超高壓水力割縫精準(zhǔn)控制技術(shù)應(yīng)用及效果分析

陸占金，喬 偉

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

瓦斯治理是我國(guó)煤礦面臨的嚴(yán)峻課題，隨著礦井開(kāi)采逐步向深部延伸，我國(guó)大部分礦井煤層愈發(fā)顯現(xiàn)出“高地應(yīng)力、高瓦斯、低滲透性”的賦存特點(diǎn)，亟需強(qiáng)化抽采措施保障礦井生產(chǎn)安全、順利進(jìn)行[1-3]。

現(xiàn)有的煤層強(qiáng)化抽采措施包括水力沖孔、水力壓裂、深孔預(yù)裂爆破等。水力沖孔鉆孔成型難以保證，不規(guī)則的孔洞易垮落從而影響抽采效果，同時(shí)形成的大面積空間易積聚瓦斯成為采掘施工中的隱患[4-6]；水力壓裂難以有效控制起裂方向從而影響增透效果，同時(shí)水的驅(qū)趕作用易造成局部瓦斯應(yīng)力集中，形成突出隱患；深孔預(yù)裂爆破受制造技術(shù)水平限制無(wú)法防止爆炸材料拒爆，且處理拒爆存在安全隱患，從而限制了該項(xiàng)技術(shù)措施的現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用[7-10]。

近年來(lái)，超高壓水力割縫技術(shù)作為一種煤層卸壓增透的水力化措施被廣泛應(yīng)用于礦井當(dāng)中，利用超高水壓作為動(dòng)力源，對(duì)煤體進(jìn)行切割、沖擊，進(jìn)而形成縫槽，相當(dāng)于在煤體中開(kāi)采“小型保護(hù)層”[11-14]，割縫縫槽的形成致使煤體暴露面積增大，在煤體內(nèi)應(yīng)力得以充分釋放的同時(shí)，煤層透氣性得到顯著提高[15-17]。

現(xiàn)有超高壓水力割縫技術(shù)在實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，針對(duì)不同硬度煤層，由于割縫壓力、噴嘴大小、割縫時(shí)間等參數(shù)的選取不當(dāng)，導(dǎo)致割縫深度淺，卸壓增透效果欠佳，割縫作業(yè)期間鉆孔憋孔等現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，由于割縫縫槽控制不當(dāng)，造成割縫鉆孔之間無(wú)法均勻卸壓[18-20]。鑒于此，研究超高壓精準(zhǔn)割縫控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)整噴嘴直徑大小、割縫壓力、割縫時(shí)間、割縫流程，人為控制縫槽發(fā)展，實(shí)現(xiàn)安全精準(zhǔn)割縫尤為重要。

1 超高壓水力割縫精準(zhǔn)控制技術(shù)原理

相較于水力沖孔及水力壓裂技術(shù)，超高壓水力割縫技術(shù)工作壓力可達(dá)100 MPa，其射流打擊力遠(yuǎn)高于煤體的抗壓強(qiáng)度，這樣能有效解決由于煤體內(nèi)各向硬度不同而造成的縫槽發(fā)育不均勻的問(wèn)題。超高壓精準(zhǔn)割縫控制技術(shù)是在超高水力割縫技術(shù)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)人為手段對(duì)割縫縫槽的寬度、深度及割縫落煤速度等進(jìn)行控制，進(jìn)而控制割縫縫槽的發(fā)展，達(dá)到安全、精準(zhǔn)割縫的目的。在精準(zhǔn)控制割縫縫槽寬度及深度的基礎(chǔ)上，依據(jù)試驗(yàn)考察得出的鉆孔有效抽采半徑，進(jìn)而得出鉆孔布置參數(shù)，達(dá)到鉆孔控制區(qū)域內(nèi)煤體整體均勻卸壓的目的。

穿層、順層鉆孔割縫精準(zhǔn)控制效果如圖1和圖2所示。

圖1 穿層鉆孔超高壓水力割縫精準(zhǔn)控制效果示意圖

圖2 順層鉆孔超高壓水力割縫精準(zhǔn)控制效果示意圖

2 超高壓水力割縫裝備集成

通過(guò)研究窄縫黏性流體流動(dòng)理論，研發(fā)了超高壓旋轉(zhuǎn)水尾，實(shí)現(xiàn)了在100 MPa工作壓力下旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封功能；通過(guò)分析鉆孔排渣原理，確定了合理的螺紋升角及厚度參數(shù)，研發(fā)了水力割縫淺螺旋整體鉆桿，解決了近水平順層長(zhǎng)鉆孔割縫排渣難題；通過(guò)分析鉆孔流場(chǎng)分布規(guī)律，研發(fā)了高低壓轉(zhuǎn)換割縫器，實(shí)現(xiàn)在高、低壓自由切換。根據(jù)工作壓力要求，綜合分析耐壓性及遠(yuǎn)距離割縫作業(yè)沿程阻力損失，研發(fā)了工作壓力可達(dá)150 MPa的超高壓液壓軟管?；诿旱V井下巷道條件的多變性，研發(fā)了高壓遠(yuǎn)程操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在超高壓清水泵位置固定的情況下，1人獨(dú)自操控遠(yuǎn)距離割縫作業(yè)。配以金剛石復(fù)合片鉆頭、超高壓清水泵，集成了工作壓力可達(dá)100 MPa的超高壓水力割縫裝置。ZGF-100(A)型超高壓水力割縫裝置集成圖如圖3所示。

圖3 超高壓水力割縫裝置集成圖

該成套裝置通過(guò)超高壓液壓軟管、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、水力割縫淺螺旋整體鉆桿實(shí)現(xiàn)超高壓水力傳輸，超高壓液壓軟管連接處設(shè)有高強(qiáng)度防脫鏈，可有效防止割縫期間超高壓液壓軟管連接處脫落現(xiàn)象的發(fā)生；軟管之間及軟管與水尾之間設(shè)有高壓防護(hù)套，可有效防護(hù)割縫作業(yè)期間高壓水泄漏，成套裝置安全可靠。防脫鏈及其連接方式如圖4所示，高壓防護(hù)套如圖5所示。

圖4 防脫鏈及其連接方式示意圖

圖5 軟管及水尾護(hù)套

3 精準(zhǔn)割縫控制工藝研究

3.1 割縫縫槽寬度控制

在超高壓水力割縫過(guò)程中，通過(guò)改變噴嘴直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)割縫縫槽寬度的控制。ZGF-100(A)型超高壓水力割縫裝置可選擇的噴嘴直徑有2.0、2.5、3.0 mm 3種型號(hào)。

當(dāng)煤層堅(jiān)固性系數(shù)一定時(shí)，割縫噴嘴直徑越大，割縫后縫槽寬度越大；而當(dāng)噴嘴直徑一定時(shí)，割縫縫槽的寬度與煤層堅(jiān)固性系數(shù)成反比，故而針對(duì)不同堅(jiān)固性系數(shù)煤層，需選擇不同尺寸的噴嘴以達(dá)到控制形成不同縫槽寬度的目的。

當(dāng)煤層堅(jiān)固性系數(shù)小于0.5時(shí)，煤層整體較軟，割縫后煤體變形量大，此時(shí)應(yīng)選擇直徑3.0 mm的噴嘴，割縫后縫槽寬度在8～10 cm，縫槽寬度較大，為煤體變形預(yù)留孔隙。

當(dāng)煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.5～0.8時(shí)，可選擇直徑 2.5 mm 與3.0 mm的噴嘴，割縫后縫槽寬度在 4～8 cm，由于此時(shí)煤層割縫后變形量較小，選用小直徑噴嘴便能達(dá)到預(yù)期割縫縫槽寬度，并且小直徑噴嘴還能提高割縫效率。

當(dāng)煤層堅(jiān)固性系數(shù)大于0.8時(shí)，選擇直徑2.5 mm噴嘴為最優(yōu)，割縫后縫槽寬度在2～5 cm，此時(shí)煤層強(qiáng)度較高，割縫縫槽能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得以保持。

3.2 割縫縫槽深度控制

在超高壓水力割縫過(guò)程中，割縫縫槽深度主要通過(guò)改變割縫壓力、割縫時(shí)間來(lái)控制。精準(zhǔn)控制割縫旨在實(shí)現(xiàn)割縫過(guò)程中的縫隙發(fā)展可控，可根據(jù)不同煤層條件有選擇和有目的地控制縫槽的發(fā)展。

針對(duì)不同堅(jiān)固性系數(shù)煤層，選擇不同的割縫深度，從而達(dá)到最佳的割縫效果。針對(duì)煤層堅(jiān)固性系數(shù)小于0.5的軟煤煤層，控制割縫縫槽深度在2.0～2.5 m，選擇割縫壓力為60～70 MPa，割縫時(shí)間10～12 min；對(duì)于煤層堅(jiān)固性系數(shù)在0.5～0.8的中硬煤層，控制縫槽深度在1.5～2.0 m，選擇割縫壓力為75～90 MPa，割縫時(shí)間8～10 min；而針對(duì)煤層堅(jiān)固性系數(shù)大于0.8的堅(jiān)硬煤層，控制割縫縫槽深度在1.0～1.5 m，選擇割縫壓力為90～100 MPa，割縫時(shí)間10～12 min。

關(guān)于不同煤層割縫深度的選擇，一方面要考慮割縫安全性，預(yù)防由于割縫后煤體內(nèi)孔洞過(guò)大而造成塌孔和噴孔；另一方面要考慮割縫的最大效率，針對(duì)堅(jiān)硬煤層，在割縫10～12 min后繼續(xù)延長(zhǎng)割縫時(shí)間，縫槽發(fā)展將不再明顯。

3.3 割縫落煤速度控制

在超高壓水力割縫過(guò)程中對(duì)落煤速度精準(zhǔn)控制的主要目的有2點(diǎn)：一是防止落煤過(guò)快而造成噴孔卡鉆；二是通過(guò)控制落煤速度來(lái)控制煤體內(nèi)割縫縫槽的發(fā)展速度，防止由于煤體內(nèi)暴露面積增加過(guò)快而引起短時(shí)間內(nèi)瓦斯大量涌出。而對(duì)割縫落煤速度的控制主要是通過(guò)控制割縫調(diào)壓速度及控制鉆桿轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)不同的堅(jiān)固性系數(shù)和瓦斯含量煤層，需選擇不同的割縫調(diào)壓速度和鉆桿轉(zhuǎn)速，確保割縫煤渣緩慢均勻地排出孔口。

對(duì)于煤層堅(jiān)固性系數(shù)小于0.5的軟煤層，由于煤體較軟，出煤量大，故而選擇緩慢調(diào)壓的方式，選擇較快的鉆桿旋轉(zhuǎn)速度，一般為60～80 r/min。在較快轉(zhuǎn)速條件下高壓水射流對(duì)煤體沖擊時(shí)間減少，從而減小單位時(shí)間的出煤量，再結(jié)合利用鉆桿本身的螺紋達(dá)到輔助排渣的目的。

對(duì)于煤層堅(jiān)固性系數(shù)在0.5～0.8的中硬煤層，選擇的調(diào)壓速度較軟煤煤層有所加快，鉆桿轉(zhuǎn)速選擇50～60 r/min。

對(duì)于煤層堅(jiān)固性系數(shù)大于0.8的堅(jiān)硬煤層，選擇快速調(diào)壓的方式，鉆桿轉(zhuǎn)速選擇40～50 r/min。由于堅(jiān)硬煤層其硬度大，出煤量較小，選擇快速的調(diào)壓方式有助于提高割縫效率，而鉆桿旋轉(zhuǎn)速度選擇低轉(zhuǎn)速可一定程度上增加水射流對(duì)煤體的沖擊時(shí)間，進(jìn)而提高落煤速度。

3.4 割縫區(qū)域效果控制

割縫區(qū)域效果控制是指在綜合考慮礦井瓦斯情況、鉆孔預(yù)抽情況后，對(duì)割縫鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得出在經(jīng)濟(jì)投入和割縫效果方面同時(shí)最優(yōu)的割縫鉆孔設(shè)計(jì)方案。在綜合考慮煤層瓦斯含量、壓力、透氣性系數(shù)，以及鉆孔抽采有效半徑等參數(shù)的基礎(chǔ)之上，對(duì)割縫鉆孔深度、割縫間距及鉆孔排間距等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到在減少鉆孔工程量的基礎(chǔ)上，確保割縫鉆孔所在區(qū)域按時(shí)抽采達(dá)標(biāo)的目的。

超高壓水力精準(zhǔn)割縫控制技術(shù)工藝流程如圖6所示。

圖6 精準(zhǔn)割縫控制技術(shù)工藝流程圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

在貴州林華煤礦12瓦斯抽采進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行超高壓水力割縫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的9號(hào)煤層原始瓦斯含量14.5 m3/t，平均煤厚3.3 m，直接頂板為粉砂質(zhì)泥巖，往上為粉砂巖或細(xì)砂巖，直接底板為泥質(zhì)粉砂巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f最大值為1.7。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2組割縫鉆孔(G1組、G2組)，2組對(duì)比鉆孔(D1組、D2組)，對(duì)比鉆孔不進(jìn)行水力割縫，每組布置8個(gè)底板穿層鉆孔(1#～8#)，底板穿層鉆孔施工圖如圖7所示。

圖7 底板穿層鉆孔施工圖

4.1 精準(zhǔn)控制割縫工藝參數(shù)及流程的確定

由于9號(hào)煤層堅(jiān)固性系數(shù)達(dá)到1.7，煤層硬度較大，為了達(dá)到最佳割縫效果，需確定合理割縫參數(shù)，控制割縫縫槽寬度、深度及落煤速度。

在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)之上，為了保證射流打擊力最佳，試驗(yàn)采用直徑為2.5 mm的噴嘴，確定割縫壓力為100 MPa；為了延長(zhǎng)射流作用于煤體的時(shí)間，確定100 MPa壓力條件下割縫時(shí)間為12 min，確定割縫轉(zhuǎn)速為40 r/min；為了保證鉆孔割縫后卸壓增透效果，盡可能增加割縫刀數(shù)，確定割縫間距為1 m。

由于煤層硬度較大，且為底板穿層鉆孔割縫作業(yè)，采用快速調(diào)壓的方式，即泵壓為0 MPa時(shí)，對(duì)割縫鉆孔進(jìn)行沖孔直至孔口返水正常；將泵壓緩慢、勻速增大至40 MPa，開(kāi)啟鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，對(duì)煤層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，切割時(shí)間為2 min；將泵壓繼續(xù)緩慢增大至60 MPa，對(duì)煤體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，切割時(shí)間 2 min；將泵壓繼續(xù)緩慢增至80 MPa，鉆桿原地旋轉(zhuǎn)對(duì)煤體進(jìn)行切割，切割時(shí)間2 min；繼續(xù)將泵壓緩慢增大至 100 MPa，鉆桿原地旋轉(zhuǎn)對(duì)煤體進(jìn)行切割，切割時(shí)間為 12 min。

4.2 割縫出煤量

試驗(yàn)過(guò)程中，鉆孔割縫刀數(shù)為3～8，單孔割縫出煤量為0.56～1.84 t，平均每刀割縫出煤量為0.19 t。用單刀出煤量反算等效割縫半徑，割縫后排出煤屑量計(jì)算公式如下：

M=πr2hKγ

(1)

式中：M為割縫后排出煤屑量，t；r為割縫后縫隙的等效半徑，m；h為割縫后縫隙的寬度，考慮到縫槽為外寬內(nèi)窄不規(guī)則槽形，割縫后縫隙的平均寬度取2～5 cm；K為煤量損失不均衡系數(shù)，K=0.80～0.95，此處取0.90；γ為煤的密度，取1.46 t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個(gè)圓柱體，根據(jù)式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=0.19 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑r=0.92～1.51 m。

割縫作業(yè)過(guò)程中排渣通暢，未出現(xiàn)由于人為操作不當(dāng)導(dǎo)致的憋孔、堵孔等異?，F(xiàn)象。

4.3 抽采數(shù)據(jù)對(duì)比

割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比如圖8所示。

圖8 割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比曲線(xiàn)

由圖8可知，割縫鉆孔抽采瓦斯純量最大值為 0.084 m3/min，最小值為0.060 m3/min，平均值為0.072 m3/min；對(duì)比鉆孔抽采瓦斯純量最大值為0.047 m3/min，最小值為0.023 m3/min，平均值為0.035 m3/min。采用超高壓水力割縫后，割縫鉆孔平均抽采瓦斯純量較對(duì)比鉆孔增大約2倍。

4.4 抽采有效半徑對(duì)比分析

分別測(cè)定割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔控制區(qū)域煤層抽采30 d后的殘存瓦斯含量，抽采30 d時(shí)，割縫鉆孔抽采半徑為1.20 m，對(duì)比鉆孔抽采半徑為0.54 m，割縫后鉆孔抽采半徑增大1倍左右。

5 結(jié)論

1)研究了超高壓精準(zhǔn)割縫控制技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整割縫參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)割縫縫槽深度、寬度、落煤速度及割縫區(qū)域的精準(zhǔn)控制，達(dá)到鉆孔控制區(qū)域內(nèi)煤體整體均勻卸壓的目的。

2) 研發(fā)集成了工作壓力100 MPa的超高壓水力割縫裝置，其具備鉆進(jìn)切割一體化功能，超高壓水力傳輸系統(tǒng)承壓可達(dá)100 MPa以上，且設(shè)有多重二級(jí)防護(hù)設(shè)施，有效保障了超高壓水力傳輸系統(tǒng)的安全性。

3)超高壓水力割縫精準(zhǔn)控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，采用超高壓精準(zhǔn)割縫控制技術(shù)，根據(jù)割縫出煤量反算割縫縫槽等效半徑約為0.92～1.51 m，鉆孔平均抽采瓦斯純量增大約2倍，鉆孔抽采半徑增大 1倍左右，割縫作業(yè)過(guò)程中未發(fā)生堵孔、憋孔等異?，F(xiàn)象。