趙固二礦堅硬煤層超高壓水力割縫增透技術應用

陸占金，李生舟

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

鉆孔抽采煤層瓦斯是消除煤層突出危險的重要措施之一[1，2]，然而我國部分礦井煤層堅硬，由于煤層硬度高，加之埋深大，地應力高，導致煤層透氣性低，瓦斯抽采效果不佳，嚴重制約了礦井的采掘接替[3，4]。近年來，水力沖孔、水力造穴、脈沖射流等水力化措施已成為國內外研究熱點，在一定煤層賦存條件下取得了相對較好的效果，隨著近年技術裝備的發展，水力割縫技術逐漸完善，以超高壓水作為動力，對煤體進行環形切割，在煤層中形成一定寬度和深度的縫槽，伴隨割縫排渣煤層原始應力得以降低，改善了煤層中瓦斯流動狀態，成為解決煤層瓦斯高效抽采的有效技術途徑[5，6]。

現有割縫設備工作壓力基本在30～70MPa，由于其設備所能提供的射流壓力低，且高壓水傳輸過程中流量損失和壓力損失較大，對于松軟或中等硬度煤層具有一定卸壓增透效果，但是對于堅硬煤層，破煤壓力要求較高，無法對煤體產生有效沖擊破壞，導致“割不深”，難以達到快速增滲的目的[7，8]。

針對趙固二礦的堅硬低透氣性煤層，提出采用工作壓力達到100MPa的超高壓水力割縫技術對煤層增透，提高瓦斯抽采效率，為了進一步提高射流打擊力度，分別研制和提出了針對堅硬煤層的收斂型射流噴嘴和定點沖擊破煤割縫工藝，現場應用取得良好的效果。

1 超高壓水力割縫技術破煤原理

超高壓水力割縫技術是運用超高壓力水射流，對煤體進行沖擊切削，在煤體內形成縫槽，導通煤體自身裂隙，從而增大煤體暴露面積，增加煤層透氣性[9-12]。超高壓水射流破煤主要分為兩個階段[13，14]。第一階段為水錘沖擊壓力階段，超高壓水射流從割縫噴嘴噴出接觸煤體后會在煤體表面形成沖擊波，由于水與煤體屬于不同介質，沖擊波會以兩種不同的速度在水與煤體中傳播，從而出現受壓的水介質區域和固體壓縮區域。隨著水射流弧形表面繼續撞擊煤體表面，新的沖擊波又會形成，直到水射流前端弧形面與煤體完全接觸，在這個階段內由于沖擊波比水射流傳播快，煤體表面會受到水錘壓力的沖擊。水錘沖擊壓力階段持續時間極短，但會在煤體表面造成初始微裂紋。第二個階段為滯止沖擊壓力階段，此時超高壓水射流與煤體表面完全接觸，形成穩定的滯止沖擊壓力，在第一階段初始微裂紋的基礎上，滯止沖擊壓力通過持續沖擊使煤體表面初始微裂紋逐步向煤體內部發展，從而達到破煤的目的[15，16]。

2 超高壓水力割縫設備組成及割縫工藝流程

超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復合片鉆頭、高低壓轉換割縫器、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉水尾、超高壓軟管、高壓遠程操作臺、超高壓清水泵等組成。

超高壓水力割縫技術一般工藝流程為：根據煤層軟硬等情況，選取合適孔徑的鉆頭施工鉆孔，利用礦井的靜壓水排渣施工至預定的深度。關閉靜壓水，撤出幾根鉆桿(根據預定的割縫間距而定)，連接上高壓水管路，開啟超高壓清水泵，控制調壓閥，泵壓由低到高，水經過超高壓軟管進入鉆桿內，最后通過割縫器噴射出來，鉆機帶動鉆桿及割縫器旋轉對鉆孔周邊煤體進行切割。根據鉆孔內排渣順暢等情況，調節割縫壓力及割縫時間，每刀割縫完畢后，關閉清水泵，管路卸壓后依據割縫間距撤卸相應數目的鉆桿，再次連接高壓管路，按照前述流程繼續割縫，完成預計割縫次數。

3 堅硬煤層超高壓水力割縫噴嘴設計

3.1 噴嘴參數數值模擬

在設計割縫噴嘴時，采用短管型式的噴嘴，以提高射流性能，但為了防止出現汽化現象，一般不直接采用短管型噴嘴，而是對噴嘴加以改進，設計成收斂的流線型或者錐型噴嘴，可以更充分發揮射流的優點，進而可以改善射流的性質，提高應用效果。但流線型噴嘴的加工難度較大，因此，從性能和加工兩個角度綜合考慮，選擇圓錐收斂型噴嘴。

噴嘴的幾何參數主要有噴嘴的收斂角α，入口和出口過渡形狀及倒角的曲率半徑r1和r2，出口直徑d，圓柱段長度l與直徑d的比值，還有噴嘴長度及內壁表面粗糙度等。

采用數值模擬手段，分析了其他設計參數相同情況下，不同收斂角α對射流孔底總壓力分布影響，在相同噴距處，孔底總壓力分布如圖1所示。由圖1可以看出，孔底總壓力隨著遠離射流軸線而逐漸降低。在噴嘴出口段長度相同的情況下，不同射流收斂角的射流孔底總壓力分布衰減趨勢相似，但就相同條件下產生的射流孔底最高壓力值卻存在差異：對于圓錐收斂型噴嘴，收斂角最佳在13°～15°。

圖1 孔底總壓力分布

根據前述研究，為提高超高壓水射流打擊力，增加堅硬煤層割縫效果，研制了新型圓錐收斂型噴嘴，收斂角13°～15°，新型噴嘴更有利于射流集聚，打擊力更強，為驗證新型噴嘴割縫效果開展地面實驗。

3.2 實驗方案

利用壓力傳感器對不同距離下噴嘴射流打擊力進行采集。試驗壓力100MPa，噴嘴直徑選擇2.5mm，壓力傳感器距噴嘴出口距離選擇0.5m、1.0m、1.5m以及2.0m四種情況，試驗方案見表1。普通短管噴嘴設計如圖2所示，新型圓錐收斂型噴嘴如圖3所示。

表1 試驗方案

圖3 新型圓錐收斂型噴嘴

3.3 實驗設備

考慮到在水射流作用力測試實驗中設備將會承受到最大近千牛頓的作用力，因此使用鋼制桁架為基礎制作水射流作用力采集裝置。裝置主體支撐結構由前后兩塊厚度為2cm的鋼板構成，前鋼板掏空保留水射流入射通道，后鋼板作為安裝壓力傳感器的背板。前后鋼板之間使用圓形空心鋼柱鏈接作為支承結構并且同時作為承力板的導軌，承力板使用軸承在導軌上往復移動，將射流作用力傳遞到后方背板上的壓力傳感器中，由壓力傳感器記錄的數據經三合一接線盒后在數據顯示器讀出。水射流作用力采集裝置如圖4所示。

圖4 水射流作用力采集裝置

3.4 實驗數據分析

按照實驗方案測得了兩種噴嘴不同距離下射流打擊力曲線如圖5所示。從圖5可看出，新型圓錐收斂型噴嘴在不同距離下射流打擊力明顯優于原普通噴嘴，在距離相同條件下，新型圓錐收斂型噴射流打擊力較普通噴嘴提高了20%左右，而在打擊力相同的情況下，圓錐收斂型噴嘴有效打擊靶距較普通噴嘴提高了30%左右。

圖5 不同距離下射流打擊力曲線

4 現場試驗

4.1 超高壓水力割縫參數選擇

針對試驗區域煤層情況，考慮煤層硬度較大，選擇割縫壓力95～100MPa，割縫時間8～12min，割縫間距選擇1m一刀。割縫方式為煤層硬度小于1.5時選擇普通旋轉割縫，在煤層硬度大于1.5時為保證割縫效果采用定點沖擊割縫，其具體流程為：鉆桿先在鉆孔內不旋轉定點沖擊破煤，單次沖擊時間為1～3min，然后通過鉆桿標記的方法，將鉆桿旋轉45°～90°，繼續定點沖擊破煤，鉆孔內定點沖擊4～6次后再旋轉割縫。普通割縫和堅硬煤層定點割縫參數見表2。

表2 割縫參數

4.2 超高壓水力割縫鉆孔布置

在趙固二礦西運輸大巷設計施工30組試驗孔進行超高壓水力割縫，10組對比鉆孔不進行超高壓水力割縫，每組各布置15個穿層鉆孔，每組鉆孔終孔間距按5m布置，列間距4m，組間距8m，鉆孔長度：18～51m；鉆孔角度：19°～89°，煤孔段長度：6.5～17.5m，平均每米煤孔段割縫一刀。鉆孔布置如圖6所示。

圖6 鉆孔布置方式

4.3 割縫效果分析

4.3.1 割縫出煤量統計分析

G225組鉆孔割縫情況見表3。由表3可得，15個割縫鉆孔平均孔出煤0.79t，平均每刀出煤0.18t。

表3 G225組鉆孔割縫情況

此處用單刀出煤量反算等效割縫半徑如下：

M=π×r2×h×K×γ

(1)

式中，M為割縫后排出煤屑量，t；K為不均勻系數，由于煤質不均勻性，粉煤部分溶于水無法收集，根據經驗取值為0.8～0.95，此處取0.8；r為割縫后縫隙的等效半徑，m；h為割縫后縫隙的寬度m，考慮到縫槽為外寬內窄不規則槽形，割縫后縫隙的平均寬度按2～5cm計算；γ為煤的容重，γ=1.45t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個圓柱體，根據式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=0.18t的條件下，割縫后形成縫槽半徑：r=0.99～1.57m。

4.3.2 瓦斯自排量統計分析

割縫組鉆孔與對比組鉆孔每次鉆孔施工完畢后，24h內下抽放管并通過連接煤氣表，測定鉆孔自然狀態下瓦斯自排量情況，結果如圖7所示，其中，G225、G226組為割縫鉆孔，D222、D229組為對比鉆孔。

圖7 割縫鉆孔與對比鉆孔瓦斯自排量變化曲線

從圖7中可以看出，割縫組鉆孔瓦斯自排量最大為0.127m3/min，最小為0.003m3/min，平均為0.034m3/min，對比組鉆孔瓦斯自排量最大為0.026m3/min，最小為0，平均為0.003m3/min，割縫組鉆孔單孔平均瓦斯自排量為對比組的11.3倍。

4.3.3 鉆孔瓦斯抽采效果對比分析

G225、G226組割縫與D222、D229組對比鉆孔在接抽時間內抽采純量變化曲線如圖8所示，從圖8中可以看出，割縫組孔在接抽時間內單組抽采純量最大為0.09m3/min，最小為0.042m3/min，平均為0.055m3/min。對比組孔在接抽時間內單組抽采純量最大為0.044m3/min，最小為0.009m3/min，平均為0.016m3/min?？傻贸銎骄椴杉兞扛羁p組孔是對比組孔的3.44倍。

圖8 割縫組與對比組鉆孔抽采純量變化曲線

4.3.4 抽采有效半徑對比分析

在鉆孔連續接抽150d后，分別在割縫鉆孔G225、G226以及對比鉆孔D222、D229位置取樣，測定殘余瓦斯含量。通過實測得出：割縫鉆孔在抽采30d、90d、150d的抽采半徑分別為0.91m、1.51m和1.91m，對比鉆孔抽采30d、90d、150d的抽采半徑分別為0.50m、0.81m和0.99m，割縫鉆孔與對比鉆孔抽采有效半徑變化曲線如圖9所示。割縫鉆孔抽采半徑較對比鉆孔增加90%左右。說明采用超高壓水力割縫技術能夠有效的減少鉆孔數量，縮短抽采達標時間，提高鉆孔抽采效率。

圖9 割縫鉆孔與對比鉆孔抽采有效半徑變化曲線

針對趙固二礦煤層堅硬的特點，研制了針對堅硬煤層割縫的圓錐收斂型噴嘴，進一步提高了超高壓水力割縫設備對堅硬煤層的切割能力，并開展了現場試驗，煤層割縫后，鉆孔瓦斯抽采流量、抽采半徑均得到提升，超高壓水力割縫技術對趙固二礦堅硬煤層也能起到明顯的卸壓增透效果。

5 結 論

1)分析了圓錐收斂型噴嘴合理的收斂角為13°～15°，據此研制了新型圓錐收斂型噴嘴，新型噴嘴更有利于射流集聚，打擊力更強，新型圓錐收斂型噴在不同距離下射流打擊力明顯優于原普通噴嘴。

2)通過現場試驗結果分析，針對堅硬煤層采用超高壓水力割縫后，單刀出煤量在0.18t左右，等效割縫半徑0.99～1.57m，割縫后瓦斯自排量是普通鉆孔的11.3倍，鉆孔瓦斯抽采純量增加了3.8倍，鉆孔抽采有效半徑較普通鉆孔增加了90%左右，說明針對堅硬煤層條件，超高壓水力割縫技術能有效的增加鉆孔瓦斯抽采效果，減少鉆孔工程量。