特厚煤層孤島煤柱水力擴(kuò)孔防沖卸壓技術(shù)研究

段金紅，秦子晗，金建成，邵常雄，高健勛，李永元，張 暤，王大龍，李高正

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744100；4.華能煤業(yè)有限公司，北京 100070)

隨著我國(guó)煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的增加，沖擊地壓災(zāi)害的威脅也日益嚴(yán)重，煤層鉆孔卸壓是防治沖擊地壓的有效手段之一[1]。部分礦井煤層較厚且抗壓強(qiáng)度高，鉆孔施工后難以塌孔，煤層卸壓效果差[2]。因此，如何提高特厚或堅(jiān)硬煤層的卸壓效果成為防止煤層沖擊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，水力破煤技術(shù)已廣泛用于瓦斯抽采方面，在沖擊地壓防治方面也開始了相關(guān)技術(shù)的探索。龐立寧等[3]采用了水射流聯(lián)合水力壓裂對(duì)寬煤柱上方頂板進(jìn)行預(yù)裂卸壓；縱峰等[4]針對(duì)采空區(qū)遺留煤柱提出了水力壓裂煤柱降低應(yīng)力集中的卸壓方法；陸占金[5]通過超高壓水力割縫技術(shù)提高了堅(jiān)硬煤層的瓦斯抽采效率；田慧玲等[6]在突出煤層實(shí)施了“鉆-沖”耦合增透技術(shù)降低了瓦斯含量；孫鑫[7]根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了煤層水力割縫轉(zhuǎn)速對(duì)切削半徑的影響規(guī)律；張瀾濤[8]應(yīng)用水力噴射鉆進(jìn)工藝進(jìn)行了樹狀鉆孔增透技術(shù)研究。目前國(guó)內(nèi)采用的煤層水力擴(kuò)孔或水力掏槽技術(shù)主要用于高瓦斯煤層的增透，而對(duì)沖擊地壓礦井主要以頂板水力壓裂為主，采用水力擴(kuò)孔進(jìn)行煤層卸壓的應(yīng)用記錄較少。另外，由于當(dāng)前水力擴(kuò)孔工藝較復(fù)雜，鉆孔、割縫和沖孔無法連續(xù)作業(yè)，致使煤層掏槽和擴(kuò)孔效率較低，同時(shí)還存在水流壓力低、鉆孔排渣困難等問題。為治理硯北煤礦孤島煤柱沖擊風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高特厚煤層的鉆孔卸壓效果，開展了工作壓力在40 MPa的煤層高壓水力擴(kuò)孔技術(shù)及裝備研究，實(shí)現(xiàn)“鉆-割”一體化，達(dá)到煤層快速卸壓的目的。

1 工程概況

硯北煤礦位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣境內(nèi)，屬華亭縣硯峽鄉(xiāng)、東華鎮(zhèn)及策底鄉(xiāng)管轄。礦井2502采區(qū)輔運(yùn)大巷位于2502采區(qū)煤柱內(nèi)，北部布置有本采區(qū)回采工作面，終采線距離最近的輔運(yùn)大巷100 m，南部為華亭煤礦采空區(qū)，采空區(qū)距離最近的快速行人道80 m。2502大巷煤柱兩側(cè)均為采空區(qū)，為孤島煤柱，其位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 2502采區(qū)大巷煤柱位置Fig.1 Location of coal pillars in the main roadway of mining area 2502

2502采區(qū)輔運(yùn)大巷布置在5煤中部，煤層平均厚度為34.18 m，賦存較為穩(wěn)定，屬特厚煤層，具有中等沖擊危險(xiǎn)。煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，上部夾矸多達(dá)9層，中、下部煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靠近頂板為煤與夾矸互層。該區(qū)域受本區(qū)采空區(qū)和相鄰礦井采空區(qū)疊加影響，應(yīng)力集中顯著，先后發(fā)生多次動(dòng)力顯現(xiàn)，沖擊危險(xiǎn)程度較高。針對(duì)兩側(cè)采空形成的孤島煤柱，原有大直徑鉆孔卸壓范圍有限，考慮所采5煤平均單軸抗壓強(qiáng)度為9.85 MPa，裂隙較發(fā)育，在高壓水力作用下易發(fā)生破壞，因此擬采用水力擴(kuò)孔掏槽方式對(duì)煤層鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔，增大煤層卸壓效果。

2 水射流破煤卸壓機(jī)理及工藝研究

2.1 水射流破煤卸壓原理

水射流對(duì)煤體的破壞主要分為兩個(gè)階段，即水錘壓力和停滯壓力階段[9-11]。

在水錘壓力階段，由于水流與煤體表面的撞擊，兩者都在壓應(yīng)力作用下被壓縮，此時(shí)射流速度小于煤體變形速度。該過程中，由動(dòng)量守恒定律可知水錘壓力計(jì)算公式為：

式中，P1為水錘壓力，Pa；ρ，ρs分別為水和巖石密度，kg/m3；cw，cs分別為沖擊波在水和巖石中的傳播速度，m/s；v為水射流速度，m/s。

在該階段，煤體表面受撞擊后處于壓縮狀態(tài)，之后水錘壓力下降，煤體由壓縮快速轉(zhuǎn)化為卸壓狀態(tài)，能量釋放過程中產(chǎn)生拉伸載荷，進(jìn)而使煤體初步破壞，但持續(xù)時(shí)間較短。

停滯壓力階段在水錘作用之后，水射流被煤體以一定的角度和速度回彈，同樣煤體也受此反作用力，因此射流速度直接影響停滯壓力，計(jì)算公式如下：

式中，P2為停滯壓力，Pa；u為射流微元速度，m/s。

在停滯壓力階段，水射流持續(xù)沖擊作用，造成煤體裂紋內(nèi)部形成應(yīng)力集中并再次擴(kuò)展，進(jìn)而與原有裂隙以及自由面相互聯(lián)通貫穿，從而使煤體發(fā)生持續(xù)破壞。

鉆孔圍巖在經(jīng)過高壓水射流破壞之前，孔周圍的煤巖體由里向外分主要為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖2(a)所示，鉆孔周圍破裂區(qū)為卸壓的主要區(qū)域。水力擴(kuò)孔后，鉆孔圍巖受水射流破壞塌落，同時(shí)在高應(yīng)力作用下孔壁持續(xù)向外發(fā)生坍塌，使圍巖變形能持續(xù)釋放，當(dāng)孔內(nèi)的支承力足以平衡破裂區(qū)的壓力時(shí)，鉆孔圍巖各應(yīng)力區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定，其鉆孔圍巖分布形式如圖2(b)所示。

R0—鉆孔初始半徑；Rc—圍巖破裂區(qū)半徑；Rp—圍巖塑性區(qū)半徑；Rb—塌落區(qū)半徑

由圖2所示的鉆孔模型，假設(shè)塌落前和塌落后的煤體體積不變可知[12-14]：

式中，p為碎脹系數(shù)。

塌孔后得到最后成孔半徑：

從上式可以看出，采用煤層水力擴(kuò)孔后，直接增大了鉆孔直徑R0，進(jìn)而使得擴(kuò)孔空間破壞后形成的卸壓范圍Rb大幅增加。

2.2 水力擴(kuò)孔關(guān)鍵參數(shù)確定

水力擴(kuò)孔效果主要受水射流性能、煤體強(qiáng)度及應(yīng)力環(huán)境影響，其中，射流壓力、噴嘴直徑、靶距及射流時(shí)間是影響水射流性能的關(guān)鍵因素。

1)射流壓力。研究認(rèn)為，射流初始速度的平方與初始?jí)毫Τ烧龋虼顺跏級(jí)毫σ驳刃в谄泼耗芰Γ跏級(jí)毫υ礁撸淞髌泼耗芰υ酱蟆？紤]經(jīng)濟(jì)性及礦井現(xiàn)有裝備，確定初始?jí)毫?0 MPa，既能滿足擴(kuò)孔需求，又兼顧經(jīng)濟(jì)性。

2)噴嘴直徑。噴嘴出口直徑的大小決定了水射流噴出之后的流速大小，直徑越小，速度就會(huì)越大，其切割能力也會(huì)越強(qiáng)，但噴嘴出口直徑過小，容易產(chǎn)生霧化效果，進(jìn)而失去切割能力。根據(jù)水力沖孔實(shí)驗(yàn)研究[15]，水射流噴嘴出口直徑在1.5～3 mm范圍時(shí)，能夠使煤巖體發(fā)生破壞，綜合考慮本次選擇直徑2.0 mm噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。

3)靶距。靶距為射流方向上噴嘴出口至煤壁的距離，射流在空氣中以一定角度向周圍發(fā)散，造成能量耗散，當(dāng)靶距較小時(shí)，撞擊形成的回流水體易對(duì)射流產(chǎn)生影響；當(dāng)靶距較大時(shí)，射流又出現(xiàn)能量衰減，不利于破碎煤體。在實(shí)際工作中，合理的靶距由下面的經(jīng)驗(yàn)公式確定[16，17]：

Ls=(60～150)d

(5)

式中，Ls為合理靶距，m；d為噴嘴直徑，m。

4)射流時(shí)間。水射流割縫深度隨著切割時(shí)間的增加而逐漸增加，當(dāng)增加到某一特定值時(shí)，增幅減小[18-20]，這主要與煤體破壞造成靶距增加有關(guān)，因此射流時(shí)間主要根據(jù)擴(kuò)孔效果而定，初步確定鉆孔每米射流時(shí)間為10 min，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出渣量進(jìn)行調(diào)整。

2.3 擴(kuò)孔工藝及模式優(yōu)化

2.3.1 擴(kuò)孔工序優(yōu)化

傳統(tǒng)煤層水力擴(kuò)孔工藝流程繁瑣，要進(jìn)行兩次進(jìn)桿、退桿操作，占用大量時(shí)間；同時(shí)噴嘴噴出的高壓水流既用于切割煤體又用于排渣，其輸出水量較少，對(duì)于切割過程產(chǎn)生的大塊煤渣難以排出，易發(fā)生堵孔甚至夾鉆現(xiàn)象。

針對(duì)上述問題，本次對(duì)擴(kuò)孔過程中的打鉆、割縫環(huán)節(jié)及高壓管路進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，形成了“鉆-割”一體和“掏槽-排渣”并行的工藝。其實(shí)現(xiàn)方法通過采用特殊設(shè)計(jì)的雙層高壓密封鉆桿。鉆桿直徑為?73 mm，分內(nèi)外兩層，內(nèi)部中孔管路用于連接高壓水路，直徑?25 mm，高壓水通過中間管路到達(dá)射流器用于切割煤體；外部環(huán)形管路與低壓水路連接，直達(dá)鉆頭，用于鉆進(jìn)及射流過程中的排渣使用。雙層高壓鉆桿結(jié)構(gòu)截面如圖3所示。

圖3 雙層鉆桿結(jié)構(gòu)截面Fig.3 Cross section of double-layer drill pipe structure

打鉆過程中，由環(huán)形水路供水至鉆頭進(jìn)行打鉆排渣，鉆頭與射流器相連，鉆孔施工到位后，無需撤桿更換裝置，直接將高壓管路連接在雙層鉆桿尾部的中孔管路上，在回退過程中即可進(jìn)行擴(kuò)孔掏槽，減少了一次撤桿、進(jìn)桿環(huán)節(jié)，工藝流程上大幅簡(jiǎn)化，便于操作；同時(shí)在擴(kuò)孔過程中，兩道水路可同時(shí)開啟，增加了鉆孔排渣能力，避免了堵孔、夾鉆等情況的出現(xiàn)。

2.3.2 擴(kuò)孔模式優(yōu)化

為提高水力擴(kuò)孔效率，研究在鉆孔內(nèi)進(jìn)行分段擴(kuò)孔代替全段擴(kuò)孔。通過數(shù)值模擬針對(duì)四種情況進(jìn)行對(duì)比分析：全段擴(kuò)孔、間隔0.5 m擴(kuò)孔0.5 m、間隔1.0 m擴(kuò)孔1.0 m、間隔0.5 m擴(kuò)孔1.0 m。模擬效果如圖4所示。

圖4 不同擴(kuò)孔方式的模擬效果(Pa)Fig.4 Simulation effects of different hole expansion methods

根據(jù)模擬分析，鉆孔擴(kuò)孔后會(huì)對(duì)鉆孔周圍應(yīng)力產(chǎn)生影響，形成應(yīng)力降低區(qū)。不同形式擴(kuò)孔后的鉆孔周邊垂直應(yīng)力分布曲線如圖5所示。從圖5可以看出，全段擴(kuò)孔之后的鉆孔周邊應(yīng)力降低最為明顯，應(yīng)力降低區(qū)的范圍也最大。其次為間隔0.5 m擴(kuò)孔1.0 m。從應(yīng)力分布來看，采用分段擴(kuò)孔方式同樣具有較好的卸壓效果，采用間隔0.5 m擴(kuò)孔1.0 m時(shí)，應(yīng)力降低程度和卸壓范圍雖然較全段擴(kuò)孔有所降低，但下降幅度并不明顯。因此采用分段擴(kuò)孔能夠在保證卸壓效果的前提下，提高煤層擴(kuò)孔卸壓的施工效率。

圖5 鉆孔周邊垂直應(yīng)力變化曲線Fig.5 Vertical stress curve around the borehole

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

為降低2502采區(qū)孤島煤柱應(yīng)力，降低采區(qū)大巷的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，在2502采區(qū)輔運(yùn)大巷靠近保護(hù)煤柱側(cè)開展水力擴(kuò)孔試驗(yàn)，試驗(yàn)范圍120 m，共施工30個(gè)鉆孔，孔間距為4 m。每個(gè)鉆孔初始孔徑為150 mm，孔深為20 m，垂直巷幫上仰5°；巷道開口處距底板1.5 m，其中擴(kuò)孔段為距離巷幫8～20 m范圍。

本次試驗(yàn)選擇3BZ7.1/66-160煤層注水泵，供水壓力最大達(dá)到66 MPa，所用鉆機(jī)型號(hào)為：ZDY4600LX型履帶式全液壓坑道鉆機(jī)。水力擴(kuò)孔采用定點(diǎn)靜態(tài)鉆割和前后反復(fù)動(dòng)態(tài)鉆割結(jié)合，水泵初始?jí)毫?0 MPa，定點(diǎn)割煤時(shí)間為5 min，在1 m范圍內(nèi)前后反復(fù)動(dòng)態(tài)割煤時(shí)間為5 min；完畢后退桿0.5 m后，再進(jìn)行下一段擴(kuò)孔作業(yè)。整個(gè)水力擴(kuò)孔過程中，高壓水路正常，孔內(nèi)煤渣排出通暢，施工期間有輕微煤炮聲，未出現(xiàn)堵孔、夾鉆現(xiàn)象。

3.2 效果分析

3.2.1 大直徑鉆孔與掏槽鉆孔對(duì)比分析

采用鉆孔成像儀對(duì)大直徑鉆孔和水力擴(kuò)孔鉆孔分別進(jìn)行了鉆孔窺視。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大直徑鉆孔空間僅為鉆頭切削煤層所形成，且孔壁較為光滑、完整，卸壓空間即為鉆孔空間大小，如圖6(a)所示；而采用水力擴(kuò)孔后，鉆孔內(nèi)空間顯著增大，孔壁在水射流的沖擊作用下，發(fā)生多次破壞，煤體疏松破碎，如圖6(b)所示，擴(kuò)孔形成空間要遠(yuǎn)大于大直徑鉆孔，其卸壓效果得到明顯提高。

圖6 鉆孔內(nèi)孔壁破壞情況Fig.6 Damage to the inner wall of the borehole

3.2.2 出渣量分析

鉆孔在進(jìn)行擴(kuò)孔掏槽過程中，對(duì)沖出煤渣量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。整體來看，鉆孔內(nèi)深部掏槽時(shí)，出渣量較淺部要大，且煤渣塊度大，掏槽過程中煤炮較強(qiáng)烈。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，掏槽過程中每米出渣量在200～300 kg，最大能夠達(dá)到450 kg。

3.2.3 擴(kuò)孔半徑分析

通過在不同距離布置多組觀測(cè)孔，用于對(duì)水力擴(kuò)孔半徑進(jìn)行判斷。在周邊鉆孔進(jìn)行水力擴(kuò)孔期間，當(dāng)觀測(cè)孔內(nèi)出水，可判斷擴(kuò)孔半徑已超過鉆孔間距。觀測(cè)孔與試驗(yàn)孔距離分別按照350 mm和500 mm進(jìn)行施工，其鉆孔布置如圖7所示。

圖7 掏槽半徑試驗(yàn)布置Fig.7 Layout of cutting radius test

在進(jìn)行了多組試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間距為350 mm時(shí)，在擴(kuò)孔10 min后，觀測(cè)孔內(nèi)多發(fā)現(xiàn)出水現(xiàn)象。而在距離500 mm的試驗(yàn)孔進(jìn)行擴(kuò)孔時(shí)，則射流時(shí)間需要超過15 min，觀測(cè)孔有出水現(xiàn)象。由上述試驗(yàn)結(jié)果可以判定，水力擴(kuò)孔半徑能夠達(dá)到350～500 mm。

3.2.4 鉆屑法檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水射流擴(kuò)孔后的卸壓效果，針對(duì)擴(kuò)孔前后分別進(jìn)行鉆屑法檢驗(yàn)。鉆屑檢測(cè)位置距離擴(kuò)孔位置1 m，孔深14 m，卸壓前后兩次鉆屑煤粉量進(jìn)行對(duì)比如圖8所示。從圖8中可以看出，鉆孔深度1～8 m段未進(jìn)行掏槽，在進(jìn)行水力擴(kuò)孔前后，該區(qū)段每米鉆屑煤粉量差異較小；出現(xiàn)顯著變化的區(qū)段均位于8 m以深的擴(kuò)孔段，在擴(kuò)孔掏槽之后，鉆屑量較未掏槽時(shí)顯著降低，表明掏槽后鉆孔周邊應(yīng)力釋放，對(duì)附近煤體起到了良好的卸壓作用。

圖8 水力擴(kuò)孔掏槽周邊鉆屑法檢測(cè)值Fig.8 Detection values of drilling cuttings method

4 結(jié) 論

1)利用高壓水射流實(shí)施煤層擴(kuò)孔掏槽，水射流經(jīng)過水錘壓力和停滯壓力階段，破壞孔壁煤體，增加鉆孔成孔孔徑，進(jìn)而擴(kuò)大鉆孔周邊的低應(yīng)力區(qū)范圍。

2)確定了噴嘴直徑、射流壓力及射流時(shí)間等主要射流參數(shù)，并采用雙層鉆桿簡(jiǎn)化了施工工序，同時(shí)對(duì)鉆孔采用分段擴(kuò)孔模式，提高了擴(kuò)孔效率。

3)在硯北煤礦孤島煤柱區(qū)域開展了水射流擴(kuò)孔掏槽試驗(yàn)，擴(kuò)孔半徑能夠達(dá)到0.3～0.5 m，每米出渣量能夠達(dá)到200～300 kg。通過鉆屑法進(jìn)行效果檢驗(yàn)，煤體應(yīng)力得到明顯降低。