穿層鉆孔水力沖孔消突技術(shù)的應(yīng)用研究

陳 珂 程 磊

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；2.河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦)

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穿層鉆孔水力沖孔消突技術(shù)的應(yīng)用研究

陳 珂1,2程 磊1

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；2.河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦)

由于薛湖煤礦煤層透氣性較低，且原始煤層瓦斯預(yù)抽效果較差，抽放達(dá)標(biāo)周期長(zhǎng),為提高突出煤層的透氣性，該礦在2306機(jī)巷實(shí)施了煤層底板穿層鉆孔水力沖孔強(qiáng)化瓦斯抽采消突技術(shù)，介紹了該項(xiàng)技術(shù)的施工工藝、沖孔工藝及沖孔增透瓦斯抽采消突成果。結(jié)果表明，該技術(shù)有效的增加了煤體的孔隙率，提高了煤體的濕潤(rùn)度、透水性和可塑性，改變了煤體的物理力學(xué)特性，瓦斯抽放率得到了較大提高，有效地解決了措施施工和掘進(jìn)相對(duì)集中的問(wèn)題，為突出礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

底板抽放巷 穿層鉆孔抽放 消突 水力沖孔 透氣性

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的增大，煤與瓦斯突出成為礦井生產(chǎn)過(guò)程中的主要災(zāi)害之一，并伴隨有防治困難、災(zāi)害損失嚴(yán)重和災(zāi)害強(qiáng)度大的特點(diǎn)，導(dǎo)致原有的卸壓鉆孔、釋放鉆孔等已不能有效的解決措施施工和掘進(jìn)相對(duì)集中的問(wèn)題，使得采掘相對(duì)失調(diào)[1]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和實(shí)踐，區(qū)域瓦斯治理技術(shù)能更好的達(dá)到消突和防突效果，薛湖煤礦在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)施工底抽巷，并利用穿層鉆孔進(jìn)行水力沖孔，使得煤層的瓦斯壓力和地應(yīng)力得到了有效的釋放，對(duì)煤層進(jìn)行了有效的區(qū)域消突，最終將突出煤層轉(zhuǎn)化為非突煤層，提高了巷道的掘進(jìn)率。

1 水力沖孔的工作原理

水力沖孔是利用高壓水射流沖刷鉆孔周邊的煤體，并將破碎的煤體排出，使得煤體內(nèi)部不穩(wěn)定的地應(yīng)力和瓦斯壓力被打破，激發(fā)其釋放潛能并造成噴孔，使得瓦斯大量涌出，導(dǎo)致鉆孔周邊煤體向沖孔形成的空洞自然位移，有效應(yīng)力得到了降低，進(jìn)一步釋放大量的瓦斯，最終增加了煤體的孔隙率，降低了煤體的容重，增大了煤層透氣性，有效地提高了煤體瓦斯抽放量和礦井瓦斯抽放率，最終達(dá)到消突和防突的作用[2]。

假設(shè)煤體是線(xiàn)彈性、各向同性和均勻的，且作用于煤體的主應(yīng)力與鉆孔中心線(xiàn)平行，即可將水力沖孔模型簡(jiǎn)化為平面圓孔問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 煤體水力沖孔力學(xué)模型

根據(jù)水力壓裂的張性破裂原理，當(dāng)φ=90°時(shí)，σφ有最小值。σφ為鉆孔煤壁所受的切向應(yīng)力

(1)

式中,Pb為水壓強(qiáng)度。

當(dāng)孔壁發(fā)生破裂時(shí)，則σφ=Ts，Ts為煤體的抗拉強(qiáng)度。

可見(jiàn)，當(dāng)對(duì)穿層鉆孔實(shí)施水力沖孔消突時(shí)，因受封孔段長(zhǎng)度的約束，不論垂直應(yīng)力的大小如何，初始破裂應(yīng)力總是鉛直的，且垂直于最小水平主應(yīng)力方向。當(dāng)鉛直裂縫逐漸形成后，因受煤體空間應(yīng)力場(chǎng)的存在,使得此時(shí)的垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚≈鲬?yīng)力，導(dǎo)致裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，逐漸衍生成水平裂縫[3]。

2 穿層鉆孔水力沖孔增透強(qiáng)化抽采瓦斯試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2306機(jī)巷南鄰2306底抽巷，北鄰2308工作面，西鄰F115斷層保護(hù)煤柱。該區(qū)總體上煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以貧煤為主，全區(qū)可采。煤層總體上呈一走向近東西、傾向北的單斜構(gòu)造。煤層傾角普遍為-5°～3°，為近水平煤層，平均煤層厚度 2.3 m。根據(jù)《河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦建井地質(zhì)報(bào)告》和《薛湖煤礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》測(cè)定數(shù)據(jù)，薛湖礦主采二2煤層現(xiàn)開(kāi)采區(qū)域?qū)崪y(cè)瓦斯壓力0.69～1.35 MPa,巷道標(biāo)高831 m，煤層抽放影響半徑5 m，煤層硬度較大，堅(jiān)固性系數(shù)為0.22～0.405 9，頂?shù)装宸€(wěn)定，煤層透氣性系數(shù)為0.086 1 m3/(MPa2·d)，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.38 d-1。為強(qiáng)化預(yù)抽瓦斯消突效果，煤巷掘進(jìn)前設(shè)計(jì)采取2306底抽巷穿層鉆孔水力沖孔預(yù)抽瓦斯消突技術(shù)。

由穿層鉆孔水力沖孔機(jī)理可得知，初始水壓強(qiáng)度Pb應(yīng)大于煤體所承受的垂直應(yīng)力

(2)

式中，γ為上覆巖層容重，N/m3；H為埋藏深度，m；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為試驗(yàn)地點(diǎn)距煤層垂距，m。

預(yù)計(jì)初始水壓強(qiáng)度計(jì)算Pb=13.394 MPa，因此，可將水力沖孔初始?jí)毫υO(shè)置為13 MPa。

2.2 沖孔工序

2.2.1 準(zhǔn)備工作

每排按照設(shè)計(jì)參數(shù)先施工2#孔、4#孔和6#孔，鉆孔見(jiàn)煤后穿過(guò)煤層，進(jìn)入煤層頂板0.5 m停鉆，并準(zhǔn)確記錄鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)和止煤點(diǎn)長(zhǎng)度，待2#孔、4#孔和6#孔沖孔完成后再施工其他鉆孔，其他鉆孔不再?zèng)_孔。

檢查乳化液泵的完好情況、管路系統(tǒng)的閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)、U型卡安裝及關(guān)鍵連接部位二次連接情況，并派專(zhuān)人操作乳化液泵。若乳化液泵與沖孔地點(diǎn)距離超過(guò)20 m，則必須在乳化液泵和沖孔地點(diǎn)安裝點(diǎn)鈴和電話(huà)，沖孔時(shí)以點(diǎn)鈴配合電話(huà)聯(lián)系。并在鉆孔回風(fēng)側(cè)0.5～2 m懸掛便攜式甲烷檢測(cè)儀，必須按要求安裝孔口防噴裝置和鉆尾抽裝置，并確保聯(lián)抽可靠。

2.2.2 沖孔作業(yè)流程

通知乳化液泵司機(jī)開(kāi)啟乳化液泵，待孔口返水后操作鉆機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，根據(jù)孔口沖出煤量調(diào)整泵壓，但應(yīng)控制鉆桿入口處壓力不超過(guò)15 MPa。泵壓調(diào)試完成后，操作鉆機(jī)，使其在一個(gè)行程內(nèi)保持勻速旋轉(zhuǎn)、進(jìn)退。每米出煤量達(dá)到0.3 m3時(shí)可緩慢鉆進(jìn)直至孔底，即可更換沖孔孔位或拔鉆，但應(yīng)在鉆孔通順、泄壓后不憋水的情況下進(jìn)行。

加接、拆卸或其他原因停止沖孔時(shí)，必須先停泵，待高壓系統(tǒng)壓力完全泄除后方可進(jìn)行后續(xù)工作。沖孔后要立即下管封孔聯(lián)抽，清理沖出的煤，做好各項(xiàng)原始記錄，并定期觀測(cè)鉆孔瓦斯參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備與工藝

2.3.1 設(shè)備選型

鉆孔采用ZYW-4000鉆機(jī)，動(dòng)力源為乳化液泵和乳化液箱，鉆具為高壓密封鉆桿、沖孔鉆頭、耐高壓水辮，4-φ32×10M-35或4-φ32×5M-35型高壓膠管，沖孔時(shí)選用清水。

2.3.2 施工工藝

穿層鉆孔施工完成→連接乳化液泵→對(duì)見(jiàn)煤段沖孔(沖孔壓力不應(yīng)大于15 MPa)→每米見(jiàn)煤段沖出煤量約0.3 m3或鉆孔返清水，即可緩慢鉆進(jìn)直至孔底。水力沖孔裝置示意圖(圖2)。

圖2 水力沖孔裝置示意

鉆孔封孔結(jié)束后，在ZYW-4000鉆機(jī)傳動(dòng)下沖孔鉆頭在鉆孔內(nèi)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，高壓水射流對(duì)煤體進(jìn)行反復(fù)沖刷，使得破碎的水煤被陸續(xù)排出。

3 沖孔施工及施工效果

在2306底抽巷內(nèi)選擇瓦斯殘存含量相對(duì)高的區(qū)域進(jìn)行水力沖孔試驗(yàn)，沖孔鉆孔深度為30～55 m，其中巖孔段25～45 m，煤孔段5～10 m，沖孔水壓強(qiáng)度由低到高保持在15 MPa左右，單孔沖孔時(shí)間在0.5 h左右。

沖孔過(guò)程中通常會(huì)出現(xiàn)劇烈的噴孔現(xiàn)象，一般瓦斯涌出量在5.2 m3/min左右，單孔沖出煤量在 2 t 左右。經(jīng)測(cè)量，該鉆孔前后20 m范圍內(nèi)瓦斯抽放濃度由10%提高至41.5%，提高4倍以上。煤層容重按照1.44 t/m3計(jì)算，沖孔后鉆孔孔徑擴(kuò)展至0.18 m，即經(jīng)過(guò)水力沖孔后措施孔徑提高了近2倍，抽放半徑也由原來(lái)的5 m提高至9 m，水力沖孔后，鉆孔孔徑增大有效充分卸壓，瓦斯得到較好的釋放，達(dá)到了增透提高瓦斯抽放的目的[4]。

4 水力沖孔抽采瓦斯消突效果

4.1 瓦斯抽采情況

圖3為2306底抽巷瓦斯抽采純量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)圖。試驗(yàn)表明，經(jīng)水力沖孔后的鉆孔，單孔瓦斯抽采純流量可提高2～3倍，鉆孔沖孔增透半徑也將增加4 m左右。

4.2 消突效果驗(yàn)證

圖4為2306機(jī)巷掘進(jìn)期間鉆屑量Smax與瓦斯涌出初速度qmax的變化曲線(xiàn)。從圖4看出，2306機(jī)巷掘進(jìn)期間，鉆屑量Smax<2.5 kg/m，瓦斯涌出初速度qmax<1.5 L/min，均小于防突規(guī)定中的臨界值?？梢?jiàn)高瓦斯突出低透氣性煤層通過(guò)水力沖孔強(qiáng)化抽采后，能有效消除煤與瓦斯突出威脅。

圖3 2306底抽巷瓦斯抽采純量

圖4 2306機(jī)巷掘進(jìn)期間的鉆屑量和瓦斯涌出初速度

圖5為2306機(jī)巷掘進(jìn)期間風(fēng)量與回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)。可見(jiàn)2306機(jī)巷利用底板穿層鉆孔水力沖孔強(qiáng)化抽采消突技術(shù)，有效降低了煤體瓦斯，使得各項(xiàng)指標(biāo)均小于防突規(guī)定中的臨界值，有效解決了高瓦斯低透氣性煤層的安全高效掘進(jìn)問(wèn)題。

圖5 2306機(jī)巷掘進(jìn)期間風(fēng)量與回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/p>

5 結(jié) 論

底抽巷水力沖孔消突技術(shù)改變了煤體的物理力學(xué)特性，促使工作面區(qū)域內(nèi)煤體的應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生了變化，瓦斯抽放率得到了大幅度提高，有效的降低了煤體瓦斯含量，減小了瓦斯賦存壓力，消除了發(fā)生突出的原動(dòng)力。

(1)水力沖孔的初始設(shè)置水壓應(yīng)超過(guò)煤體所能承受的垂直應(yīng)力，水壓應(yīng)緩慢升高，水壓大小應(yīng)根據(jù)巷道圍巖情況和煤體強(qiáng)度適當(dāng)控制。水力沖孔會(huì)在煤層中產(chǎn)生大量的次生裂縫，大大提高了煤的透氣性；同時(shí)裂縫會(huì)很好的連通相鄰鉆孔，化單一鉆孔抽采為區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化抽采，大大提高了礦井的瓦斯抽采率。

(2)水力沖孔鉆孔封孔深度不得小于10 m，2306底抽巷沖孔后，實(shí)測(cè)瓦斯抽采純量提高了2～3倍，鉆孔抽放半徑增加了4 m左右。

(3)從2306機(jī)巷煤巷掘進(jìn)期間各項(xiàng)指標(biāo)的效果檢驗(yàn)來(lái)看，鉆屑量Smax<2.5 kg/m，瓦斯涌出初速度qmax<1.5 L/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)0.30%，均小于相應(yīng)臨界值。

[1] 李學(xué)來(lái)，劉見(jiàn)中.瓦斯災(zāi)害治理新技術(shù)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004(7)：101-104.

[2] 姚尚文.高瓦斯低透氣性煤層強(qiáng)化增透抽放瓦斯技術(shù)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2005.

[3] 劉明舉，孔留安，郝富昌，等.水力沖孔技術(shù)在嚴(yán)重突出煤層中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(4)：451-454.

[4] 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1997.

Study and Application on the Gas Outburst Hazard Elimination by Hydraulic Punching in Crossing Holes

Chen Ke1,2Cheng Lei1

(1.Institute of safety science and engineering, Henan University of Technology; 2.Xuehu Coal Mine, Henan Shenhuo Group Corporation Ltd.)

Due to the low permeability,long time operation and poor effect of gas drainage for coalbeds in Xuehu coalmine,the hydraulic punching in crossing holes of floor roadway in the 2306 pannel in Xuehu coal mine is applied to improve the effect of gas drainage.The wear layer drilling holes arrangement design of hydraulic fracturing extraction is analyzed in detail from the aspects of drilling,fracturing process and fracturing anti-reflection extraction gas outburst elimination effect.The results show that the coal porosity,plasticity,moisture and water permeability are improved by the application of the hydraulic punching technique in cross-measure boreholes,besides that,the physical and mechanical properties of coal are also changed,the gas drainage rate is improved obviously.Therefore,the problems of the concentration of construction and excavation,the study results of the paper can provide the practical experience and theoretical basis for the ensuring the high yield and efficiency of coal mine.

Drainage lane of floor,Drainage of crossing hole,Outburst hazard elimination,Hydraulic punching,Permeability

2016-06-23)

陳 珂(1976—)，男，礦長(zhǎng)，476600 河南省永城市薛湖鎮(zhèn)。