瓦斯抽采鉆孔修復(fù)機(jī)理與應(yīng)用研究＊

劉 曉 藺海曉 張雙斌 馮文軍

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (中國(guó)礦業(yè)大學(xué))，江蘇省徐州市，221116)

我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)，瓦斯抽采作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的根本措施，其抽采效果與礦井的安全生產(chǎn)密切相關(guān)。抽采鉆孔成孔的優(yōu)良及抽采的有效性不僅受制于鉆孔最初施工的工藝過程，更取決煤巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及所受應(yīng)力狀態(tài)。目前我國(guó)煤礦瓦斯抽采鉆孔尚處于重視生產(chǎn)不重視養(yǎng)護(hù)階段，花費(fèi)較高成本施工完成鉆孔聯(lián)抽后即聽之任之，使其自動(dòng)衰竭，缺乏有效地抽采鉆孔維護(hù)管理技術(shù)，造成了抽采鉆孔數(shù)目眾多、抽采瓦斯純量有限的尷尬局面。瓦斯抽采鉆孔施工難、維護(hù)不易、有效抽采時(shí)間短、抽采質(zhì)量均不高成為困擾煤礦瓦斯治理的重要因素，但到目前為止尚未形成瓦斯抽采鉆孔修復(fù)技術(shù)與裝備，難以有效解決上述問題。本文從鉆孔失穩(wěn)受力分析及泥巖水化學(xué)作用等方面分析了鉆孔堵塌孔機(jī)理，提出了高壓水射流鉆孔修復(fù)技術(shù)，研發(fā)了瓦斯抽采鉆孔水力化作業(yè)機(jī)，通過在焦作煤業(yè)集團(tuán)新河礦井試驗(yàn)，形成了較為完整的瓦斯抽采鉆孔修復(fù)維護(hù)工藝，為相關(guān)工作提供一定借鑒。

1 抽采鉆孔堵塌孔機(jī)理

1.1 鉆孔受力失穩(wěn)

鉆孔失穩(wěn)與否主要取決于鉆孔施工完成之后煤體的卸載程度和圍巖的應(yīng)力狀態(tài)等因素。

由于地質(zhì)構(gòu)造影響，煤體中存在的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面在三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)仍有較高的力學(xué)強(qiáng)度，但鉆孔施工完成后，鉆孔周邊煤體經(jīng)過大量卸載會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力降低區(qū)，尤其是在拉應(yīng)力出現(xiàn)之后，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能迅速變差。距離鉆孔較遠(yuǎn)處的煤體卸載量和變形量小、強(qiáng)度高；鉆孔周邊煤體應(yīng)力釋放大、卸載量大、變形量也較大并伴隨有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，因此鉆孔周邊煤體的卸載變化規(guī)律其實(shí)就是煤體卸載本構(gòu)關(guān)系的轉(zhuǎn)移，同時(shí)也是煤體裂隙擴(kuò)展貫通、變形模量降低和強(qiáng)度逐漸喪失的過程，最終表現(xiàn)為鉆孔的失穩(wěn)。

1.2 泥巖水化學(xué)作用鉆孔坍塌堵孔

我國(guó)絕大部分煤層的偽頂或直接頂為泥巖，在穿層鉆孔施工過程中，存在泥巖水化膨脹。其實(shí)質(zhì)上是粘土礦物的水化膨脹。抽采鉆孔泥巖段水化膨脹的內(nèi)在因素是由于在積水壓差與化學(xué)勢(shì)差的作用下，水分子會(huì)侵入到粘土礦物微裂縫及顆粒之間的宏觀孔隙，進(jìn)一步進(jìn)入到巖石亞微觀與微觀孔隙，發(fā)生表面水化和滲透水化。其外在影響因素很多，包括巖石壓實(shí)程度、溫度、孔隙流體種類、濃度、pH值、作用時(shí)間、水力壓差與化學(xué)勢(shì)差、巖石孔道結(jié)構(gòu)與尺寸等。各種外因的疊加作用導(dǎo)致了水化膨脹研究的復(fù)雜性。

抽采鉆孔泥巖段水化前后的區(qū)別主要有粘土顆粒吸水產(chǎn)生水化應(yīng)力，巖石內(nèi)部應(yīng)力重新分布，引起孔隙壓力變化；粘土顆粒水化膨脹，破壞巖石顆粒間原有膠結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致鉆孔圍巖強(qiáng)度降低及力學(xué)性能參數(shù)發(fā)生變化。由于泥巖較為致密，故當(dāng)其粘土礦物遇水膨脹體積增大后，產(chǎn)生較大的變形；巖石本身的空隙有限，造成巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹力，從而產(chǎn)生較大的塑性變形，使孔徑變小，鉆孔施工初期變形大，發(fā)展快，可能導(dǎo)致鉆孔嚴(yán)重變形，造成鉆孔的破壞失穩(wěn)，最終導(dǎo)致堵孔。

2 水射流破巖修復(fù)機(jī)理

巖體的破壞形式主要是在拉應(yīng)力作用下的脆性破壞，巖石在射流的沖擊下在打擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，打擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力。假設(shè)射流作用于物體表面，反射后速度大小不變，根據(jù)動(dòng)量定理，可得到射流對(duì)物體表面的總打擊力:

式中:F——射流作用在物體上的打擊力，N；

ρ——流體密度，kg／m3；

q——射流體積流量，m3／s；

v——射流流速，m／s；

α——射流方向變化的角度。

產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超過了巖石的抗拉和抗剪極限強(qiáng)度，在巖石中形成裂隙，水射流進(jìn)入裂隙空間，在水楔作用下，裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使裂隙迅速擴(kuò)展延伸，致使巖石破碎。另外，流體滲入微小裂隙、細(xì)小通道、細(xì)小孔隙及其它缺陷處，降低了巖體強(qiáng)度，有效地參與了巖體的失效過程。同時(shí)，在巖體內(nèi)部造成了瞬時(shí)的強(qiáng)大壓力，使微粒從大塊巖體上破裂出來。由于所有的煤巖體都是從不同程度的微觀裂紋開始破壞的，這些微觀裂紋對(duì)巖體的強(qiáng)度和失效的特性有明顯的影響。在射流連續(xù)不斷地打擊作用下，巖體內(nèi)部以及延伸到表面的裂紋數(shù)量會(huì)逐漸增加，這些裂紋的生成與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致巖體局部的破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的破碎。

使用高壓水射流對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行修復(fù)的實(shí)質(zhì)是將堵塌孔的煤巖屑排出孔外，保證孔的暢通；對(duì)鉆孔進(jìn)行一定程度的擴(kuò)孔，使鉆孔失穩(wěn)閉合鉆孔時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)有一定的卸壓作用，有利于抽采。

3 抽采鉆孔修復(fù)技術(shù)

3.1 修復(fù)裝備

瓦斯抽采鉆孔修復(fù)設(shè)備使用自主研制的抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)，其采用連續(xù)油管輸送高壓水，連續(xù)油管直徑為16mm，與鉆孔直徑 (75～120mm)差值較大，保證了堵塌鉆孔的煤巖粉能夠從環(huán)空排出；長(zhǎng)度可調(diào)至150m，以適應(yīng)不同深度鉆孔需求，在實(shí)施過程中，無需人工接管，可連續(xù)深入至鉆孔內(nèi)任意位置。瓦斯抽采孔水力作業(yè)機(jī)可通過遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)噴嘴在孔內(nèi)的位置、射流壓力、射流排量，使抽采鉆孔修復(fù)效率最大化，同時(shí)，也能夠起到?jīng)_刷孔的作用，形成空腔，使煤體卸壓，提高抽采效率，其最高壓力為45MPa，流量200L／min。

3.2 抽采鉆孔修復(fù)流程

(1)對(duì)已有抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采流量和濃度計(jì)量，在考慮抽采鉆孔衰減及區(qū)域瓦斯含量的基礎(chǔ)上，單孔抽采純量降至最初成孔后抽采的1／5認(rèn)為鉆孔塌堵，在有條件情況下，可以進(jìn)行鉆孔窺視或探測(cè)，觀察鉆孔形貌，判斷其是否塌堵。

(2)使用瓦斯抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)進(jìn)行全孔段水力噴射清洗修復(fù)，將塌堵煤巖渣排出孔外，保障孔內(nèi)暢通。同時(shí)，可對(duì)鉆孔封孔段以里進(jìn)行擴(kuò)孔，延緩鉆孔因失穩(wěn)而閉合的時(shí)間，增大了鉆孔周邊煤層透氣性，提高了抽采效率。

(3)修復(fù)完成后可對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，如單孔抽采量提高1倍以上或窺視順暢則認(rèn)為修復(fù)成功。進(jìn)入聯(lián)抽階段。

(4)修復(fù)不成功的重復(fù) (1)～ (3)。

3.3 瓦斯抽采模式

圖1 基于瓦斯抽采鉆孔修復(fù)的瓦斯抽采模式

在使用抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)進(jìn)行抽采鉆孔修復(fù)時(shí)，曾出現(xiàn)擊碎已有抽采管的問題，導(dǎo)致鉆孔排渣不暢，影響了修復(fù)效率。為保障抽采鉆孔的有效抽采，提出瓦斯抽采模式，如圖1所示。低滲煤層進(jìn)行水力壓裂、水力割縫或水力沖孔等強(qiáng)化工藝后，封孔的嚴(yán)密程度對(duì)瓦斯抽采影響并不大，抽采負(fù)壓僅起到導(dǎo)流作用。因此對(duì)高滲煤層及改造之后的低滲煤層提出了臨時(shí)封孔、低負(fù)壓抽采、循環(huán)修復(fù)抽采模式，改變了以往密集鉆、嚴(yán)封孔、高負(fù)壓的抽采模式。

4 工程實(shí)例

4.1 抽采概況

新河煤礦為在建突出礦井，瓦斯含量為1.47～26.22m3／t，平均15.43m3／t。主采二1煤層，煤 層 埋 深 410.00～780.00m， 煤 厚 4.33～8.10m，平均厚度6.08m。二1煤層直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，間接頂板為細(xì)、中粒砂巖 (大占砂巖)，底板為灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖。為掩護(hù)煤巷掘進(jìn)，新河礦采用頂板抽采巷穿層鉆孔掩護(hù)煤巷掘進(jìn)技術(shù)。對(duì)新河煤礦12091下頂抽采巷18個(gè)鉆孔進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果圖2所示。

圖2 抽采鉆孔堵塌孔實(shí)測(cè)

抽采鉆孔成孔后的12～54d內(nèi)，均發(fā)生了堵 塌孔情況，塌孔程度為0.10～1.47m／d，鉆孔的塌堵程度并不與時(shí)間成比例增長(zhǎng)，更大程度上決定于煤層巖層賦存及成孔條件，具體關(guān)系需進(jìn)一步研究。有的鉆孔甚至整個(gè)抽采煤段密封嚴(yán)實(shí) (如3＃、4＃、5＃、8＃、12?？?，堵塞后抽采鉆孔孔口濃度在0.2%～6.7%之間，抽采純量幾近為0，已滿足不了抽采需求。

4.2 修復(fù)效果

通過遠(yuǎn)程操作將瓦斯抽采孔水力作業(yè)機(jī)的連續(xù)油管送至塌堵孔處，用30～40MPa壓力、200L／min射流流量對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行了分段連續(xù)沖洗，單孔出煤量平均為2～5t，保證了鉆孔的暢通。單孔修復(fù)時(shí)間約為4～6h。沖洗完成后，使用臨時(shí)封孔器進(jìn)行抽采，在連續(xù)觀測(cè)的一個(gè)月時(shí)間內(nèi)單孔抽采濃度為42%～87%，單孔抽采純量56～112 m3／d，相當(dāng)于最初聯(lián)抽純量，個(gè)別鉆孔 (如1＃、8＃、9＃、14＃)較以前相比提高了2倍。

5 結(jié)論

(1)抽采鉆孔施工完成后，存在不同程度的塌堵孔，有必要對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行修復(fù)，以延長(zhǎng)抽采鉆孔有效壽命，降低單孔抽采成本，提高抽采效率。

(2)分析了鉆孔失穩(wěn)的影響因素并探其機(jī)理，提出了高壓水射流進(jìn)行抽采鉆孔修復(fù)的技術(shù)思路，配套采用了自主研發(fā)的抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)進(jìn)行抽采鉆孔修復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明是可行的。

(3)由于水會(huì)對(duì)煤層瓦斯解吸起到一定程度的抑制作用，有待于研究空氣或霧化水等為介質(zhì)的抽采鉆孔修復(fù)技術(shù)。

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