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(shù)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(fā)展，在我國多個礦區(qū)進行的現(xiàn)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］?；诖?，在高河礦進行超高壓水力擴孔技術現(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(shù)

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(fā)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(huán)境：環(huán)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(xù)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(xiàn)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(shù)必須大于32MPa，膠管的耐壓系數(shù)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(jù)實驗，這種直徑能滿足水壓壓力需求，而且噴射過程相對穩(wěn)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(huán)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(jīng)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?jié)舛茸兓c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(chuàng)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?？p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(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)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(tài)，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(shù)增大，游離瓦斯?jié)舛壬撸@孔瓦斯抽采量提高。

3 水力擴孔效果考察

現(xiàn)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(shù)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(guī)律，可得高壓水力擴孔有效影響半徑為6m左右，可節(jié)約近50%的工作量。

表1 水力擴孔鉆孔參數(shù)

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(jīng)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(shù)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(shù)對比

統(tǒng)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?？梢?，高壓水力擴孔確實使得煤體透氣性系數(shù)增大，游離瓦斯?jié)舛壬撸@孔瓦斯抽采量提高。統(tǒng)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(shù)，普通鉆孔平均衰減系數(shù)為0.023 5d－1，擴孔前的平均衰減系數(shù)為0.011d－1，擴孔后平均瓦斯流量衰減系數(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)，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。