基于堅硬煤層條件的順層鉆孔增透技術研究

陸占金

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

我國是世界上煤與瓦斯動力災害嚴重的國家之一，已有約200對礦井開采深度超過800 m[1-4]。隨著煤炭資源開采深度的增加，高地應力、高瓦斯危害也隨之增大，煤巖體呈現出顯著的高地應力、高瓦斯壓力和低滲透性特征。煤與瓦斯突出事故的致災因素較為復雜，復合型突出尤其是應力主導型的突出災害發生的比率也逐漸增高[5-8]，現有的防治技術不能完全滿足此類災害治理需求。目前，深部煤層卸壓預抽瓦斯是防治瓦斯災害的主要措施，現場作業主要采用鉆孔抽采的方法，但由于煤層透氣性系數低，導致抽采鉆孔密度大，抽采半徑較小，施工工期長，亟需尋求一種提高鉆孔卸壓影響范圍的技術途徑[9-12]。水力割縫是一種有效的煤層卸壓增透措施，現有水力割縫壓力一般在60 MPa左右，由于其工作壓力低，射流沖擊力有限，對于堅硬煤層(f值為1.0以上)，無法有效產生沖擊破壞，卸壓增透效果較差。因此，針對低透氣性堅硬煤層，研究新型卸壓增透技術及裝備顯得十分必要[13-14]。

1 堅硬煤層高壓水射流破壞過程

高壓水射流沖擊煤體直至煤體產生破壞，需經過2個階段，即水錘壓力階段和滯止壓力階段。

1)水錘壓力階段：射流沖擊煤體時兩者均處于壓縮狀態進而產生微變形，隨著微變形在射流及煤體內部不斷傳播進而產生應力波，當射流尖端接觸煤體表面時，會產生新的應力波，應力波由煤體表面向深部傳播，直至射流與煤體表面充分接觸為止。該階段持續時間極為短暫，沖擊效應使煤體發生初始損傷，水錘壓力作用在煤體表面，導致煤體產生微小的變形，隨后水錘壓力下降為滯止壓力。

2)滯止壓力階段：煤體卸壓后其內部會形成拉伸載荷，當載荷超過煤體自身強度極限時便會產生初始破壞，該階段煤體破壞主要體現為內部裂紋二次擴展。在射流持續沖擊煤體過程中，高壓水進入裂紋尖端產生應力集中現象，裂隙在水壓作用下進一步發育，最終與原裂隙貫通使煤塊整體脫離，在煤體表面形成破碎坑[15-17]。

2 超高壓水射流環形割縫卸壓增透模擬分析

2.1 模擬方案

本次模擬煤層厚度3 m，直接頂板為粉砂質泥巖，直接底板為泥質粉砂巖。采用FLAC3D軟件模擬分析環形割縫對鉆孔圍巖卸壓場的影響，采用COMSOL軟件模擬分析環形割縫對鉆孔瓦斯滲流場的影響。

割縫卸壓應力場采用FLAC3D軟件內置Mohr-Coulomb模型，設置煤巖密度為1 329 kg/m3、體積模量為2.25 GPa、切變模量為1.50 GPa、抗拉強度為0.825 MPa、垂直應力為20 MPa、縫槽寬度為 0.03 m。

煤層瓦斯滲流場模擬使用COMSOL軟件內置的固體力學模塊和PDE模塊，設置煤巖彈性模量為 2.713 GPa、Klinkenberg因子為1.44×105Pa、Langmuir壓力常數為1 MPa、體積常數為0.02 m3/kg。

2.2 環形割縫對鉆孔圍巖卸壓場的影響

通過數值模擬，分析環形割縫對鉆孔圍巖卸壓場的影響。100 MPa割縫壓力條件下割縫鉆孔圍巖最大主應力云圖如圖1所示，塑性區分布圖如圖2所示。

圖1 割縫鉆孔圍巖最大主應力云圖

圖2 割縫鉆孔圍巖塑性區分布圖

由圖1可知，高壓水力割縫在煤層內部切割形成縫槽，鉆孔圍巖產生新裂隙，周邊煤體應力逐漸降低至拉伸應力狀態。縫槽改變了鉆孔煤巖原巖應力平衡，出現了不同程度卸壓現象。隨著縫槽深度增加，處于拉伸狀態的煤體區域擴大，縫槽間拉伸區域逐漸相互重合，煤體均處于卸壓狀態。縫槽作用下煤體應力主要為拉伸應力，閉合裂隙再次打開。煤體的拉伸應力與其距縫槽壁的距離成反比，當拉伸應力超過煤體強度極限時，煤體內部便會生成新的裂隙，新裂隙與原巖裂隙共同構成瓦斯流動空間。

由圖2可知，割縫后其周邊煤體破壞方式主要是剪切破壞，塑性破壞區的面積隨著割縫深度的增加而不斷增大，割縫卸壓效果顯著。

2.3 環形割縫對煤體滲透率的影響

割縫后煤層滲透率得以顯著提升，其隨抽采時間的變化趨勢如圖3所示。

(a)抽采0 d

(b)抽采10 d

(c)抽采30 d

(d)抽采90 d

由圖3可知，初始割縫時鉆孔及縫槽邊緣極小部分煤體處于低水平卸壓狀態，隨著抽采時間不斷延長，煤層滲透率不斷增大，縫槽附近煤體滲透率的增加幅度同鉆孔壁附近煤體滲透率的增加程度相當，縫槽壁的增透范圍較鉆孔壁的增透范圍顯著增大。割縫后相鄰縫槽間區域是煤體增透的主要范圍。

2.4 環形割縫對煤層瓦斯流動的影響

未割縫普通鉆孔、單孔割縫及相鄰鉆孔割縫時瓦斯運移流向如圖4所示。

(a)普通鉆孔 (b)單孔割縫 (c)相鄰鉆孔割縫

圖4 鉆孔瓦斯運移流向模擬圖

由圖4可知，普通鉆孔(未割縫鉆孔)瓦斯運移流向垂直于鉆孔，為徑向流動。

單孔割縫后，瓦斯運移流線與未割縫鉆孔相比產生了明顯變化，縫槽尖端處瓦斯運移符合球向流動規律，中后部瓦斯運移則符合徑向流動規律。

相鄰鉆孔割縫后瓦斯流動方向包括向鄰近鉆孔流動及向鄰近縫槽流動，鉆孔抽采時煤層瓦斯沿著滲透率最高的路徑運移。

通過研究分析環形割縫對鉆孔圍巖卸壓場、煤層滲透率及瓦斯流動的影響規律可知，割縫縫槽的形成，致使煤層瓦斯流動路徑既有徑向流動又有層間流動。通過合理控制縫槽間距及鉆孔間排距，縮短瓦斯到達鄰近縫槽及鉆孔壁的距離，在徑向流動與割縫層間流動共同作用下，能夠實現鉆孔間環形網狀流動，煤體得到均勻、充分卸壓，可有效提高多個或鉆孔群割縫條件下的煤層瓦斯抽采效果。

3 新型超高壓水力割縫裝置研制

通過研究窄縫黏性流體流動理論，研發了超高壓旋轉水尾，實現了在100 MPa工作壓力下旋轉動密封功能；通過分析鉆孔排渣原理，確定了合理的螺紋升角及厚度參數，研發了水力割縫淺螺旋整體鉆桿，解決了近水平順層長鉆孔割縫排渣難題；通過分析鉆孔流場分布規律，研發了高低壓轉換割縫器，以實現高、低壓自由切換。根據工作壓力要求，綜合分析耐壓性及遠距離割縫作業沿程阻力損失，研發了工作壓力可達150 MPa的超高壓液壓軟管。基于煤礦井下巷道條件的多變性，研發了高壓遠程操作臺，實現了在超高壓清水泵位置固定的情況下，1人獨自操控遠距離割縫作業。配以金剛石復合片鉆頭、超高壓清水泵，集成了工作壓力可達100 MPa的超高壓水力割縫成套裝置，如圖5所示。

圖5 超高壓水力割縫成套裝置組成圖

1)高低壓轉換割縫器。可實現高低壓水自由切換，壓力轉換閥值為15 MPa，采用硬質合金噴嘴，噴嘴直徑2.6 mm。

2)超高壓清水泵。工作壓力0～100 MPa，額定流量為132 L/min，結構緊湊，煤礦井下巷道條件適應性強。

3)割縫螺紋整體鉆桿。采用三密封方式，密封性強，可承壓120 MPa，淺螺紋結構設計，可有效增大鉆孔割縫排渣效果。

4)超高壓旋轉水尾。工作壓力150 MPa，采用間隙密封方式，依靠殼體內部軸芯及高精度球型軸承實現靈活轉動功能，旋轉動密封性強。

5)超高壓液壓軟管。工作壓力150 MPa，最小爆破壓力可達400 MPa以上，沿程阻力損失小，100 m 距離僅損失2～3 MPa。

6)高壓遠程操作臺。集溢流閥、遠控開關于一體，工作壓力120 MPa，可實現100 m以上遠距離操控泵的開啟、關閉與調壓。

4 煤巷條帶順層鉆孔割縫現場試驗

現場試驗地點選在林華煤礦1091回風巷，其對應9號煤層原始瓦斯含量為15.8 m3/t，平均煤厚為3.07 m，煤層f值為1.7。割縫鉆孔設計如圖6所示。

圖6 堅硬煤層煤巷條帶順層鉆孔割縫設計平面圖

4.1 堅硬煤層順層鉆孔合理化割縫工藝

試驗共施工13個順層長鉆孔，其中1#～7#鉆孔割縫，割縫鉆孔深度100 m，8#～13#鉆孔未割縫。針對試驗區域煤層硬度大，從距離鉆孔2 m位置開始割縫，首先鉆桿不旋轉，將泵壓調至100 MPa定點沖擊10 min，然后泵壓歸0，將鉆桿旋轉1/4～1/5圓周后再將泵壓升至100 MPa，定點沖擊10 min。以此類推，每刀定點沖擊3～4次后，以40 r/min的旋轉速度、100 MPa壓力旋轉切割15 min。割縫間距 2 m，采用退鉆割縫的方式，孔口20 m范圍內不進行割縫。

4.2 煤層透氣性對比

在超高壓水力割縫前，采用中國礦業大學法計算得出1091回風巷9號煤層原始透氣性系數為 0.038 58 m2/(MPa2·d)。割縫后測得9號煤層透氣性系數為0.823 7 m2/(MPa2·d)，割縫后煤層透氣性較割縫前提高約20倍。

4.3 抽采效果對比

本循環所施工的順層割縫鉆孔與上一循環未割縫順層鉆孔單孔平均抽采瓦斯純流量對比如圖7 所示。

圖7 平均單孔抽采瓦斯純流量對比曲線

由圖7可知，割縫后順層鉆孔平均單孔抽采瓦斯純流量最小為0.026 m3/min、最大為0.056 m3/min，未割縫鉆孔平均抽采瓦斯純流量最小為0.013 m3/min、最大為0.022 m3/min，割縫后鉆孔平均抽采瓦斯純流量提高2.0～2.5倍。

4.4 抽采達標時間對比

對比分析了割縫前后抽采達標時間及掘進速度，如表1所示。

表1 割縫前后抽采達標時間及掘進速度對比

由表1可知，采用超高壓水力割縫后，抽采達標時間較未采取割縫措施時縮短約67%，煤巷條帶平均月進度由原先的53.3 m提高至80.0 m，月掘進速度提高了約50%。

4.5 掘進期間指標驗證及瓦斯濃度分析

掘進期間現場實測區域驗證鉆屑瓦斯解吸指標K1值為0.02～0.26 mL/(g·min1/2)，鉆屑量S值為1.6～2.0 kg/m，回風流最大瓦斯濃度(CH4體積分數)為0.3%，未出現瓦斯涌出等異常情況。

5 結語

1)采用數值模擬的方法分析了環形割縫對鉆孔圍巖卸壓場、煤層滲透率及瓦斯流動方向的影響。割縫縫槽的形成可有效降低其周邊煤體應力，增大塑性區范圍；割縫對煤層滲透率影響顯著，相鄰縫槽間區域是煤體增透的主要范圍；割縫縫槽的形成，致使煤層瓦斯流動路徑既有徑向流動又有層間流動，通過合理控制縫槽間距及鉆孔間排距，可實現鉆孔間環形網狀流動，大幅度提高群孔條件下煤層瓦斯抽采效果。

2)研制了工作壓力100 MPa的超高壓水力割縫成套裝置，其具備鉆進、切割一體化功能，超高壓水力傳輸系統承壓可達100 MPa以上，可實現100 m以上遠程操控。

3)針對堅硬煤層，通過現場試驗驗證了超高壓水力割縫技術及裝備的應用效果，該技術及裝備可有效解決堅硬煤層順層鉆孔卸壓增透難題。