高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術(shù)優(yōu)化

符 輝，寇建新，秦 佩

（1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山467000；2.平煤股份煤炭開(kāi)采利用研究院，河南 平頂山467000）

煤炭做為中國(guó)的主要能源，大部分來(lái)自地下井工開(kāi)采[1]。隨著礦井開(kāi)采向深部不斷延伸，煤層低透氣性特征日益明顯。平煤礦區(qū)多個(gè)礦井采深近800 m，已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采階段，開(kāi)采難度和成本隨之增加。為了快速消除瓦斯產(chǎn)生的安全生產(chǎn)影響，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了開(kāi)采保護(hù)層、高壓水射流割縫、穿層鉆孔、深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂等增透技術(shù)[2-3]。這些技術(shù)也存在著一些問(wèn)題，比如工程量大、瓦斯抽放布孔密度大、單孔抽放影響范圍小、抽放量少、存在空白帶、鉆機(jī)搬運(yùn)頻繁和工作效率低下等。針對(duì)以上問(wèn)題，以高壓組合水射流技術(shù)為依托，優(yōu)化設(shè)計(jì)徑向多分支鉆孔技術(shù)。實(shí)現(xiàn)低透氣性煤層增透，減提高穿層鉆孔單孔抽采范圍及效率。

1 研究區(qū)概況

河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦，主采己組煤層，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在己15－17－12110 機(jī)巷抽放巷。己15－17 煤層結(jié)構(gòu)單一，煤層厚度4.0～4.7 m，平均4.5 m，己15 和己16－17 煤層均為突出煤層，實(shí)測(cè)己15－17 煤層原始最大瓦斯壓力為1.38 MPa，實(shí)測(cè)煤層最大原始瓦斯含量為10.46 m3/t。煤體一般由III、IV 類煤構(gòu)成，煤層透氣性為0.009～0.871 m2/（MPa2·d），煤體堅(jiān)固性系數(shù)f 為0.11～0.50[4]。

己15-17-12110 機(jī)巷抽放巷常規(guī)鉆孔瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)周期較長(zhǎng)，易出現(xiàn)空白帶，整體效果不佳。不能滿足安全生產(chǎn)的要求。針對(duì)該問(wèn)題，在己15-17-12110 機(jī)巷抽放巷，采取穿層徑向鉆孔，對(duì)煤層進(jìn)行卸壓增透，提高單孔抽放影響范圍和煤層瓦斯抽采率。

2 組合水射流徑向多分支鉆孔工藝及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 增透原理

將高壓水以高彈性外部能量通過(guò)組合射流噴嘴，在軸向方向?qū)崿F(xiàn)多股高壓水流重疊沖擊進(jìn)入煤巖體，在沖擊載荷不斷作用下實(shí)現(xiàn)煤巖體破碎反向排出，形成軸向母孔。其中鉆頭由前組合噴嘴和后反推力噴嘴組成。為了實(shí)現(xiàn)最佳破煤巖效果，前噴嘴設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軸向不同傾角的多股水射流體，當(dāng)軸向母孔完成后，組合水射流鉆頭和后接軟管，通過(guò)轉(zhuǎn)向裝置完成設(shè)計(jì)角度的多個(gè)分支的徑向分支子孔；均勻提高煤體裂隙損傷，擴(kuò)大鉆孔內(nèi)部煤體暴露空間，消除瓦斯空白區(qū)域，增大煤體透氣性。工藝原理如圖1。

圖1 工藝原理圖Fig.1 Schematic of process principle

為達(dá)到最佳破煤體效果，設(shè)計(jì)了13 種不同型號(hào)的前置噴嘴、5 種不同型號(hào)的后置噴嘴以及7 種不同轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行效果分析，優(yōu)選出最佳設(shè)計(jì)方案。

2.2 組合水射流鉆頭參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

組合噴嘴參數(shù)設(shè)計(jì)包括：前、后噴孔的直徑、數(shù)量、流量、以及每個(gè)噴孔軸向張角、徑向轉(zhuǎn)角和中心距。通過(guò)理論計(jì)算可以得到噴孔的直徑、數(shù)目和流量。根據(jù)這些相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定適合的軸向張角、徑向轉(zhuǎn)角和中心距。

2.2.1 鉆頭的鉆孔直徑和數(shù)量

根據(jù)水流的壓損公式[5-6]：

式中：△p 為壓力損失，MPa/m；q 為水流體積流量，L/min；D 為液壓軟管的內(nèi)徑，mm；Re 為雷諾數(shù)，取11 165q/D。

由式（1）可以看出，水流壓損與體積流量成正比，與軟管內(nèi)徑成反比。高壓軟管要通過(guò)轉(zhuǎn)向裝置，需要有一定的柔韌度，設(shè)計(jì)軟管內(nèi)徑為6.35 mm，外徑12.7 mm。當(dāng)體積流量為40 L/min，由式（1）得出，壓損為0.63 MPa/m[7]。

式中：μ 為噴嘴流量系數(shù)；n 為噴嘴數(shù)量；d 為噴嘴的直徑，m；ρ 為水的密度，kg/m3；p 為水流壓力，MPa。

由式（2）推導(dǎo)出式（3）：

采用BRW200/31.5 乳化液泵，輸入端壓力取30 MPa，前噴設(shè)計(jì)3 個(gè)噴孔，后噴嘴8 個(gè)噴孔，則噴嘴數(shù)量為11，根據(jù)式（3）得出，d 為0.62 mm，由于金屬材料加工等問(wèn)題，d 設(shè)計(jì)為0.6 mm[8-9]。

2.2.2 鉆頭前噴嘴張角和轉(zhuǎn)角及中心距

為了達(dá)到最佳破煤效果，設(shè)計(jì)了13 種前置噴嘴不同張角、徑向轉(zhuǎn)角和中心距的鉆頭。不同前置噴嘴參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)不同前置噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，第13 種噴嘴:軸向張角25°，徑向轉(zhuǎn)角90°且中心距1.8 mm時(shí)，沖擊煤巖體后反向鉆進(jìn)效率最高。煤巖體破碎顆粒更小，有助于破碎煤巖體顆粒的反向排出。且噴嘴反向推進(jìn)速度會(huì)隨著中心距的增大而減小[10-11]，鉆頭前噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力的影響如圖2。

2.2.3 鉆頭后噴嘴軸向傾角

后置噴嘴設(shè)計(jì)5 種軸向傾角鉆頭（10°、15°、20°、25°、30°）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選取結(jié)果：當(dāng)后置鉆頭噴嘴大于25°時(shí)，由后置鉆頭產(chǎn)生的推進(jìn)力與軸向錐角的大小存在反比關(guān)系，即軸向角越小，推進(jìn)力越大。當(dāng)后置鉆頭噴嘴小于等于25°，泵站壓力維持在30 MPa 時(shí)，后推進(jìn)力并不會(huì)增大。由實(shí)驗(yàn)可得出，后置噴嘴軸向錐力25°的軸向錐角最為合適。后置噴嘴鉆頭鉆進(jìn)效果如圖3。

表1 不同前置噴嘴參數(shù)Table 1 Different front nozzle parameters

圖2 鉆頭前噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力的影響Fig.2 Influence of nozzle structure parameters in front of bit on bit drilling capability

圖3 后置噴嘴鉆頭鉆進(jìn)效果Fig.3 Drilling effect of rear nozzle bit

2.3 轉(zhuǎn)向裝置

轉(zhuǎn)向裝置是保證高壓組合水射流鉆頭帶動(dòng)高壓軟管，由軸向母孔沿轉(zhuǎn)向裝置的內(nèi)槽轉(zhuǎn)向，形成徑向分支孔的關(guān)鍵[12]。

受鉆孔直徑的限制，要求在鉆進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向曲率半徑要小，同時(shí)鉆進(jìn)阻力小，排渣順暢，回管便利，安全可靠[13-15]。因此，轉(zhuǎn)向裝置外徑不宜超過(guò)90 mm，設(shè)計(jì)外徑80 mm 不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的7 種型號(hào)，7種不同轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)見(jiàn)表2。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知：孔徑為30 mm 時(shí)比孔徑為28 mm 時(shí)更容易通過(guò)，孔徑為28 mm 時(shí)比孔徑為25 mm 時(shí)更容易通過(guò)，即孔徑越大，越容易通過(guò)；流道內(nèi)側(cè)接觸面為點(diǎn)接觸時(shí)，有利于鉆頭通過(guò)；轉(zhuǎn)向裝置流道直徑出口角度越小，高壓組合水射流鉆頭更容易通過(guò)轉(zhuǎn)向裝置；直線段+圓弧段流道更利于鉆頭通過(guò)轉(zhuǎn)向裝置。最終，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次效果檢驗(yàn)，選取第1 種參數(shù)的轉(zhuǎn)向裝置。

表2 7 種不同轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)Table 2 Parameters of 7 different steering devices

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 布置方式

在己15-17-12110 機(jī)巷抽放巷500 m 范圍內(nèi)（+200至+700 m）向機(jī)巷掘進(jìn)工作面煤體處，采用高壓組合水射流多分支徑向鉆孔技術(shù)進(jìn)行抽放。巷道內(nèi)每間隔6 m，布置1 組徑向多分支鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，軸向孔終孔布置在煤層頂板0.3～1.0 m 之間。每組鉆孔分上下2 層，每層4 個(gè)徑向孔布置，徑向孔長(zhǎng)度4 m。

3.2 效果分析

1）成孔效果分析。高壓組合水射流徑向多分支鉆孔成孔率高（＞89%）、完整性好，裝備可靠性高。單孔平均鉆孔速度可達(dá)5.6 m/min，鉆孔效率提高了6.5 倍。鉆孔深度和速度圖如圖4。

圖4 鉆孔深度和速度圖Fig.4 Drilling depth and drilling speed

2）瓦斯抽采濃度。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)500 m 高壓組合水射流徑向多分支鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行考察，單個(gè)鉆孔抽采濃度與原有采用的水力沖孔瓦斯抽采濃度進(jìn)行對(duì)比，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔與水力沖孔鉆孔抽采效果對(duì)比圖如圖5。與水力沖孔鉆孔相比，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔單孔抽采濃度明顯提高2.3～3.5 倍，且衰減周期顯著延長(zhǎng)。

圖5 高壓組合水射流徑向多分支鉆孔與水力沖孔鉆孔抽采效果對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of drilling extraction effect between high-pressure combined water jet radial multi-branch drilling and hydraulic flushing

3）效果檢驗(yàn)。采用高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術(shù)后，沿己15-17-12110 機(jī)巷抽放巷500 m 的試驗(yàn)地點(diǎn)，每隔30 m 布置1 個(gè)檢驗(yàn)孔，共17 個(gè)檢驗(yàn)孔。測(cè)定己15-17-12110 煤層預(yù)抽區(qū)域殘余瓦斯壓力最高為0.47 MPa，殘存瓦斯含量最大為4.04 m3/t，區(qū)域效果檢驗(yàn)有效。

4）施工量與抽采時(shí)間。500 m 范圍內(nèi)與原有采用的水力沖孔技術(shù)相比：水力鉆孔需要布置167 組×14 個(gè)/組=2 388 個(gè)；采用高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術(shù)，布置鉆孔84 組×7 個(gè)/組=588個(gè)，極大的減少鉆孔施工數(shù)量。

比較原有密集鉆孔抽采時(shí)間為240 d，水力沖孔抽采時(shí)間為145 d，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術(shù)抽采時(shí)間為93 d，極大的縮短了抽采時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)高壓組合水射流多噴孔鉆頭，揭示了鉆頭破煤巖機(jī)理，前噴嘴中心距對(duì)鉆進(jìn)速度的影響、鉆孔孔徑隨后噴嘴軸向錐角的變化。配合高壓軟管轉(zhuǎn)向裝置內(nèi)小半徑轉(zhuǎn)向，對(duì)煤體瞬時(shí)施加動(dòng)能載荷，實(shí)現(xiàn)煤巖體動(dòng)態(tài)損傷和裂隙，可以快速提高煤層瓦斯透氣性。

2）由應(yīng)用結(jié)果可知，高壓組合水射流徑向多分支鉆孔煤層增透技術(shù)，在平煤股份所屬突出煤層礦井應(yīng)用效果明顯。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，單孔有效抽采半徑達(dá)8 m 以上，單孔抽采效率平均提高9 倍以上，預(yù)抽鉆孔數(shù)量減少75%，瓦斯抽采量累計(jì)增加3.54 倍，預(yù)抽時(shí)間縮短5 個(gè)月以上。