石門村，屬于高瓦斯礦井；可采儲量8 380萬t，生產(chǎn)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(qū)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(yù)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(nèi)提高瓦斯抽采量，縮短瓦斯治理抽采達標(biāo)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(zhì)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(fēng)化破碎，見水膨脹，且煤層煤樣的微小孔較為發(fā)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(yè)前需結(jié)合現(xiàn)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(fā)育程度和應(yīng)力分布狀態(tài)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(fā)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(nèi)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(fù)荷大等問題，在質(zhì)地較硬的煤層施工大直徑鉆孔也存在成本較高、操作復(fù)雜等問題。因此，無論是從技術(shù)上還是經(jīng)濟上考慮，大直徑鉆孔施工都不能很好地滿足現(xiàn)場需求。采用高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴孔技術(shù)，在已施工完成的小鉆孔內(nèi)，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(yīng)力重新分布，鉆孔周圍由遠及近將形成原巖應(yīng)力區(qū)、彈性區(qū)、塑性區(qū)和破碎區(qū)等4個區(qū)。在破碎區(qū)內(nèi)，煤體已處于破壞狀態(tài)，存在部分殘余強度。在塑性區(qū)內(nèi)，煤體已處于壓縮變形的狀態(tài)，裂隙比較發(fā)育，內(nèi)部裂隙產(chǎn)生具有一定方向性的裂隙弱面。彈性區(qū)內(nèi)的煤體處于彈性變形階段，其內(nèi)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(rèn)為鉆孔壁僅受最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的作用而處于二維非均勻應(yīng)力場的作用下，其應(yīng)力分布符合摩爾-庫侖強度準(zhǔn)則，如圖1所示。

圖1 鉆孔周圍應(yīng)力分布區(qū)域劃分

1) 基本方程。求解鉆孔周邊圍巖的變形和應(yīng)力時，巖體平衡微分方程為：

(1)

式中：σr為鉆孔的徑向應(yīng)力；σθ為鉆孔的切向應(yīng)力。幾何方程為：

(2)

式中：εr為鉆孔的徑向應(yīng)變;εθ為鉆孔的切向應(yīng)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(yīng)力下的應(yīng)力場，通過基爾斯解答可以分解為均勻應(yīng)力場和左右受拉、上下受壓應(yīng)力場，如圖2所示。

圖2 非均勻應(yīng)力場下鉆孔圍巖應(yīng)力分解

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

(4)

在左右受拉應(yīng)力場P2、上下受壓應(yīng)力場P2的條件下，根據(jù)彈性力學(xué)理論計算得出：

(5)

將兩種應(yīng)力場疊加，即可得到鉆孔在非均勻應(yīng)力場下彈性區(qū)的圍巖應(yīng)力場：

(6)

當(dāng)r=Rp時，即在彈塑性交界面時，由上式可得：

(7)

3) 塑性區(qū)半徑的計算。在鉆孔圍巖形成塑性區(qū)后，塑性區(qū)內(nèi)的巖體既滿足平衡微分方程也滿足塑性條件。非均勻應(yīng)力場下穿層鉆孔的煤層段擴孔后塑性區(qū)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(qū)半徑的因素主要有：原巖應(yīng)力P、側(cè)壓系數(shù)λ、方位角θ、內(nèi)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(qū)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(zhuǎn)式高壓旋轉(zhuǎn)接頭、壓力控制裝置、煤層注水泵等組成，高壓水泵選用往復(fù)式5柱塞泵，管路選用內(nèi)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(fēng)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(guī)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(shè)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(shù)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(shè)計參數(shù)

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(guī)水尾、水管、普通球閥和常壓供水設(shè)施形成鉆割一體化打鉆系統(tǒng)。順層鉆孔按設(shè)計參數(shù)施工到位后，從鉆桿上卸掉常規(guī)水尾，將常規(guī)打鉆系統(tǒng)中部分組件更換形成鉆割一體化水力割縫系統(tǒng)，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(tǒng)中管路壓力,將鉆進時的鉆孔冷卻排渣水(低壓低流量)轉(zhuǎn)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(yè)時，應(yīng)嚴(yán)格遵守安全規(guī)章制度并執(zhí)行安全措施，同時應(yīng)統(tǒng)計單孔排出煤渣總量并記錄；割縫作業(yè)完成后，將高壓高流量水轉(zhuǎn)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(fù)位，高壓單向閥開啟，鉆機恢復(fù)到正常鉆進狀態(tài)，退出所有鉆桿。

4 高壓水射流卸壓增透技術(shù)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(fēng)巷交叉口320～340 m處選取一段巷道進行了現(xiàn)場試驗。試驗段內(nèi)共布置試驗鉆孔1個，對比段內(nèi)施工常規(guī)鉆孔4個。通過對試驗段鉆孔的跟蹤考察，根據(jù)混合流量、抽采濃度、抽采純量等數(shù)據(jù)，計算出標(biāo)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(fù)壓，kPa；Q為鉆孔測量混合流量，m3/min；ω為鉆孔瓦斯?jié)舛龋?；L為鉆孔抽采段長度，m。

代入考察所得數(shù)據(jù)進行計算，得出考察期間試驗鉆孔與對比常規(guī)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(guī)鉆孔和試驗鉆孔百米鉆孔流量先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定，其變化趨勢大致相同。在整個觀測期內(nèi)，試驗鉆孔百米鉆孔平均流量為0.172 m3/min，約為常規(guī)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(guī)鉆孔流量的近5倍；隨著抽采時間的延長，鉆孔周邊煤體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)基本恢復(fù)穩(wěn)定，但鉆孔周邊煤體塑性區(qū)已形成，后期平穩(wěn)階段試驗鉆孔流量仍可達到常規(guī)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(guī)對比鉆孔瓦斯抽采濃度變化規(guī)律，對試驗鉆孔及對比鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛冗M行計算整理，結(jié)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(guī)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(yīng)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(yīng)力已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(guī)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(jié) 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(fā)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(shù)后百米鉆孔平均流量可提高2～3倍，同時抽采濃度高、持續(xù)時間長。