新型高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)在石門揭煤防突中的應(yīng)用

杜志強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

謝一礦望峰崗井是目前全國唯一的深井開采試驗礦井，也是淮南礦區(qū)受瓦斯威脅比較嚴(yán)重的雙突礦井。主采B11b煤層實測瓦斯含量最高達(dá)21.71 m3/t，井下實測最大瓦斯壓力6.4 MPa，井下石門和巷道揭煤時間長，煤與瓦斯突出風(fēng)險大，且隨著開采深度增加，煤層瓦斯預(yù)抽的工程量、困難度和成本增加迅速，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)效益。

煤層中發(fā)生煤與瓦斯突出的動力是煤層和圍巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能。只要能釋放足夠的煤與瓦斯突出的能量，就能達(dá)到預(yù)防瓦斯突出的目的。在擴(kuò)孔段形成洞穴，改變煤體應(yīng)力場和裂隙結(jié)構(gòu)，提高局部煤層滲透率和瓦斯解吸及運(yùn)移速度，釋放煤層內(nèi)積聚的地層和瓦斯壓力，達(dá)到消除突出危險的目的。機(jī)械擴(kuò)孔受限于鉆頭刀翼機(jī)械強(qiáng)度，難以完成大直徑的擴(kuò)孔施工。高壓水射流擴(kuò)孔依靠高壓水流的沖擊能力完成對煤層的切割，因此受機(jī)械強(qiáng)度限制較小，可以完成大直徑的煤層擴(kuò)孔施工，提高消突效果。

根據(jù)對射流理論的研究分析，在常規(guī)高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭基礎(chǔ)上，改進(jìn)和研制出新型高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭。并在該礦的地面鉆孔石門揭煤消突施工中進(jìn)行了運(yùn)用。驗證和優(yōu)化了鉆頭相關(guān)參數(shù)，實際使用效果表明新型高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭可大幅提高煤層段的擴(kuò)孔效果和瓦斯抽放效果，消突效果明顯，縮短了揭煤工期、解決常規(guī)井下鉆孔可能誘發(fā)的“孔突”等難題，對礦井的安全、高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 高壓水射流擴(kuò)孔及參數(shù)分析

1.1 高壓水射流擴(kuò)孔原理

高壓水射流具有極高的剛性，在與靶物相碰時，會產(chǎn)生極高的沖擊動壓和渦流。該沖擊動壓反映為射流的切割能力，即壓強(qiáng)P。在射流的切割能力大于靶物的抗壓強(qiáng)度后，即可對靶物進(jìn)行有效的切割和破壞。

淹沒射流自噴嘴噴出后剖面結(jié)構(gòu)分為起始段和主體段，如圖1。由于噴嘴結(jié)構(gòu)、鉆孔孔徑等因素影響，在煤層擴(kuò)孔中，主要由主體段內(nèi)射流對煤層進(jìn)行實際切割破壞。

圖1 淹沒射流結(jié)構(gòu)剖面圖

設(shè)出口噴嘴圓斷面上速度分布均勻，均為v0，形成的射流呈錐體狀向周圍擴(kuò)散。射流核心區(qū)為噴嘴附近速度保持v0的區(qū)域，對于常規(guī)高壓水射流核心區(qū)域一般不超過相當(dāng)于13倍噴嘴直徑的長度；主體段內(nèi)軸心速度vm與噴嘴處速度v0存在以下關(guān)系式：

軸心速度沿射程的變化規(guī)律可根據(jù)射流動力特征，即各斷面動量守恒的原理導(dǎo)出：

(1)

經(jīng)推導(dǎo)，可得：

(2)

根據(jù)，射流切割能力計算公式：

(3)

根據(jù)上述公式可得：

(4)

式中：a——紊流系數(shù)，圓形噴嘴一般取值0.067；

d——噴嘴距靶物距離，m；

r0——噴嘴半徑，m；

P——流體產(chǎn)生的壓強(qiáng)，MPa；

ρ——流體密度，kg/m3；

Q0——射流出口斷面上的體積流量，m3/s；

v0——射流初速，m/s；

vm——射流流速，m/s；

u——邊界層中任意斷面上任意一點的流速，m/s；

v排——泥漿泵排量，m3/s；

n——噴嘴數(shù)量，個。

1.2 影響因素分析

根據(jù)式(4)可知，射流的切割能力與射流泵排量v排呈正相關(guān)關(guān)系，與噴嘴半徑r0和噴嘴距靶物距離d呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在射流初速度一定(以200 m/s為例計算)的情況下，射流切割能力隨噴射距離增加呈下降趨勢，如圖2所示。

圖2 v0=200 m/s時切割能力與噴嘴半徑關(guān)系曲線圖

在供液設(shè)備排量一定(以14 L/s為例計算)的情況下，不同規(guī)格的噴嘴射流切割能力與噴射距離亦呈現(xiàn)出下降趨勢。如圖3所示。

圖3 排量v排=14 L/s時切割能力與噴射距離關(guān)系曲線圖

2 高壓水射流鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

常規(guī)高壓水射流鉆頭結(jié)構(gòu)較為簡單，鉆頭本體長度0.4 m，最大直徑?127 mm，可裝配3個噴嘴，見圖4。

新型水射流鉆頭最大外徑為?142 mm(外殼體部分)，鉆頭總長度1.5 m，外殼體部分長度0.8 m，可轉(zhuǎn)動部分(射流段)長度0.7 m，可配備4個噴嘴。兩鉆頭噴嘴可通用，常用噴嘴直徑2 mm、4 mm、6 mm和8 mm。新型高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭如圖5所示。新型高壓水射流鉆頭在無泥漿泵驅(qū)動、自然狀態(tài)下呈直線狀態(tài)，見圖5(a)，在泥漿泵驅(qū)動下完成鉆頭射流段的抬起，見圖5(b)。該鉆頭由普通鉆桿連接，下放到預(yù)定位置后，開啟泥漿泵，鉆頭外殼體內(nèi)部的活塞連桿機(jī)構(gòu)在高壓水進(jìn)入外殼體內(nèi)部時，推動活塞移動，帶動連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動鉆頭射流段繞著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使射流段抬起一定的角度。鉆頭射流段抬起后噴嘴近似與孔壁垂直，高壓水通過管體上流進(jìn)入到噴嘴部分，通過噴嘴對煤層進(jìn)行噴射切割。鉆頭不具備自旋轉(zhuǎn)功能，需由外接設(shè)備帶動旋轉(zhuǎn)。

圖4 常規(guī)高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭

圖5 新型高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭

3 實際應(yīng)用

3.1 工程背景

隨著謝一礦煤炭開采逐步向深部延伸，煤與瓦斯突出對該礦巷道掘進(jìn)造成嚴(yán)重的安全威脅。礦井主采B11 煤層，該煤層為構(gòu)造軟煤，煤層厚度6.0 m左右，為強(qiáng)突出煤層，瓦斯預(yù)測壓力 6.5 MPa，瓦斯含量 13 m3/t。工程通過地面鉆孔對預(yù)定消突區(qū)域煤層進(jìn)行高壓水射流切割擴(kuò)孔，降低區(qū)域煤與瓦斯應(yīng)力，降低石門揭煤時的安全風(fēng)險，消除煤與瓦斯突出威脅。共施工地面消突鉆孔3個，其中定向孔2個，分別為TM01及TM02，水平對接孔1個。井位部署及井眼軌跡如圖6所示。

定向孔采用三開井身結(jié)構(gòu)，一開孔徑311.1 mm，二開孔徑215.9 mm，三開孔徑152.4 mm。一開、二開井段分別下入?244.5 mm、?177.8 mm石油套管并固井，三開段(煤層段)為裸眼段。

圖6 井位部署及井眼軌跡圖

擴(kuò)孔施工中，首先使用常規(guī)機(jī)械擴(kuò)孔，擴(kuò)孔刀翼直徑1.5 m；隨后依次使用常規(guī)和新型高壓水射流擴(kuò)孔設(shè)備對煤層進(jìn)行再次擴(kuò)孔。施工過程中通過沉淀池對上返煤屑進(jìn)行收集和計量，以此分析擴(kuò)孔施工效果。

3.2 施工設(shè)備

高壓水射流擴(kuò)孔設(shè)備包括 T200XD多功能全液壓車載鉆機(jī)及其配套設(shè)備；?73 mm鉆桿若干；TBW850/50型泥漿泵1臺，排量區(qū)間12～35.6 L/s；常規(guī)高壓水射流鉆頭及新型高壓水射流鉆頭；噴嘴16個，規(guī)格分別為?2 mm、?6 mm及?8 mm。

3.3 地面測試

根據(jù)現(xiàn)有研究，謝一礦煤體結(jié)構(gòu)以粉末狀及碎塊狀為主，煤塊的單軸抗壓強(qiáng)度在1.5～10.3 MPa之間，隨著瓦斯含量的升高，煤層抗壓強(qiáng)度降低幅度較大。

施工前，測試擴(kuò)孔鉆頭安裝不同組合噴嘴的情況下泥漿泵工作情況，根據(jù)式(4)分析不同噴嘴組合的射流切割能力。測試噴嘴組合有：組合① 3個?2 mm噴嘴；組合② 3個?4 mm噴嘴；組合③ 3個?6 mm噴嘴；組合④3個?8 mm噴嘴；組合⑤2個?6 mm、1個?8 mm噴嘴。測試及計算結(jié)果見表1。

測試結(jié)果表明：在使用噴嘴組合①、組合②時泥漿泵(排量16 L/s)無法正常運(yùn)行；為提高射流切割能力，選擇噴嘴組合⑤。

最終射流擴(kuò)孔鉆頭選定噴嘴組合⑤，泥漿泵排量24 L/s。

表1 測試數(shù)據(jù)表

3.4 擴(kuò)孔施工

工程采用逐級擴(kuò)孔方式施工：首先采用機(jī)械擴(kuò)孔工具對煤層段進(jìn)行初始擴(kuò)孔；后采用常規(guī)水力擴(kuò)孔鉆頭對煤層段進(jìn)行高壓水射流擴(kuò)孔；之后采用新型高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭繼續(xù)對煤層進(jìn)行擴(kuò)孔施工。

將高壓水射流擴(kuò)孔鉆頭連接在鉆桿底部，下至煤層位置后，開啟泥漿泵開始切割煤層。施工參數(shù)為：泵壓10～12 MPa，泥漿泵排量保持在24 L/s左右，鉆頭轉(zhuǎn)速2～4 r/min，軸向擴(kuò)孔速度0.2 m/h。

3.5 結(jié)果分析

施工后，分別對TM01及TM02井常規(guī)高壓水射流擴(kuò)孔和新型高壓水射流擴(kuò)孔出煤量進(jìn)行了計量和分析，見表2。

表2 常規(guī)高壓水射流擴(kuò)孔效果對比

根據(jù)出煤量及煤厚數(shù)據(jù)分析，新型高壓水射流鉆頭在常規(guī)高壓水射流鉆頭對煤層進(jìn)行擴(kuò)孔施工后仍然可以對煤層進(jìn)行有效切割，且出煤量及擴(kuò)孔效果遠(yuǎn)大于常規(guī)高壓水射流擴(kuò)孔。

根據(jù)煤屑體積及煤層厚度計算，高壓水射流擴(kuò)孔施工在石門揭煤區(qū)域形成的洞穴平均直徑超過1.8 m。

4 防突效果及結(jié)論

在距離煤層法距10 m處掘進(jìn)頭施工6個前探孔實測待揭煤處殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量，測量結(jié)果表明，平均瓦斯含量降低58.0%，平均瓦斯壓力下降60.8%。在施工過程中沒有出現(xiàn)噴孔、頂鉆等瓦斯動力現(xiàn)象。因此：

(1)新型高壓水射流擴(kuò)孔設(shè)備首次在謝一礦望峰崗井石門揭煤輔助消突鉆孔中的成功應(yīng)用，降低了揭煤的安全風(fēng)險，縮短了揭煤工期，為同類工程的地面大直徑鉆孔擴(kuò)孔施工提供了重要借鑒。

(2)工程實踐表明，新型高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)適用于松軟煤層的瓦斯防突治理。

(3)進(jìn)行地面高壓水?dāng)U孔切割消突工程后，消突區(qū)域井下鉆孔過程中噴孔次數(shù)及強(qiáng)度、瓦斯壓力及含量明顯下降，對石門揭煤區(qū)域的卸壓效果遠(yuǎn)大于常規(guī)井下鉆孔抽排方式。

(4)施工中，采用的高壓水射流切割擴(kuò)孔參數(shù)計算方法科學(xué)合理，計算結(jié)果可靠，對高壓水射流切割擴(kuò)孔技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有指導(dǎo)和借鑒意義。