高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術優化

符 輝，寇建新，秦 佩

（1.中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山467000）

煤炭做為中國的主要能源，大部分來自地下井工開采[1]。隨著礦井開采向深部不斷延伸，煤層低透氣性特征日益明顯。平煤礦區多個礦井采深近800 m，已經進入深部開采階段，開采難度和成本隨之增加。為了快速消除瓦斯產生的安全生產影響，近年來國內外學者提出了開采保護層、高壓水射流割縫、穿層鉆孔、深孔預裂爆破、水力壓裂等增透技術[2-3]。這些技術也存在著一些問題，比如工程量大、瓦斯抽放布孔密度大、單孔抽放影響范圍小、抽放量少、存在空白帶、鉆機搬運頻繁和工作效率低下等。針對以上問題，以高壓組合水射流技術為依托，優化設計徑向多分支鉆孔技術。實現低透氣性煤層增透，減提高穿層鉆孔單孔抽采范圍及效率。

1 研究區概況

河南平寶煤業有限公司首山一礦，主采己組煤層，實驗地點選擇在己15－17－12110 機巷抽放巷。己15－17 煤層結構單一，煤層厚度4.0～4.7 m，平均4.5 m，己15 和己16－17 煤層均為突出煤層，實測己15－17 煤層原始最大瓦斯壓力為1.38 MPa，實測煤層最大原始瓦斯含量為10.46 m3/t。煤體一般由III、IV 類煤構成，煤層透氣性為0.009～0.871 m2/（MPa2·d），煤體堅固性系數f 為0.11～0.50[4]。

己15-17-12110 機巷抽放巷常規鉆孔瓦斯預抽達標周期較長，易出現空白帶，整體效果不佳。不能滿足安全生產的要求。針對該問題，在己15-17-12110 機巷抽放巷，采取穿層徑向鉆孔，對煤層進行卸壓增透，提高單孔抽放影響范圍和煤層瓦斯抽采率。

2 組合水射流徑向多分支鉆孔工藝及優化設計

2.1 增透原理

將高壓水以高彈性外部能量通過組合射流噴嘴，在軸向方向實現多股高壓水流重疊沖擊進入煤巖體，在沖擊載荷不斷作用下實現煤巖體破碎反向排出，形成軸向母孔。其中鉆頭由前組合噴嘴和后反推力噴嘴組成。為了實現最佳破煤巖效果，前噴嘴設計實現了軸向不同傾角的多股水射流體，當軸向母孔完成后，組合水射流鉆頭和后接軟管，通過轉向裝置完成設計角度的多個分支的徑向分支子孔；均勻提高煤體裂隙損傷，擴大鉆孔內部煤體暴露空間，消除瓦斯空白區域，增大煤體透氣性。工藝原理如圖1。

圖1 工藝原理圖Fig.1 Schematic of process principle

為達到最佳破煤體效果，設計了13 種不同型號的前置噴嘴、5 種不同型號的后置噴嘴以及7 種不同轉向裝置進行效果分析，優選出最佳設計方案。

2.2 組合水射流鉆頭參數設計優化

組合噴嘴參數設計包括：前、后噴孔的直徑、數量、流量、以及每個噴孔軸向張角、徑向轉角和中心距。通過理論計算可以得到噴孔的直徑、數目和流量。根據這些相關參數為基礎，實驗優化確定適合的軸向張角、徑向轉角和中心距。

2.2.1 鉆頭的鉆孔直徑和數量

根據水流的壓損公式[5-6]：

式中：△p 為壓力損失，MPa/m；q 為水流體積流量，L/min；D 為液壓軟管的內徑，mm；Re 為雷諾數，取11 165q/D。

由式（1）可以看出，水流壓損與體積流量成正比，與軟管內徑成反比。高壓軟管要通過轉向裝置，需要有一定的柔韌度，設計軟管內徑為6.35 mm，外徑12.7 mm。當體積流量為40 L/min，由式（1）得出，壓損為0.63 MPa/m[7]。

式中：μ 為噴嘴流量系數；n 為噴嘴數量；d 為噴嘴的直徑，m；ρ 為水的密度，kg/m3；p 為水流壓力，MPa。

由式（2）推導出式（3）：

采用BRW200/31.5 乳化液泵，輸入端壓力取30 MPa，前噴設計3 個噴孔，后噴嘴8 個噴孔，則噴嘴數量為11，根據式（3）得出，d 為0.62 mm，由于金屬材料加工等問題，d 設計為0.6 mm[8-9]。

2.2.2 鉆頭前噴嘴張角和轉角及中心距

為了達到最佳破煤效果，設計了13 種前置噴嘴不同張角、徑向轉角和中心距的鉆頭。不同前置噴嘴參數見表1。

根據不同前置噴嘴實驗結果進行對比，第13 種噴嘴:軸向張角25°，徑向轉角90°且中心距1.8 mm時，沖擊煤巖體后反向鉆進效率最高。煤巖體破碎顆粒更小，有助于破碎煤巖體顆粒的反向排出。且噴嘴反向推進速度會隨著中心距的增大而減小[10-11]，鉆頭前噴嘴結構參數對鉆頭鉆進能力的影響如圖2。

2.2.3 鉆頭后噴嘴軸向傾角

后置噴嘴設計5 種軸向傾角鉆頭（10°、15°、20°、25°、30°）。根據實驗優化選取結果：當后置鉆頭噴嘴大于25°時，由后置鉆頭產生的推進力與軸向錐角的大小存在反比關系，即軸向角越小，推進力越大。當后置鉆頭噴嘴小于等于25°，泵站壓力維持在30 MPa 時，后推進力并不會增大。由實驗可得出，后置噴嘴軸向錐力25°的軸向錐角最為合適。后置噴嘴鉆頭鉆進效果如圖3。

表1 不同前置噴嘴參數Table 1 Different front nozzle parameters

圖2 鉆頭前噴嘴結構參數對鉆頭鉆進能力的影響Fig.2 Influence of nozzle structure parameters in front of bit on bit drilling capability

圖3 后置噴嘴鉆頭鉆進效果Fig.3 Drilling effect of rear nozzle bit

2.3 轉向裝置

轉向裝置是保證高壓組合水射流鉆頭帶動高壓軟管，由軸向母孔沿轉向裝置的內槽轉向，形成徑向分支孔的關鍵[12]。

受鉆孔直徑的限制，要求在鉆進過程中，轉向曲率半徑要小，同時鉆進阻力小，排渣順暢，回管便利，安全可靠[13-15]。因此，轉向裝置外徑不宜超過90 mm，設計外徑80 mm 不同流道結構參數的7 種型號，7種不同轉向裝置參數見表2。

由實驗結果得知：孔徑為30 mm 時比孔徑為28 mm 時更容易通過，孔徑為28 mm 時比孔徑為25 mm 時更容易通過，即孔徑越大，越容易通過；流道內側接觸面為點接觸時，有利于鉆頭通過；轉向裝置流道直徑出口角度越小，高壓組合水射流鉆頭更容易通過轉向裝置；直線段+圓弧段流道更利于鉆頭通過轉向裝置。最終，根據現場多次效果檢驗，選取第1 種參數的轉向裝置。

表2 7 種不同轉向裝置參數Table 2 Parameters of 7 different steering devices

3 現場試驗

3.1 布置方式

在己15-17-12110 機巷抽放巷500 m 范圍內（+200至+700 m）向機巷掘進工作面煤體處，采用高壓組合水射流多分支徑向鉆孔技術進行抽放。巷道內每間隔6 m，布置1 組徑向多分支鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，軸向孔終孔布置在煤層頂板0.3～1.0 m 之間。每組鉆孔分上下2 層，每層4 個徑向孔布置，徑向孔長度4 m。

3.2 效果分析

1）成孔效果分析。高壓組合水射流徑向多分支鉆孔成孔率高（＞89%）、完整性好，裝備可靠性高。單孔平均鉆孔速度可達5.6 m/min，鉆孔效率提高了6.5 倍。鉆孔深度和速度圖如圖4。

圖4 鉆孔深度和速度圖Fig.4 Drilling depth and drilling speed

2）瓦斯抽采濃度。對現場500 m 高壓組合水射流徑向多分支鉆孔瓦斯抽采效果進行考察，單個鉆孔抽采濃度與原有采用的水力沖孔瓦斯抽采濃度進行對比，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔與水力沖孔鉆孔抽采效果對比圖如圖5。與水力沖孔鉆孔相比，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔單孔抽采濃度明顯提高2.3～3.5 倍，且衰減周期顯著延長。

圖5 高壓組合水射流徑向多分支鉆孔與水力沖孔鉆孔抽采效果對比圖Fig.5 Comparison chart of drilling extraction effect between high-pressure combined water jet radial multi-branch drilling and hydraulic flushing

3）效果檢驗。采用高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術后，沿己15-17-12110 機巷抽放巷500 m 的試驗地點，每隔30 m 布置1 個檢驗孔，共17 個檢驗孔。測定己15-17-12110 煤層預抽區域殘余瓦斯壓力最高為0.47 MPa，殘存瓦斯含量最大為4.04 m3/t，區域效果檢驗有效。

4）施工量與抽采時間。500 m 范圍內與原有采用的水力沖孔技術相比：水力鉆孔需要布置167 組×14 個/組=2 388 個；采用高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術，布置鉆孔84 組×7 個/組=588個，極大的減少鉆孔施工數量。

比較原有密集鉆孔抽采時間為240 d，水力沖孔抽采時間為145 d，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術抽采時間為93 d，極大的縮短了抽采時間。

4 結 語

1）優化設計高壓組合水射流多噴孔鉆頭，揭示了鉆頭破煤巖機理，前噴嘴中心距對鉆進速度的影響、鉆孔孔徑隨后噴嘴軸向錐角的變化。配合高壓軟管轉向裝置內小半徑轉向，對煤體瞬時施加動能載荷，實現煤巖體動態損傷和裂隙，可以快速提高煤層瓦斯透氣性。

2）由應用結果可知，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術，在平煤股份所屬突出煤層礦井應用效果明顯。與傳統技術相比，單孔有效抽采半徑達8 m 以上，單孔抽采效率平均提高9 倍以上，預抽鉆孔數量減少75%，瓦斯抽采量累計增加3.54 倍，預抽時間縮短5 個月以上。