水力造穴在高瓦斯厚煤層迎頭快速掘進(jìn)的應(yīng)用研究

李江龍

(山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

礦井采掘接替緊張是煤礦開(kāi)采面臨的普遍性問(wèn)題，對(duì)于有些礦井而言，這一問(wèn)題甚至是影響安全高效生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題[1-3]。造成采掘接替緊張的原因較多，既有掘進(jìn)工藝方面的原因，如炮掘、機(jī)掘及其相應(yīng)的支護(hù)工藝等[4-6]，也有掘進(jìn)工作面前方煤體的瓦斯和應(yīng)力集中問(wèn)題[7-8]。隨著掘進(jìn)工作面的不斷推進(jìn)，掘進(jìn)頭(也稱“迎頭”)前方由于受掘進(jìn)活動(dòng)影響，地應(yīng)力重新分布，在局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[9-10]。這種應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)使煤體的透氣性相應(yīng)地降低，導(dǎo)致瓦斯抽放或排放效果較差。因此，如何安全快速的卸除掘進(jìn)頭前方應(yīng)力集中，促進(jìn)煤體瓦斯快速釋放，是提高掘進(jìn)速度、緩解采掘接替緊張的關(guān)鍵所在。

對(duì)于如何有效解決掘進(jìn)工作面瓦斯和應(yīng)力集中問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，很多礦井進(jìn)行了大量的探索。其根本性的措施是調(diào)整局部措施，如瓦斯抽采，但是也存在一定問(wèn)題，比如預(yù)抽時(shí)間通常較長(zhǎng)，占用大量掘進(jìn)時(shí)間，而且效果并不一定理想，難以提高掘進(jìn)速度[5]。盡管很多工程技術(shù)人員和科研人員，嘗試建立優(yōu)化模型，協(xié)調(diào)瓦斯抽采與掘進(jìn)速率，但收效甚微，特別對(duì)于瓦斯含量較高的礦井，效果有限。此外，很多礦井還嘗試從掘進(jìn)工藝方面進(jìn)行優(yōu)化，以期從時(shí)間和空間角度，盡量提高災(zāi)害治理效果，并提高掘進(jìn)工藝，來(lái)改善采掘解決緊張局面。

以上嘗試雖然減緩了采掘接替緊張的局面，但是仍舊沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。為此，又提出了各類快速卸壓增透技術(shù)。例如，利用底板巷進(jìn)行水力割縫或沖孔，提高煤層透氣性，預(yù)抽卸壓瓦斯，但是由于煤層和瓦斯賦存的不均性，后進(jìn)掘進(jìn)過(guò)程仍然可能殘存大量瓦斯。因此，很多研究人員提出了在本煤層補(bǔ)充預(yù)裂爆破或水力割縫進(jìn)行增透，近年來(lái)，又提出了CO2氣相壓裂技術(shù)(原理為相變爆破致裂，并非實(shí)際意義上的CO2驅(qū)替壓裂)。

目前，潞安礦區(qū)也在掘進(jìn)工作面采用CO2氣相壓裂技術(shù)(如余吾礦)，但仍達(dá)不到預(yù)期的效果。因此本文以余吾礦為背景，嘗試采用水力造穴技術(shù)改善掘進(jìn)工作面地應(yīng)力集中和瓦斯問(wèn)題，并與CO2壓裂技術(shù)的效果進(jìn)行對(duì)比，為進(jìn)一步的技術(shù)決策提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

余吾礦當(dāng)前主采3#煤層，其原煤瓦斯含量為3.06 m3/t～23.69 m3/t，瓦斯壓力是0.42 MPa～0.67 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)為0.44～0.53，百米鉆孔瓦斯涌出量為0.015 m2/(min·hm)～0.037 m2/(min·hm)，其鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.081 1 d-1～0.252 5 d-1，透氣性系數(shù)為0.524 0 m2/(MPa2·d)～1.741 5 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)分別屬可抽放和難抽煤層。

余吾煤業(yè)自2017年8月開(kāi)始進(jìn)行水力增透試驗(yàn)，2017年8月—10月采用重慶煤科院的超高壓水力割縫設(shè)備在N1103膠順進(jìn)行了35個(gè)孔的水力割縫試驗(yàn)，之后采用該設(shè)備利用45 MPa壓力在N1103膠順、N1105膠順進(jìn)行了34個(gè)鉆孔的水力造穴試驗(yàn)。

2018年4月引進(jìn)了河南鐵福來(lái)公司制造的水力造穴鉆進(jìn)一體化設(shè)備，4月上旬在順層鉆孔進(jìn)行了試驗(yàn)，為試驗(yàn)水力造穴技術(shù)對(duì)巷道掘進(jìn)煤體瓦斯治理效果，5月1日利用檢修停產(chǎn)期間在N1105回順迎頭進(jìn)行了第一次水力造穴試驗(yàn)，5月9日因巷道停頭在迎頭進(jìn)行了第2次水力造穴，同時(shí)施工了2個(gè)預(yù)抽鉆孔。

2 水力造穴技術(shù)原理及工藝裝備

2.1 技術(shù)原理

水力造穴主要利用高壓水力射流對(duì)鉆孔周圍煤層進(jìn)行切割，進(jìn)而形成空穴，在煤層內(nèi)部形成一個(gè)較大的空間，煤體在應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)移，形成裂隙，為瓦斯釋放和流動(dòng)創(chuàng)造良好條件；同時(shí)，隨著應(yīng)力的釋放，周圍煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性，具體鉆孔水力造穴工藝示意見(jiàn)圖1。

由圖1可知，水力造穴可大大改善煤層中的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩解煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張問(wèn)題，既削弱了動(dòng)力影響，又提高煤層透氣性和瓦斯釋放能力。松軟煤體的塑性蠕變軟化特性較強(qiáng)，當(dāng)煤體所受軸向應(yīng)力接近峰值強(qiáng)度時(shí)，煤體中逐漸出現(xiàn)塑性應(yīng)變，并進(jìn)入塑性軟化階段，抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變?cè)龃笾饾u衰減至殘余強(qiáng)度。沖孔造穴洞室周圍煤體可劃分為黏彈性區(qū)、塑性軟化區(qū)和破壞區(qū)。

1-履帶鉆機(jī)；2-高壓螺旋鉆桿；3-水刀；4-鉆頭；5-高壓旋轉(zhuǎn)水尾；6-高壓軟管；7-履帶高壓水泵站；8-履帶煤水分離器圖1 鉆孔水力造穴工藝示意圖Fig.1 Hydraulic caving technology with boreholes

2.2 主要技術(shù)設(shè)備

目前，礦上使用的造穴裝備由河南鐵福來(lái)公司制造。該套試驗(yàn)設(shè)備主要包括：ZDY4500LXY-A煤礦用履帶式造穴專用液壓鉆機(jī)、BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11礦用振動(dòng)篩式固液分離機(jī)、D73 mm高壓密封螺旋鉆桿、D113 mm金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置、打鉆三防裝置。

2.3 工藝流程

由于之前采用 “前進(jìn)式”水力造穴施工期間出現(xiàn)多次掉鉆現(xiàn)象。因此，采用“后退式”水力造穴施工，具體“后退式”水力造穴施工步驟如下：

1)桿放入鉆機(jī)，前端連接上打鉆鉆頭，確保打鉆鉆頭與鉆桿之間連接到位(螺紋全部上緊，每一根鉆桿在連接前，用清水沖洗內(nèi)部，確保無(wú)顆粒雜質(zhì)，以防堵塞噴嘴)。2)桿的后方連接好分水器(水尾)(螺紋全部上緊)。3)鉆進(jìn)打鉆。4)完成鉆進(jìn)任務(wù)以后，開(kāi)始準(zhǔn)備退鉆，鉆桿全部退鉆完畢后，開(kāi)始將高壓造穴鉆桿放入鉆機(jī)，前端連接高壓水刀，送至孔底深度，連接高壓旋轉(zhuǎn)水尾，連接高壓管路。5)分水器(水尾)與高壓膠管連接處球閥，啟動(dòng)清水泵，將清水泵的壓力調(diào)到30 MPa，穩(wěn)定1 min，觀察管路連接是否良好，不得有滲漏現(xiàn)象。6)清水泵，打開(kāi)分水器(水尾)與高壓膠管連接處球閥；重新啟動(dòng)乳化液泵，調(diào)節(jié)清水泵壓力調(diào)節(jié)閥，將壓力穩(wěn)定在3 MPa～7 MPa。7)鉆機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿(不進(jìn)行退鉆)直到鉆孔口有水流出(大約需要幾分鐘的時(shí)間，根據(jù)鉆孔深度、煤層性質(zhì)不同而有區(qū)別)。8)清水泵壓力調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行退鉆造穴。每次造穴以達(dá)到要求煤量為準(zhǔn)，每根鉆桿首次造穴時(shí)壓力應(yīng)不大于10 MPa，保證煤巖渣順利地從鉆孔流出來(lái)以后，逐步調(diào)節(jié)清水泵壓力，直至壓力控制在15 MPa～20 MPa。9)卸鉆桿時(shí)，先將清水泵壓力調(diào)節(jié)閥降到0 MPa后，關(guān)閉分水器(水辮)與高壓膠管連接處球閥。10)卸下一根鉆桿。11)重新將分水器(水尾)與鉆桿連好，打開(kāi)分水器(水尾)與高壓膠管連接處球閥。12)重復(fù)上面(7至11)步驟，直至全部造穴完畢，關(guān)閉高壓泵，退出剩余鉆桿，完成一個(gè)鉆孔的作業(yè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及效果

N1105回順迎頭共實(shí)施造穴三個(gè)循環(huán)，分別采用了三種方案：第一種方案是在迎頭僅施工一個(gè)鉆孔，且為造穴孔，主要是試驗(yàn)水力造穴工藝；第二種是在迎頭施工3個(gè)鉆孔，其中1個(gè)造穴孔，同時(shí)在該孔兩側(cè)各布置一個(gè)效果測(cè)試孔(三孔單穴)；第三種方案是在迎頭施工2個(gè)造穴孔，并布置6個(gè)效果觀測(cè)孔(八孔兩穴)。具體施工設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 N1105回順迎頭水力造穴鉆孔布置圖Fig.2 Hydraulic caving boreholes layout in N1105 return airway heading face

3.1 方案一(單孔單穴)

為考察并熟悉水力造穴設(shè)備的造穴工藝流程，以及余吾礦煤體在造穴技術(shù)下的鉆孔排渣能力，首先在原先壓裂孔位置施工一個(gè)造穴鉆孔，進(jìn)行工藝流程實(shí)驗(yàn)。造穴孔設(shè)計(jì)深度120 m，每個(gè)循環(huán)壓茬20 m，允許掘進(jìn)距離100 m，開(kāi)孔高度1.5 m，鉆孔傾角為+1°。但實(shí)際施工時(shí)施工深度為80 m，共造穴7個(gè)，穴洞凈間距8.0 m，造穴壓力20 MPa，造穴時(shí)間30 min/穴，出煤量1.2 t/穴。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，基本掌握了水力造穴裝備的工作方式和造穴的工藝流程，也初步摸清了余吾礦煤質(zhì)對(duì)造穴技術(shù)的適應(yīng)性。

3.2 方案二(三孔單穴)

在對(duì)設(shè)備和工藝摸索的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了試驗(yàn)方案，各個(gè)鉆孔的開(kāi)孔位置見(jiàn)圖3，施工參數(shù)如表1所示。迎頭造穴孔的穴孔深度為80 m，開(kāi)孔高度1.5 m，鉆孔傾角為+1°。因停頭時(shí)間較長(zhǎng)，造穴孔施工完成后，在造穴孔兩側(cè)各施工了一個(gè)100 m深預(yù)抽鉆孔。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，首先施工1個(gè)造穴鉆孔，施工完成后依順序施工1#～2#普通鉆孔，施工完成后將造穴孔與普通鉆孔全部聯(lián)網(wǎng)帶抽。

圖3 N1105回順迎頭水力造穴鉆孔布置圖Fig.3 Hydraulic caving boreholes layout in N1105return airway heading face

表1 迎頭造穴及預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of caving and pre-extraction boreholes

3.3 方案三(八孔二穴)

在迎頭布置2個(gè)造穴孔和6個(gè)普通預(yù)抽孔，孔深120 m，鉆孔工程量960 m左右。各鉆孔開(kāi)孔位置見(jiàn)圖4，具體施工參數(shù)如表2所示，迎頭造穴的始造穴深度為20 m，按照礦掘進(jìn)進(jìn)尺7.2 m/d及工程量大小，洞穴間距為8 m。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，首先施工2個(gè)造穴孔，施工完成后依照順序施工1#～6#普通鉆孔，施工完成后將造穴孔與普通孔全部聯(lián)網(wǎng)帶抽。

圖4 鉆孔布置圖Fig.4 Layout of boreholes

表2 各鉆孔施工設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Construction design parameters of boreholes

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

以上三種方案中，第一種方案主要用于試驗(yàn)水力造穴工藝，第二、三種方案現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，跟蹤測(cè)試了殘余瓦斯含量、鉆屑指標(biāo)(K1和S值)和回風(fēng)瓦斯參數(shù)等。

殘余瓦斯含量見(jiàn)圖5。第二次造穴時(shí)，跟蹤測(cè)試的瓦斯含量較少，共有3個(gè)數(shù)據(jù)，平均值為7.5 m3/t；停掘一段時(shí)間后，進(jìn)行了CO2爆破致裂增透工藝，測(cè)試殘余瓦斯含量1個(gè)(7.5 m3/t)，與方案二造穴工藝相差不大；方案三實(shí)施后，平均殘余瓦斯含量降低到6.8 m3/t，但是后期掘進(jìn)將近60 m，殘余瓦斯含量存在上升趨勢(shì)，為此，煤礦補(bǔ)充了CO2爆破致裂措施，但殘余瓦斯含量平均值仍為7.4 m3/t左右，效果不顯著，沒(méi)有抑制瓦斯含量上升的趨勢(shì)。

(注：圖中造穴依次為第二、三次造穴，后同)圖5 殘余瓦斯含量對(duì)比Fig.5 Comparison of residual gas content

回風(fēng)瓦斯平均濃度見(jiàn)圖6。其中，在第二次造穴之前的停掘階段，回風(fēng)瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.34%，造穴掘進(jìn)后瓦斯?jié)舛葹?.47%；隨后停掘，瓦斯?jié)舛冉档椭?.41%，比造穴前的瓦斯?jié)舛壬愿撸醪酵茰y(cè)是煤體受造穴擾動(dòng)后，促進(jìn)瓦斯解吸、涌出量增加；補(bǔ)充壓裂措施后掘進(jìn)，平均瓦斯?jié)舛葹?.45%，和第二次造穴措施效果相當(dāng)；第三次造穴后，回風(fēng)平均瓦斯?jié)舛却蠓档停瑸?.31%，由于上述的殘余瓦斯含量增大，相應(yīng)的瓦斯?jié)舛仍诤笃谝渤试龃筅厔?shì)，采取補(bǔ)充壓裂措施后，平均瓦斯?jié)舛葹?.42%，比造穴效果差。

圖6 回風(fēng)瓦斯平均濃度對(duì)比Fig.6 Comparison of average gas content of return airway

造穴施工過(guò)程中同時(shí)跟蹤考察了K1和S值，但是S值無(wú)論何種情況都沒(méi)有明顯變化，推測(cè)可能為非敏感指標(biāo)。K1值較好的反映了效果變化。兩次造穴的平均K1值分別為0.42和0.39，明顯由于壓裂效果(CO2壓裂后的K1平均值為0.45)。

圖7 鉆屑指標(biāo)K1值對(duì)比Fig.7 Comparison of drilling cutting indexK1

由圖7可知：水力造穴效果較好，使回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉档停@屑指標(biāo)也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但是發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)尺加大，各指標(biāo)值呈上升趨勢(shì)(大約為60 m)。日進(jìn)尺數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8，造穴區(qū)段的進(jìn)尺要高于壓裂段。

4 結(jié)論

在余吾礦N1105回順迎頭進(jìn)行了三次水力造穴試驗(yàn)，分別試驗(yàn)了造穴工藝，對(duì)比了不同布孔方案的實(shí)施效果，并與CO2致裂效果進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

圖8 N1105回順迎頭日進(jìn)尺對(duì)比Fig.8 Comparison of drilling footage per day of N1105 return airway

1)對(duì)于高瓦斯厚煤層迎頭，布置6個(gè)普通抽放鉆孔和2個(gè)造穴鉆孔，可以解決瓦斯超限問(wèn)題，效果較好。

2)水力造穴以后，殘余瓦斯含量平均6.8 m3/t，由于CO2致裂效果，后期回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉档惋@著，在本次試驗(yàn)地點(diǎn)的巷道回風(fēng)瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.31%，杜絕了瓦斯超限問(wèn)題。

3)通過(guò)對(duì)鉆屑指標(biāo)K1的跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩次造穴的平均K1值分別為0.42和0.39，略優(yōu)于CO2壓裂效果(K1值為0.45)。

由于回風(fēng)瓦斯?jié)舛群豌@屑指標(biāo)的降低，巷道掘進(jìn)速度提升明顯，兩次試驗(yàn)的日進(jìn)尺分別為5 m和4.7 m，達(dá)到了預(yù)期效果。