新型高壓水射流擴孔技術在石門揭煤防突中的應用

杜志強

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

謝一礦望峰崗井是目前全國唯一的深井開采試驗礦井，也是淮南礦區受瓦斯威脅比較嚴重的雙突礦井。主采B11b煤層實測瓦斯含量最高達21.71 m3/t，井下實測最大瓦斯壓力6.4 MPa，井下石門和巷道揭煤時間長，煤與瓦斯突出風險大，且隨著開采深度增加，煤層瓦斯預抽的工程量、困難度和成本增加迅速，嚴重影響正常生產規劃和經濟效益。

煤層中發生煤與瓦斯突出的動力是煤層和圍巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能。只要能釋放足夠的煤與瓦斯突出的能量，就能達到預防瓦斯突出的目的。在擴孔段形成洞穴，改變煤體應力場和裂隙結構，提高局部煤層滲透率和瓦斯解吸及運移速度，釋放煤層內積聚的地層和瓦斯壓力，達到消除突出危險的目的。機械擴孔受限于鉆頭刀翼機械強度，難以完成大直徑的擴孔施工。高壓水射流擴孔依靠高壓水流的沖擊能力完成對煤層的切割，因此受機械強度限制較小，可以完成大直徑的煤層擴孔施工，提高消突效果。

根據對射流理論的研究分析，在常規高壓水射流擴孔鉆頭基礎上，改進和研制出新型高壓水射流擴孔鉆頭。并在該礦的地面鉆孔石門揭煤消突施工中進行了運用。驗證和優化了鉆頭相關參數，實際使用效果表明新型高壓水射流擴孔鉆頭可大幅提高煤層段的擴孔效果和瓦斯抽放效果，消突效果明顯，縮短了揭煤工期、解決常規井下鉆孔可能誘發的“孔突”等難題，對礦井的安全、高效生產具有重要意義。

1 高壓水射流擴孔及參數分析

1.1 高壓水射流擴孔原理

高壓水射流具有極高的剛性，在與靶物相碰時，會產生極高的沖擊動壓和渦流。該沖擊動壓反映為射流的切割能力，即壓強P。在射流的切割能力大于靶物的抗壓強度后，即可對靶物進行有效的切割和破壞。

淹沒射流自噴嘴噴出后剖面結構分為起始段和主體段，如圖1。由于噴嘴結構、鉆孔孔徑等因素影響，在煤層擴孔中，主要由主體段內射流對煤層進行實際切割破壞。

圖1 淹沒射流結構剖面圖

設出口噴嘴圓斷面上速度分布均勻，均為v0，形成的射流呈錐體狀向周圍擴散。射流核心區為噴嘴附近速度保持v0的區域，對于常規高壓水射流核心區域一般不超過相當于13倍噴嘴直徑的長度；主體段內軸心速度vm與噴嘴處速度v0存在以下關系式：

軸心速度沿射程的變化規律可根據射流動力特征，即各斷面動量守恒的原理導出：

(1)

經推導，可得：

(2)

根據，射流切割能力計算公式：

(3)

根據上述公式可得：

(4)

式中：a——紊流系數，圓形噴嘴一般取值0.067；

d——噴嘴距靶物距離，m；

r0——噴嘴半徑，m；

P——流體產生的壓強，MPa；

ρ——流體密度，kg/m3；

Q0——射流出口斷面上的體積流量，m3/s；

v0——射流初速，m/s；

vm——射流流速，m/s；

u——邊界層中任意斷面上任意一點的流速，m/s；

v排——泥漿泵排量，m3/s；

n——噴嘴數量，個。

1.2 影響因素分析

根據式(4)可知，射流的切割能力與射流泵排量v排呈正相關關系，與噴嘴半徑r0和噴嘴距靶物距離d呈負相關關系。在射流初速度一定(以200 m/s為例計算)的情況下，射流切割能力隨噴射距離增加呈下降趨勢，如圖2所示。

圖2 v0=200 m/s時切割能力與噴嘴半徑關系曲線圖

在供液設備排量一定(以14 L/s為例計算)的情況下，不同規格的噴嘴射流切割能力與噴射距離亦呈現出下降趨勢。如圖3所示。

圖3 排量v排=14 L/s時切割能力與噴射距離關系曲線圖

2 高壓水射流鉆頭結構改進

常規高壓水射流鉆頭結構較為簡單，鉆頭本體長度0.4 m，最大直徑?127 mm，可裝配3個噴嘴，見圖4。

新型水射流鉆頭最大外徑為?142 mm(外殼體部分)，鉆頭總長度1.5 m，外殼體部分長度0.8 m，可轉動部分(射流段)長度0.7 m，可配備4個噴嘴。兩鉆頭噴嘴可通用，常用噴嘴直徑2 mm、4 mm、6 mm和8 mm。新型高壓水射流擴孔鉆頭如圖5所示。新型高壓水射流鉆頭在無泥漿泵驅動、自然狀態下呈直線狀態，見圖5(a)，在泥漿泵驅動下完成鉆頭射流段的抬起，見圖5(b)。該鉆頭由普通鉆桿連接，下放到預定位置后，開啟泥漿泵，鉆頭外殼體內部的活塞連桿機構在高壓水進入外殼體內部時，推動活塞移動，帶動連桿機構運動，連桿機構驅動鉆頭射流段繞著轉軸轉動，從而使射流段抬起一定的角度。鉆頭射流段抬起后噴嘴近似與孔壁垂直，高壓水通過管體上流進入到噴嘴部分，通過噴嘴對煤層進行噴射切割。鉆頭不具備自旋轉功能，需由外接設備帶動旋轉。

圖4 常規高壓水射流擴孔鉆頭

圖5 新型高壓水射流擴孔鉆頭

3 實際應用

3.1 工程背景

隨著謝一礦煤炭開采逐步向深部延伸，煤與瓦斯突出對該礦巷道掘進造成嚴重的安全威脅。礦井主采B11 煤層，該煤層為構造軟煤，煤層厚度6.0 m左右，為強突出煤層，瓦斯預測壓力 6.5 MPa，瓦斯含量 13 m3/t。工程通過地面鉆孔對預定消突區域煤層進行高壓水射流切割擴孔，降低區域煤與瓦斯應力，降低石門揭煤時的安全風險，消除煤與瓦斯突出威脅。共施工地面消突鉆孔3個，其中定向孔2個，分別為TM01及TM02，水平對接孔1個。井位部署及井眼軌跡如圖6所示。

定向孔采用三開井身結構，一開孔徑311.1 mm，二開孔徑215.9 mm，三開孔徑152.4 mm。一開、二開井段分別下入?244.5 mm、?177.8 mm石油套管并固井，三開段(煤層段)為裸眼段。

圖6 井位部署及井眼軌跡圖

擴孔施工中，首先使用常規機械擴孔，擴孔刀翼直徑1.5 m；隨后依次使用常規和新型高壓水射流擴孔設備對煤層進行再次擴孔。施工過程中通過沉淀池對上返煤屑進行收集和計量，以此分析擴孔施工效果。

3.2 施工設備

高壓水射流擴孔設備包括 T200XD多功能全液壓車載鉆機及其配套設備；?73 mm鉆桿若干；TBW850/50型泥漿泵1臺，排量區間12～35.6 L/s；常規高壓水射流鉆頭及新型高壓水射流鉆頭；噴嘴16個，規格分別為?2 mm、?6 mm及?8 mm。

3.3 地面測試

根據現有研究，謝一礦煤體結構以粉末狀及碎塊狀為主，煤塊的單軸抗壓強度在1.5～10.3 MPa之間，隨著瓦斯含量的升高，煤層抗壓強度降低幅度較大。

施工前，測試擴孔鉆頭安裝不同組合噴嘴的情況下泥漿泵工作情況，根據式(4)分析不同噴嘴組合的射流切割能力。測試噴嘴組合有：組合① 3個?2 mm噴嘴；組合② 3個?4 mm噴嘴；組合③ 3個?6 mm噴嘴；組合④3個?8 mm噴嘴；組合⑤2個?6 mm、1個?8 mm噴嘴。測試及計算結果見表1。

測試結果表明：在使用噴嘴組合①、組合②時泥漿泵(排量16 L/s)無法正常運行；為提高射流切割能力，選擇噴嘴組合⑤。

最終射流擴孔鉆頭選定噴嘴組合⑤，泥漿泵排量24 L/s。

表1 測試數據表

3.4 擴孔施工

工程采用逐級擴孔方式施工：首先采用機械擴孔工具對煤層段進行初始擴孔；后采用常規水力擴孔鉆頭對煤層段進行高壓水射流擴孔；之后采用新型高壓水射流擴孔鉆頭繼續對煤層進行擴孔施工。

將高壓水射流擴孔鉆頭連接在鉆桿底部，下至煤層位置后，開啟泥漿泵開始切割煤層。施工參數為：泵壓10～12 MPa，泥漿泵排量保持在24 L/s左右，鉆頭轉速2～4 r/min，軸向擴孔速度0.2 m/h。

3.5 結果分析

施工后，分別對TM01及TM02井常規高壓水射流擴孔和新型高壓水射流擴孔出煤量進行了計量和分析，見表2。

表2 常規高壓水射流擴孔效果對比

根據出煤量及煤厚數據分析，新型高壓水射流鉆頭在常規高壓水射流鉆頭對煤層進行擴孔施工后仍然可以對煤層進行有效切割，且出煤量及擴孔效果遠大于常規高壓水射流擴孔。

根據煤屑體積及煤層厚度計算，高壓水射流擴孔施工在石門揭煤區域形成的洞穴平均直徑超過1.8 m。

4 防突效果及結論

在距離煤層法距10 m處掘進頭施工6個前探孔實測待揭煤處殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量，測量結果表明，平均瓦斯含量降低58.0%，平均瓦斯壓力下降60.8%。在施工過程中沒有出現噴孔、頂鉆等瓦斯動力現象。因此：

(1)新型高壓水射流擴孔設備首次在謝一礦望峰崗井石門揭煤輔助消突鉆孔中的成功應用，降低了揭煤的安全風險，縮短了揭煤工期，為同類工程的地面大直徑鉆孔擴孔施工提供了重要借鑒。

(2)工程實踐表明，新型高壓水射流擴孔技術適用于松軟煤層的瓦斯防突治理。

(3)進行地面高壓水擴孔切割消突工程后，消突區域井下鉆孔過程中噴孔次數及強度、瓦斯壓力及含量明顯下降，對石門揭煤區域的卸壓效果遠大于常規井下鉆孔抽排方式。

(4)施工中，采用的高壓水射流切割擴孔參數計算方法科學合理，計算結果可靠，對高壓水射流切割擴孔技術的推廣和應用具有指導和借鑒意義。