水力造穴技術(shù)在順層鉆孔的應(yīng)用研究

任海濤

(山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司,山西 長(zhǎng)治 046103)

余吾煤業(yè)為山西潞安集團(tuán)的一座高瓦斯礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力7.5 Mt/a，平均煤厚6.0 m，瓦斯含量為 3.06～23.69 m3/t，煤層透氣性系數(shù)范圍區(qū)間是0.524 0～1.741 5 m2/MPa2·d，煤層局部區(qū)域可能具有瓦斯突出危險(xiǎn)性。

1 水利造穴技術(shù)原理

水力造穴的基本技術(shù)原理[1]：通過(guò)高壓水力射流對(duì)鉆孔內(nèi)的煤體進(jìn)行切割擴(kuò)孔，使得鉆孔內(nèi)部增加穴洞空間，對(duì)鉆孔內(nèi)部煤層進(jìn)行卸壓，使得煤層瓦斯得到更好的釋放，增大了煤層的透氣性[2]。順層鉆孔水力造穴的工程示例如圖1所示。

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

水力造穴具有以下特點(diǎn)[3-4]：

1) 水力造穴后會(huì)改變煤層瓦斯的賦存狀態(tài)，使得洞穴空間內(nèi)部產(chǎn)生更多的游離瓦斯，增強(qiáng)了瓦斯的流動(dòng)排放狀態(tài)；

2) 水力造穴可以釋放創(chuàng)造產(chǎn)生的洞穴周圍煤體內(nèi)能，降低煤體及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，減弱煤體的動(dòng)力影響；

3) 水力造穴后煤體內(nèi)部受到破壞，煤體暴露面積增大，透氣性提高，同時(shí)能夠釋放煤層鉆孔更深部的瓦斯壓力；

4) 水力造穴能夠使鉆井內(nèi)部的煤體進(jìn)行濕潤(rùn)，從而提高了煤體的塑性，減弱煤體儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能；濕潤(rùn)的煤體在后續(xù)掘金或回采期間可減少煤塵的產(chǎn)生[5-6]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 工作面概況

N1105回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 069 m，正巷掘進(jìn)2 569 m，反掘500 m，于2019年4月19日貫通。巷道斷面為寬5.4 m，高3.8 m，斷面積為20.52 m2。掘進(jìn)期間按照相對(duì)高瓦斯區(qū)域進(jìn)行管理，采用“邁步鉆場(chǎng)+迎頭40個(gè)釋放孔+CO2氣相壓裂”的綜合瓦斯治理措施，掘進(jìn)期間采用2組FBD-No7.1/2×55 kW局扇，配風(fēng)量為1 447 m3/min。施工初期巷道左幫敷設(shè)一趟D400 mm瓦斯管帶抽巷道兩側(cè)順層鉆孔，后期隨著鉆孔數(shù)量增加，增設(shè)一趟D400 mm瓦斯管將后半段鉆孔單獨(dú)帶抽，目前巷道已形成全風(fēng)壓通風(fēng)。

2.2 鉆孔施工情況

N1105回順施工水力造穴鉆孔期間最多共有3臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，2018年底，巷道反掘段開(kāi)始施工水力造穴鉆孔。N1105回順自巷道1 996 m處，開(kāi)始施工水力造穴鉆孔，累計(jì)施工鉆孔217個(gè)，鉆孔施工范圍為1 146 m，完成鉆孔進(jìn)尺34 745 m(正掘27 234 m+反掘7 511 m)。

自2018年5月開(kāi)始施工水力造穴鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)深度155 m，鉆孔間距5.0 m，開(kāi)孔高度1.8 m，鉆孔傾角+2°～+3°，方位角270°，造穴壓力為15～20 MPa，造穴范圍為31～119 m，造穴間距8.0 m/穴，造穴煤量1.0 t/穴，造穴位置如圖2所示。造穴施工采用“后退式”造穴工藝，即鉆孔成孔后鉆桿邊向外退邊造穴，在退鉆至不同孔位依次進(jìn)行造穴施工。

圖2 N1105回順順層鉆孔水力造穴設(shè)計(jì)

2.3 施工參數(shù)及優(yōu)化

1) 設(shè)計(jì)深度。由于N1105膠順鉆孔深度不足，為確保回采工作面鉆孔覆蓋范圍，水力造穴設(shè)計(jì)深度由155 m增加為后期的170 m，切眼外400 m，施工鉆孔平均深度156 m，最大深度達(dá)200 m。

2) 鉆孔間距。考慮到鉆孔深部范圍無(wú)造穴增投施工，N1105回順正掘水力造穴鉆孔間距由前期的5.0 m縮小至4.0 m。

3) 造穴孔位。前期試驗(yàn)階段鉆孔的造穴范圍為31～119 m，造穴間距8.0 m/穴，每孔造穴12個(gè)。為使造穴孔段布置更加均勻，提高順層鉆孔的整體抽采效果。奇數(shù)號(hào)孔造穴孔段為31～120 m，偶數(shù)號(hào)孔造穴孔段為35～124 m，每穴間距均為8.0 m。

圖3 N1105回順順層鉆孔水力造穴孔段布置(m)

2.4 造穴工藝

1) 先成孔、后造穴工藝。前期施工采取前進(jìn)式造穴工藝，因頻繁出現(xiàn)夾鉆掉鉆現(xiàn)象，后期施工過(guò)程中改變施工工藝，先采用麻花鉆桿施工至設(shè)計(jì)深度，后改用高壓鉆桿造穴。造穴深度分別為80 m、90 m、100 m、110 m和120 m，最大造穴深度為120 m。

2) 高壓鉆桿改進(jìn)。前期施工過(guò)程中使用的淺螺紋肋骨鉆桿易夾鉆，鉆孔塌孔現(xiàn)象。后改用為三棱高壓鉆孔，減緩?qiáng)A鉆掉鉆現(xiàn)象。最終應(yīng)用河南鐵福來(lái)公司專門(mén)設(shè)計(jì)的三翼高壓鉆桿。

3 施工效果分析

N1105回風(fēng)巷道至2019年7月完成全部造穴鉆孔施工，共計(jì)施工造穴鉆孔217個(gè)。水力造穴鉆孔最長(zhǎng)抽采時(shí)間為14個(gè)月，為準(zhǔn)確分析水力造穴鉆孔的抽采數(shù)據(jù)變化規(guī)律，選取觀測(cè)時(shí)間6個(gè)月以上的鉆孔，對(duì)其濃度和流量變化規(guī)律進(jìn)行分析。為比較水力造穴鉆孔與普通鉆孔的抽采效果，在N1105回順選取與造穴孔同期成孔的5個(gè)鉆孔進(jìn)行了流量的對(duì)比。

3.1 造穴鉆孔抽采變化規(guī)律

抽采6個(gè)月水力造穴鉆孔純量變化如圖4所示。

圖4 N1105回順抽采6個(gè)月造穴鉆孔純量變化規(guī)律

以上鉆孔成孔深度均為155 m，造穴9～12個(gè)。鉆孔觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)7個(gè)月，最短6個(gè)月。鉆孔最大抽采純量為0.24 m3/min，抽采60 d后流量衰減至平穩(wěn)值，穩(wěn)定在0.06 m3/min。其中S75號(hào)、S76號(hào)、S80號(hào)、S85號(hào)、S96號(hào)、S99號(hào)、S114號(hào)和S117號(hào)等鉆孔分別在距切眼700 m、705 m、725 m、750 m、805 m、820 m、895 m和910 m的位置處。

為分析水力造穴鉆孔的濃度變化規(guī)律，特對(duì)以上選取水力造穴鉆孔的濃度變化規(guī)律進(jìn)行了分析，如圖5所示。

圖5 N1105回順抽采6個(gè)月造穴鉆孔濃度變化規(guī)律

由上圖5可知，統(tǒng)計(jì)的8個(gè)鉆孔中有4個(gè)鉆孔抽采4個(gè)月后出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，其余4個(gè)鉆孔在觀測(cè)期間無(wú)明顯下降趨勢(shì)，均為高濃度狀態(tài)。由曲線可知，鉆孔的平均濃度穩(wěn)定約在70%，高濃度抽采時(shí)間保持較長(zhǎng)。

為準(zhǔn)確求證水力造穴鉆孔的抽采效果平均水平，特對(duì)8個(gè)鉆孔抽采6個(gè)月期間的平均濃度進(jìn)行了計(jì)算，得出N1105回順施工水力造穴鉆孔的平均抽采水平為抽采純量0.068 m3/min，抽采濃度72.2%。

3.2 普通鉆孔與造穴鉆孔抽采濃度、純量對(duì)比

表1 N1105回順普通孔成孔參數(shù)

4個(gè)對(duì)比孔最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間為4個(gè)月，普通鉆孔的流量變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 N1105回順普通鉆孔抽采4個(gè)月純量變化規(guī)律

4個(gè)普通鉆孔的平均深度為148 m，最大純量為0.075 m3/min，平均純量為0.026 m3/min。普通鉆孔的衰減較快，抽采20 d后流量衰減至平穩(wěn)值。

選取抽采時(shí)間與成孔深度相對(duì)一致的水力造穴孔與普通鉆孔進(jìn)行對(duì)比，水力造穴鉆孔的最大抽采純量0.24 m3/min 是普通鉆孔0.075 m3/min的3.2倍；平均抽采純量是普通鉆孔的2.3倍；高效抽采時(shí)間是普通鉆孔的3.0倍。

為對(duì)比水力造穴鉆孔與普通鉆孔的濃度變化規(guī)律，特對(duì)以上選取鉆孔的濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 N1105回順普通鉆孔抽采4個(gè)月濃度變化規(guī)律

由圖7可知，普通鉆孔抽采4個(gè)月內(nèi)，鉆孔濃度發(fā)生變化不大，通過(guò)選取N1105回順4個(gè)對(duì)比孔平均抽采水平為抽采純量0.032 m3/min，抽采濃度62.8%。N1105回順施工水力造穴鉆孔的平均抽采水平為抽采純量0.068 m3/min，抽采濃度72.2%。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，水力造穴鉆孔的抽采純量是普通鉆孔的2.1倍，鉆孔濃度是普通孔的1.15倍。表明普通鉆孔的高濃度抽采時(shí)間與水力造穴鉆孔無(wú)明顯差別。

4 結(jié) 語(yǔ)

2018年5月，N1105回順未施工水力造穴時(shí)，鉆孔數(shù)量為528個(gè)，巷道支管抽采濃度25.6%，抽采純量11.4 m3/min；2019年7月完成施工水力造穴鉆孔施工后，巷道支管前后兩段平均濃度上升至29.2%，抽采純量上升至21 m3/min，其中后半段大部分為造穴鉆孔，最高濃度達(dá)到50.4%，取得較好抽采效果。