本煤層超高壓水力擴孔技術與應用研究

光辛亥

（陽煤集團礦山救護大隊，山西 陽泉 045000）

引 言

我國的煤層大部分為低滲透煤層，瓦斯抽采困難，因此，尋求一種快速卸壓增透的措施是大多數低滲透煤層開采所面臨的難題。低滲透煤層不僅抽采困難，而且瓦斯壓力極大，對于礦山安全生產帶來很大的威脅［1－2］。

近年來，隨著高壓水力擴孔技術的發展，在我國多個礦區進行的現場驗證說明，超高壓水力擴孔技術能很好地對煤體割縫，增加瓦斯抽采的有效面積，擴大本煤層透氣性，改善瓦斯抽采效果。高壓水射流擴孔之后，加上鉆桿的螺旋移動以及水的沖擊將煤粉及時地排出孔外，提高了鉆孔內瓦斯流動范圍，減小了流動阻力，極大地提高了低滲透煤層的瓦斯抽采效率［3－5］。基于此，在高河礦進行超高壓水力擴孔技術現場驗證。

高河井田位于長治市以西約4km處，其＋450m水平北翼進風大巷設計長5 958m，現已施工2 962m。＋450m北進風大巷巷道斷面形狀為矩形，凈寬5.0mm，凈高3.7mm，凈斷面積8.5m2。北進風大巷掘進過程中單個循環最大落煤瓦斯涌出量為1.0m3／min，煤壁每百米瓦斯涌出量為0.6m3／min。安裝了4臺FBDNo7.1型局部通風機，功率為：2×45kW，單臺供風量為400m3／min～850m3／min，風壓為800Pa～7 000Pa。風筒采用兩路高強阻燃風筒供風，主風筒為Φ1 000mm，副風筒為Φ1 000mm。

1 水力擴孔設備及技術工藝

1.1 設備選型及主要技術參數

新型超高壓水力擴孔設備由供水箱、超高壓液泵、高壓鉆機與高壓膠管、旋轉噴頭以及集煤池組成。裝置結構圖如第106頁圖1所示：

高壓水力擴孔的技術核心是水泵能保證噴出來的水具有足夠的壓力，能有效地切割和破煤，而且在工作過程中不會發生破裂與誤啟動，保證操作人員的人身安全。超高壓水力擴孔的水壓主要是受兩方面因素影響，一是噴頭的噴出直徑，二是高壓水泵的體積流量。噴嘴直徑越小越容易形成高壓水射流，當高壓水泵的體積流量越大，水射流的壓力也會加大。試驗選用BRW80／20乳化液泵，該泵站由兩臺乳化液泵與一臺乳化液箱組成，其中，一臺泵工作，另一臺泵備用。主要為井下綜合機械化采煤的液壓支架提供強大動力源，以提高液壓支架的移架速度，從而達到增加煤炭產量的目的。該泵站也可用于地面及其他液壓設備。BRW80／20乳化液泵的使用環境：環境溫度應在0℃～40℃；海撥2 000m以下；介質溫度5℃～40℃；有甲烷等氣體的礦井中，壓力為32MPa，實際擴孔過程中，壓力只需滿足13MPa即可滿足擴孔需要。乳化液箱選用RX－400乳化液泵箱，該水箱儲存水量大，能保證持續工作25min破煤需要的水量。

圖1 水力擴孔設備

水力擴孔鉆機必須使用方便靈活，能移動使用，可打多類型、多角度、多直徑的鉆孔，在現場驗證時，往往需要打試驗孔和觀察孔，便于對具體擴孔效果的考察。鉆車選用CYTM41（HT92）礦用液壓錨桿鉆車，這種鉆車用于圍巖結構復雜、巖層破壞嚴重等地質條件下的采礦和隧道開挖中的錨桿支護工作。而且在車頭可安裝特制擴孔鉆頭，這種鉆頭用高強度合金制成，硬度極高，破巖威力大。高壓膠管是連接高壓水泵與鉆機的重要傳輸通道。

膠管耐壓能力要高，由于高壓水泵的最高壓力為32MPa，所以膠管的耐壓系數必須大于32MPa，膠管的耐壓系數與膠管直徑有關，管徑越大，耐壓能力越強，所以選用鋼絲纏繞膠管，耐壓可達36MPa。膠管的一端與鉆車相連，另一端與高壓水泵相連。

噴嘴的選用主要考慮噴嘴直徑，直徑越小，水射流壓力越大。選用3個直徑為1.6mm和3個直徑為2.0mm的噴嘴。根據實驗，這種直徑能滿足水壓壓力需求，而且噴射過程相對穩定。噴嘴連接在鉆桿頭部，為了更有效地實時觀測高壓水力的變化，需要在鉆車上安裝高壓水表便于觀測水壓與水量變化。

1.2 操作步驟

1）鉆車打鉆，打好直徑83mm的鉆孔，孔深83m，打好之后將鉆桿退出，換成水力擴孔鉆頭，準備水力擴孔，鉆頭更換完畢之后鉆進到鉆孔尾部位置。要求對所有超高壓鉆桿連接前進行內外沖洗，并確保鉆桿內無煤屑等殘留物。

2）從內向外開始進行高壓水擴孔，關閉靜壓水，換接超高壓旋轉接頭，連接超高壓管路，不相關人員撤離至警戒線外。再次檢查確認施工環境及設備安全后，先開啟鉆機帶動鉆桿以適當速度旋轉，然后再開啟超高壓清水泵，首次啟動空載2min～3min以上，待孔口返水后，通過調壓閥，泵壓由低到高緩慢、勻速增壓：10，水經過超高壓軟管進入鉆桿內，最后從高低壓轉換器上的噴嘴射出，對煤層周邊煤體進行切割，每刀割縫時間為2min～5min。

3）記錄瓦斯濃度變化與出煤量變化，擴孔完畢后，先將超高壓清水泵泵壓回零，再關閉超高壓清水泵，開啟鉆機，撤卸3根鉆桿，重新連接超高壓旋轉接頭及超高壓管路，再次開啟超高壓清水泵，控制調壓螺母，重復擴孔步驟。

2 水力擴孔卸壓增透機理分析

高壓旋轉水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內部卸壓、瓦斯釋放和流動創造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性。縫槽在地壓的作用下，周圍煤體產生空間移動，擴大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態，為瓦斯排放創造有利條件，改變了煤體的原始應力和裂隙狀況，緩和了煤體和圍巖中的應力緊張狀態，既可削弱或消除突出的動力，又可提高煤層的強度，起到防突作用，并提高了透氣性和瓦斯釋放能力。綜上所述，在水力擴孔有效影響范圍內的煤體卸壓增透，可使煤體透氣性系數增大，游離瓦斯濃度升高，鉆孔瓦斯抽采量提高。

3 水力擴孔效果考察

現場驗證需要打3組普通鉆孔，3組高壓水力擴孔，鉆孔傾角與孔深參數見表1。并且，在普通組與高壓組周圍設置了對照組（7號孔和8號孔）。記錄擴孔前瓦斯流量，可得普通鉆孔影響半徑為3m左右，再記錄擴孔后瓦斯變化規律，可得高壓水力擴孔有效影響半徑為6m左右，可節約近50%的工作量。

表1 水力擴孔鉆孔參數

3.1 出煤量考察

將擴孔50m孔深過程中單位時間內每米擴孔過程中出煤量用擬合曲線表示，擬合結果如第107頁圖2所示。

從圖中曲線可得，擴孔時間與出煤量成正比例關系，時間越久，出煤量越大。但是到30min之后，出煤量基本不增長，增長幅度趨于平緩。這是由于，雖然高壓水力擴孔影響范圍較廣，但是其最大直徑距離也是有限的。也就是說到30min后，擴孔半徑已經達到了水力擴孔的最大影響半徑。設定20min進行一次1m的擴孔試驗，出煤量從圖2中可見是0.35t，通過代入擬合函數可得半徑為0.286m，相當于在普通鉆孔的基礎上進行了二次擴孔，切實達到了增透的效果。

圖2 每米鉆孔出煤量與擴孔時間關系

3.2 擴孔前、后鉆孔抽采量與瓦斯流量衰減系數對比

統計考察孔與普通孔瓦斯流量對比，普通孔月平均瓦斯抽采量在2 485m3，擴孔后的考察孔平均瓦斯抽采量為7 844m3，擴孔后的瓦斯流量是擴孔前的3.1倍。可見，高壓水力擴孔確實使得煤體透氣性系數增大，游離瓦斯濃度升高，鉆孔瓦斯抽采量提高。統計表見表2所示。

擬合兩個觀測孔與普通孔的瓦斯流量衰減系數，普通鉆孔平均衰減系數為0.023 5d－1，擴孔前的平均衰減系數為0.011d－1，擴孔后平均瓦斯流量衰減系數是擴孔前的1／2。這是由于，擴孔后，煤體暴露面積增大，瓦斯得到充分卸壓，衰減系數減小，瓦斯抽采流量與時間得到了提升。

表2 鉆孔瓦斯流量衰減系數和月抽采量對比

3.3 擴孔前、后煤層瓦斯含量對比

在進行現場驗證前記錄煤層原始瓦斯含量，擴孔抽采30d之后測量距抽采孔3.6m處和1m處的實際瓦斯殘存含量，對比效果如表3。

表3 擴孔前、后煤層瓦斯含量對比

表3可見，隨著抽采時間的延伸，在兩種不同鉆孔的周邊觀測瓦斯賦存含量，高壓水力擴孔之后的瓦斯含量明顯要低于普通鉆孔瓦斯含量。足以說明水力擴孔使得鉆孔周圍煤體充分卸壓，瓦斯利用率增長，殘余瓦斯含量降低。

4 結論

1）新型擴孔設備，割縫半徑大，輸送距離遠，能夠實現工作壓力達到35MPa的超壓水力鉆割，有效地解決了本煤層鉆孔水力割縫增透的問題，減少鉆孔工程量，縮短抽采時間。

2）高壓水力擴孔能減小鉆孔瓦斯流量衰減系數，增大瓦斯抽采量。

3）實行高壓水力擴孔技術可以減少近50%的施工量，并且，通過水力割縫增透措施可以使得單孔瓦斯流量提高3.1倍，有效地提高了瓦斯抽采效率，對低滲透煤層瓦斯抽采具有重要意義。