玉溪煤礦軟硬復合煤層水力沖孔參數優化試驗研究

李 棟

(山西蘭花科技創業股份有限公司,山西 晉城 048000)

水力沖孔對于增加煤孔暴露面積、提高煤層透氣性和瓦斯抽采效果具有重要意義,近年來在煤礦井下得到了較為廣泛的應用[1-3]。水力沖孔的主要原理是采用高壓水射流沖擊鉆孔周圍煤體,導致煤體產生損失和破壞,在水流的沖刷和攜帶作用下排出孔外,達到增加鉆孔直徑、增加鉆孔周圍煤體透氣性的目的[4-6]。

近年來,相關學者對于水射流破煤巖體機理做了較為深入的研究,水力沖孔成套設備也得到了快速發展。在單一低滲、厚煤層、復合煤層的水力沖孔方面,研究人員做了較為深入的研究[7-9]，但是在軟硬復合煤層中,不同煤體性質下的水力沖孔破煤水力參數組合尚缺乏研究。玉溪煤礦3號煤層屬于軟硬復合煤層,本文以玉溪煤礦3號煤層為試驗對象,通過不同水力參數、水力沖孔時間在軟硬區域的對比試驗和分析,總結得出了一套軟硬復合煤層水力沖孔破煤規律和工藝參數,為類似礦井提供借鑒。

1 礦井煤層地質情況

山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司(簡稱玉溪煤礦,下同)位于山西省沁水縣胡底鄉境內,是沁水煤田樊莊勘探區的一部分,工業場地西距沁水縣縣城約50 km,東距玉溪村約2 km,位于樊莊農場西側。井田形狀呈臺階狀,走向長5.2 km,傾斜寬4.8～5.3 km,面積26.147 km2。

井田內煤層主要分布于山西組(P1S)、太原組(C3t)。含煤地層總厚122.08～161.90 m,平均138.04 m。共含煤2～9層,含煤系數6.10%～8.36%,平均6.78%。可采含煤系數5.86%。

山西組(P1S)一般含煤1～3層,其中3號煤全區可采。含煤系數7.73%～14.99%,平均11.67%,可采含煤系數11.31%。主要可采煤層3號煤層位于本組下部,其余煤層為極不穩定的薄煤層,不具工業價值。3號煤層厚度5.12～7.20 m,平均5.85 m,純煤厚度4.62～7.00 m,平均5.71 m。距底板0.95 m處,有一層較穩定的夾矸,其厚度平均為0.28 m,巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層傾角≤8°,為近水平煤層。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖,局部為細粒砂巖；底板均為泥巖。該煤層厚度大且穩定,結構簡單,全區可采,為穩定型可采煤層。圖1為3號煤層頂底板地質柱狀圖,由圖可知,3號煤層頂板軟分層(煤層頂板以下1 m)及煤層底板破碎煤層(煤層底板以上2 m)位置,中部煤層較硬。因此,需要對水力沖孔參數進行優化,從而為3號煤層不同性質煤層水力沖孔提供最佳的參數方案。

2 水力造穴設備

2.1 鉆機

選用ZDY4500LXY(D)煤礦用履帶式液壓鉆機,整體結構如圖2所示,鉆機參數如表1所示。

圖2 ZDY4500LXY(D)鉆機示意圖Fig.2 ZDY4500LXY(D) drilling rig

該鉆機主要由履帶底盤、立柱組件、導軌組件、油箱組件、操作機構、動力頭、夾持器、動力系統和冷卻器等組成。鉆機最低開孔高度900 mm,實現360°范圍內的全方位開孔作業。鉆機采用圓柱形導軌,提供更加穩定的平臺。鉆機操控增加活動操作臺,打鉆時在鉆機前面操作,解決打鉆視角問題,能夠滿足大角度穿層鉆孔施工的需要。

2.2 泵站

選用BQWL200/31.5清水泵站,該泵站廣泛應用于綜采機械工作面、井下打鉆、水力壓裂、水力造穴和煤層注水等方面。泵站提供200 L/min,20 MPa的高壓水輸出,采用履帶底盤結構,可自行移動,集成化程度高,具有結構緊湊、移動方便、效率高和勞動強度低等優點。

2.3 配套鉆具

試驗鉆具情況如表2所示。鉆桿選用Φ73 mm耐高壓密封鉆桿,具備耐20 MPa水壓的能力。水力沖孔鉆具采用Φ73 mm基于流量控制的雙噴嘴鉆具,如圖3所示。根據泵量與壓力對應關系選擇噴嘴直徑為2.3 mm[9]。

圖3 試驗鉆具Fig.3 Drilling tool

表2 試驗鉆具情況Table 2 Drilling tools

3 現場試驗與分析

3.1 試驗鉆孔概況

試驗地點布置在玉溪煤礦中央輔運大巷巖層中。根據中央輔運大巷西11號鉆場實際施工情況可知,本鉆場頂板距離3號煤層底板平均24 m,采用半圓拱斷面。東瓦斯抽放巷在3號煤層中,采用矩形斷面,位于中央輔運大巷西側水平距離20 m處。鉆孔開孔位置在中央輔運大巷3巷聯絡巷以北巷道內,距巷道底板3.5～3.9 m,避開抽采管路,鉆孔間距9 m。共施工30個造穴鉆孔,試驗鉆孔剖面圖如圖4所示,鉆孔具體參數如表3所示。其中，1#—16#鉆孔全煤孔段造穴,17#—30#鉆孔底部孔段造穴。

圖4 試驗鉆孔剖面圖Fig.4 Cross section map of testing borehole

表3 試驗鉆孔參數(部分)Table 3 Test drilling parameters (partial)

3.2 碎軟區域沖孔出煤量特征

碎軟區域單米出煤量與沖孔時間的關系如圖5所示。

圖5 碎軟區域單米出煤量與沖孔時間關系Fig.5 Relationship between coal output per meter and punching time in the crushed soft area

1#孔水力沖孔流量200 L/min,對應泵壓18 MPa;2#孔和3#孔水力沖孔流量160 L/min,對應泵壓14 MPa;4#孔水力沖孔流量180 L/min,對應泵壓16 MPa。由圖6所示的出煤量可知,1#孔與4#孔差別不大,從節約能量的角度考慮,流量180 L/min為最佳沖孔流量。對于碎軟區域,單米出煤量隨時間的增加而增大,增加速率先升高后減小,出煤量在40 min后逐漸趨于穩定。

3.3 完整硬煤區域沖孔出煤量特征

完整區域的煤層較碎軟區域難以破壞,因此為了取得較大的洞穴直徑,將水力沖孔流量調到最大值200 L/min,泵壓18 MPa。

圖6為完整區域單米出煤量與沖孔時間的關系圖,由圖可知,單米出煤量隨時間的增加而增加,但是當沖孔時間達到15 min后，單米出煤量趨于穩定。這是由于工作開始時由于孔壁距離噴嘴較近,沖擊力大,出煤量上升較快,隨著孔徑的不斷擴大,射流對于鉆孔孔壁的沖擊力越來越小，直至趨于穩定。

圖6 完整區域單米出煤量與沖孔時間關系Fig.6 Relationship between coal output per meter and punching time in the complete area

3.4 洞穴半徑

根據單米出煤量反算所造洞穴半徑,由圖7和圖8可知,碎軟區域煤層鉆孔沖孔造穴半徑均在400 mm以上,但是對于完整煤層造穴半徑則在200 mm左右。碎軟區域產生的洞穴半徑約為完整區域的2倍。

圖7 破碎區域造穴半徑統計Fig.7 Cavity radius in the crushed area

圖8 完整區域造穴半徑統計Fig.8 Cavity radius in the complete area

3.5 單米出煤量與鉆孔傾角關系

單米出煤量與鉆孔傾角關系如圖9所示。對于碎軟煤層區域,隨著鉆孔傾角的增大,單米出煤量有增大的趨勢,而對于完整硬煤區域鉆孔傾角對其出煤量影響不大。

圖9 單米出煤量與鉆孔傾角關系Fig.9 Relationship between coal output per meter and borehole inclination angle

隨著鉆孔傾角的增大,水流對于孔壁的沖刷作用增大,同時容易增大洞穴非淹沒狀態區域。在非淹沒區域更容易形成自由射流,對于提高鉆孔的沖刷范圍具有有利作用,因為淹沒狀態下射流的損失較大。

3.6 軟硬復合煤層水力沖孔特點總結

軟硬復合煤層水射流破碎示意圖如圖10所示。

圖10 軟硬復合煤層水射流破碎示意圖Fig.10 Schematic diagram of water jet crushing of soft and hard composite coal seam

水流對于碎軟煤層孔壁的損傷由兩部分組成:一是水射流對于孔壁的直接沖擊,二是水流對于孔壁的沖刷和攜帶。因此,影響碎軟煤層洞穴特征的主要因素是沖孔流量和沖孔時間。碎軟煤層對于水流的敏感性強,在水流沖刷作用下即可發生破壞、垮落。

對于完整硬煤層,由于煤體具有一定的結構強度,水力沖孔時煤體的主要破壞形式為射流沖擊引起的壓潰和射流坑邊緣的拉伸和剪切破壞,其洞穴尺寸主要受射流沖擊力影響。當洞穴尺寸大于射流沖擊力影響范圍后,洞穴半徑基本不會繼續增加。

4 總結

1)碎軟煤層對于水流的敏感性強,水流的沖擊、侵蝕、攜帶等作用都可引起碎軟煤層孔壁的破壞和垮落;完整較硬煤層的破壞主要是由水射流沖擊作用產生。

2)碎軟區域出煤量隨沖孔時間增加而增加,但是增長幅度逐步減小;完整區域出煤量隨沖孔時間增加先增加，后趨于穩定。

3)針對玉溪煤礦3號煤不同性質煤層,得出水力沖孔參數。破碎區域泵量180 L/min,泵壓16 MPa,沖孔時間不大于40 min;完整區域泵量200 L/min,泵壓18 MPa,沖孔時間不大于15 min。