基于順層鉆孔的鉆割一體化卸壓增透技術(shù)研究

徐玉美 張 磊

(1.義煤集團(tuán)新義礦業(yè)公司，河南 新安 471800；2.義煤集團(tuán)新安縣郁山煤業(yè)公司，河南 新安 471800）

瓦斯抽采目前依然是突出礦井瓦斯治理的重要手段。義煤集團(tuán)新義礦屬于“三軟”煤層，煤層透氣性低，瓦斯抽采濃度低，衰減速度快。在不具備穿層施工條件的情況下，順層鉆孔依然是重要的消突手段，但以往的順層鉆孔只是按照簡單的抽采半徑進(jìn)行布孔抽采，無卸壓措施，一般以3 m間距布置，厚煤區(qū)需要施工2～3 排鉆孔，工程量大，且抽采效果較差。在此背景下，研究松軟低透氣性煤層順層鉆孔卸壓增透技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的工作[1-3]。

1 試驗(yàn)裝備

鉆割一體化卸壓增透設(shè)備主要由乳化液泵站、鉆機(jī)、專用鉆具以及高壓管路組成[4-6]。設(shè)備利用機(jī)械鉆進(jìn)和高壓射流雙動(dòng)力，具有較強(qiáng)的打深鉆孔能力，且在到達(dá)預(yù)定深度后退鉆過程中進(jìn)行高壓射流旋轉(zhuǎn)切片間斷式割縫，提高了瓦斯抽采速度。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇和方法

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在義煤集團(tuán)新義礦12030 軌道順槽，布置了常規(guī)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采效果對(duì)比。根據(jù)探煤資料分析，12030 工作面煤層賦存穩(wěn)定，無較大起伏，預(yù)計(jì)煤層傾角0°～4°，平均傾角1°，煤層厚度2.6～8 m，平均5.1 m。該采區(qū)原始瓦斯含量8.3 m3/t，原始瓦斯壓力1.6 MPa。試驗(yàn)鉆孔分兩組，6 個(gè)割縫鉆孔為1 組，3 個(gè)常規(guī)孔為第2 組，每隔3 m 布置1 個(gè)進(jìn)行對(duì)比考察。鉆孔沿煤層走向布置，開孔位置離巷道底板1.5 m，仰角2°～4°，鉆頭直徑為94 mm，鉆孔深為30～40 m。

2.2 鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)

鉆孔的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分別如表1 所示。根據(jù)試驗(yàn)要求，在孔口處留有礦車，測試鉆孔過程中的出煤量。

表1 順層孔參數(shù)表

2.3 施工流程方法

在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)施工需要施加不同壓力的高壓水進(jìn)行協(xié)同鉆進(jìn)和擴(kuò)孔，在退鉆過程中進(jìn)行高壓水射流割縫，完成鉆割一體。由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯的賦存條件千變?nèi)f化，鉆進(jìn)過程中遇到較復(fù)雜的現(xiàn)象。有的煤層煤質(zhì)松軟、地應(yīng)力大，容易出現(xiàn)卡鉆抱鉆及堵孔的現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)降低射流壓力，反復(fù)將鉆桿后退和前進(jìn)，直至動(dòng)力現(xiàn)象消失；有的煤層瓦斯壓力較大，協(xié)同鉆割煤巖過程中有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)頂鉆、噴孔等現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)停止鉆進(jìn)，保持射流壓力不變，直至瓦斯壓力釋放。此外，為更好地實(shí)施鉆割一體化技術(shù)并保證試驗(yàn)作業(yè)的安全，必須制定現(xiàn)場施工的安全技術(shù)措施。

具體操作流程：在鉆孔施工時(shí)，前15 m 內(nèi)使用低壓水（8～12 MPa）進(jìn)行鉆進(jìn)，利用鉆頭中的噴嘴對(duì)煤體進(jìn)行擴(kuò)孔，使其孔徑達(dá)到200～300 mm，保障鉆孔中煤粉排粉順利，且形成安全的防突屏障；進(jìn)入煤體15 m 后，將水壓調(diào)節(jié)至16～20 MPa，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)，形成直徑約為500 mm 的鉆孔，人為制造卸壓空間；鉆進(jìn)結(jié)束后，鉆機(jī)停止鉆進(jìn)，鉆機(jī)開始后退，每隔1.5～2 m 的間距進(jìn)行切片式割縫作業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層鉆割一體化完成。

2.4 現(xiàn)場施工情況

在試驗(yàn)過程中，將專用鉆頭安裝在高壓密封鉆桿的最前端，由鉆機(jī)控制，在指定位置垂直于煤壁進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)試驗(yàn)方案，在12030 軌道順槽巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔參數(shù)見表2。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)鉆孔參數(shù)表

在現(xiàn)場共進(jìn)行6 次試驗(yàn)，成功完成鉆進(jìn)4 個(gè)，失敗2 個(gè)。在鉆進(jìn)過程中，由于煤質(zhì)偏軟（試驗(yàn)地點(diǎn)f 值為0.2），普遍存在響煤炮、堵孔、噴孔的現(xiàn)象。

在鉆進(jìn)割縫的過程中，通過觀察鉆孔回水及排粉的情況，可以看出：在前15 m 回水基本暢通，無堵孔噴孔現(xiàn)象，現(xiàn)場排出的煤渣粒徑較大，但出煤量不大；在鉆進(jìn)15 m 以后，堵孔、噴孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)場排出的煤粉呈泡沫狀，粘性很大，并伴隨煤炮響聲，出煤量顯著增大。這是因?yàn)榍?5 m已完成消突，煤質(zhì)較硬，且鉆進(jìn)壓力太低，故出煤量不大，15 m 之后為未攪動(dòng)區(qū)，煤質(zhì)軟，煤層瓦斯壓力比較大，當(dāng)以較高水壓進(jìn)行鉆進(jìn)和割縫時(shí)，煤被高壓水射流割下，使煤層瓦斯瞬間釋放，同時(shí)因?yàn)槊嘿|(zhì)太軟，容易發(fā)生堵孔噴孔現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場測試，在前15 m 內(nèi)鉆進(jìn)速度約為1.25 m/min，15 m之后約為0.25 m/min。在鉆進(jìn)前，現(xiàn)場下風(fēng)側(cè)瓦檢儀顯示瓦斯?jié)舛葹?.04%左右，在試驗(yàn)過程中，瓦斯?jié)舛让黠@增大，基本保持在0.4%～0.5%之間，噴孔時(shí)可達(dá)0.7%多，比未鉆進(jìn)前瓦斯?jié)舛仍黾恿?0倍多。在4 號(hào)孔和6 號(hào)孔試驗(yàn)期間，瓦斯?jié)舛染痈卟幌拢骄鶟舛?.45%左右，噴孔比較頻繁。

3 試驗(yàn)分析

3.1 鉆、割煤體擾動(dòng)對(duì)比分析

選取兩組鉆孔中比較有代表性的4#鉆割一體化鉆孔和7#普通抽采孔為對(duì)比孔，平均擾動(dòng)煤體體積按照V=πr2l計(jì)算，平均擾動(dòng)煤體表面積按照S=πdl計(jì)算。鉆割一體化鉆孔與普通抽采孔相比，理論上擾動(dòng)煤體體積提高24.3 倍，影響煤體表面積提高6倍。因此鉆割一體化技術(shù)具有擴(kuò)大抽采單孔有效影響范圍、減少工程量、提高瓦斯防治效果等優(yōu)點(diǎn)。具體參數(shù)見表3。

表3 鉆孔參數(shù)表

3.2 鉆孔深度和直接擾動(dòng)影響半徑考察

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，普通鉆進(jìn)深度分別為32 m、30 m、35 m，平均深度約32 m；鉆割一體化鉆進(jìn)深度分別為40 m、42 m、38 m，平均深度約40 m，平均鉆進(jìn)深度增大26%。對(duì)兩組鉆孔的鉆孔深度、割縫長度、出煤量、直接擾動(dòng)影響半徑、平均半徑進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比情況見表4。

從圖表中可以看出，割縫后鉆孔的直接擾動(dòng)影響半徑平均為0.26 m，而普通鉆孔的直接擾動(dòng)影響半徑為0.07 m，平均提高了3.7 倍，割縫孔的影響半徑遠(yuǎn)大于普通鉆孔。通過施工割縫鉆孔，可以有效地減少工程量，提高瓦斯抽采效果。

表4 直接擾動(dòng)影響半徑對(duì)比考察表

3.3 瓦斯抽采量對(duì)比分析

通過考察一個(gè)月內(nèi)瓦斯抽采總量來分析其抽采效率對(duì)比情況。鉆割一體化鉆孔平均抽采瓦斯量與普通鉆孔平均抽采瓦斯量對(duì)比數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 兩種鉆進(jìn)方式瓦斯預(yù)抽量與時(shí)間關(guān)系

30 d 內(nèi)鉆割一體化鉆孔瓦斯抽采量為720.1 m3，常規(guī)鉆孔的瓦斯抽采量為235.1 m3，鉆割一體化鉆孔單孔的瓦斯抽采量為常規(guī)鉆孔的3.06 倍，說明增透效果良好，極大地提高了瓦斯抽采效率。

4 結(jié)論

（1）本文研究順層鉆孔鉆割一體化工藝流程，表明鉆割一體化技術(shù)具有較強(qiáng)的打深鉆孔能力，且在到達(dá)預(yù)定深度后退鉆過程中進(jìn)行高壓射流旋轉(zhuǎn)切片間斷式割縫，提高了瓦斯抽采速度。

（2）研究了割縫抽采孔與普通抽采孔鉆孔深度和直接擾動(dòng)影響半徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鉆割一體化鉆孔擾動(dòng)煤體體積提高24.3 倍，影響煤體表面積提高6 倍，極大提高了瓦斯抽采效率。

（3）對(duì)比了兩類鉆孔的抽采量，發(fā)現(xiàn)30 d 內(nèi)鉆割一體化鉆孔瓦斯抽采總量達(dá)720.1 m3，而普通鉆孔的瓦斯抽采量僅為235.1 m3，是常規(guī)鉆孔的3.06倍。