順層鉆孔水力割縫煤渣運(yùn)移及排渣工藝技術(shù)研究

張永將，季 飛

(1.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；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯災(zāi)害是煤礦的主要災(zāi)害之一，瓦斯治理是確保礦井安全高效開(kāi)采的重中之重[1-3]。由于我國(guó)大部分煤層均屬于低滲透性煤層，導(dǎo)致瓦斯抽采效果差，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效開(kāi)采[4-6]，所以提高煤層滲透性已成為提高瓦斯抽采效率、縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間最主要、最有效的手段之一。

目前普遍采用的卸壓增透技術(shù)主要包括水力沖孔、水力壓裂、松動(dòng)爆破及水力割縫等技術(shù)。水力沖孔壓力一般為5～20 MPa，對(duì)松軟煤層卸壓增透具有較好效果，中硬煤層水力沖孔效率低，軟煤層沖孔孔洞形態(tài)難控制，出渣不均勻，作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)塌孔、噴孔或巷道瓦斯超限[7]；水力壓裂影響范圍大、增透效果好，適用于中硬煤層，但對(duì)煤體內(nèi)裂紋方向控制難度較大，對(duì)頂?shù)装鍡l件及封孔質(zhì)量要求較高，分段定向壓裂過(guò)程中若控制措施不到位則會(huì)導(dǎo)致卸壓不均勻[8]；炸藥松動(dòng)爆破在煤層卸壓增透中應(yīng)用較少，順層長(zhǎng)鉆孔裝藥困難，作業(yè)過(guò)程存在瞎炮、拒爆風(fēng)險(xiǎn)[9]。

超高壓水力割縫技術(shù)憑借其額定壓力高、適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、安全性高、局部效果明顯等優(yōu)勢(shì)在全國(guó)各礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[10-14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)水力割縫卸壓增透機(jī)理及工藝進(jìn)行了探索，宋維源等[15]認(rèn)為水力割縫可以使煤體應(yīng)力松弛、卸壓、破壞、破裂，從而成倍甚至十幾倍地提高煤層的滲透性，繼而對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采，避免瓦斯災(zāi)害的發(fā)生；ZOU Q L等[16]提出利用水力割縫技術(shù)預(yù)防和控制煤巷掘進(jìn)過(guò)程中的煤與瓦斯突出災(zāi)害，有效地增大了鉆孔的影響范圍。割縫鉆孔的平均抽采瓦斯?jié)舛燃s為普通鉆孔的3.7倍。

在鉆孔排渣方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者也作了相關(guān)研究，王永龍等[17]通過(guò)建立常態(tài)鉆孔、開(kāi)放型鉆穴和填充型鉆穴排渣模型，對(duì)孔內(nèi)鉆屑運(yùn)移進(jìn)行了氣固耦合動(dòng)力學(xué)分析；YANG X G[18]在研究長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)鉆屑運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了新的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，指出臨界轉(zhuǎn)速沿葉片徑向是變化的，并且是關(guān)于給進(jìn)速度的函數(shù)，最后討論了實(shí)用臨界轉(zhuǎn)速及鉆桿實(shí)際轉(zhuǎn)速的確定原則。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超高壓水力割縫卸壓增透原理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究較多，但對(duì)于鉆進(jìn)后鉆孔形態(tài)分布、割縫后不同階段鉆孔煤渣運(yùn)移規(guī)律未見(jiàn)研究；雖對(duì)鉆孔排渣進(jìn)行了部分分析，但缺乏割縫過(guò)程中鉆孔堵孔機(jī)理方面研究，未形成順層鉆孔割縫排渣工藝技術(shù)體系。順層鉆孔割縫的順暢排渣不僅影響著割縫過(guò)程中的安全性，也對(duì)后期鉆孔抽采效果有著顯著的影響。筆者擬分析割縫鉆孔鉆進(jìn)形態(tài)，研究割縫鉆孔內(nèi)煤渣運(yùn)移規(guī)律及堵孔機(jī)理，形成順層鉆孔割縫排渣工藝技術(shù)，對(duì)于保障順層鉆孔割縫成功實(shí)施具有重要意義。

1 順層長(zhǎng)鉆孔割縫排渣堵孔模型

1.1 長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)鉆孔傾斜下沉模型

在順層鉆孔施工過(guò)程中，由于前端攜帶鉆頭及割縫器，導(dǎo)致前端質(zhì)量增大，因此在鉆進(jìn)過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)鉆孔向下偏移現(xiàn)象。割縫鉆孔在垂直方向的偏移下沉情況如圖1所示。

圖1 順層長(zhǎng)鉆孔傾斜下沉模型圖

從圖1中可看出，可將鉆孔鉆進(jìn)分為3個(gè)階段：開(kāi)孔段、傾斜下沉段和加速下沉段。其中開(kāi)孔段表現(xiàn)為此時(shí)鉆孔鉆進(jìn)距離較短，孔內(nèi)鉆桿、割縫器及鉆頭重量之和產(chǎn)生的向下彎曲力矩相比于鉆桿本身強(qiáng)度較小，鉆桿依然能按照設(shè)計(jì)角度向前鉆進(jìn)；傾斜下沉段表現(xiàn)為隨著鉆進(jìn)深度的增加，孔內(nèi)鉆桿重量逐漸增大，鉆頭及割縫器將帶著鉆桿向下偏移下沉，鉆孔角度將由正角度逐漸變化為負(fù)角度；加速下沉段主要表現(xiàn)為隨著鉆孔向前鉆進(jìn)，鉆孔角度將進(jìn)一步向下傾斜，其向下偏移速率也持續(xù)增大。

1.2 鉆孔割縫各階段堵孔模型及現(xiàn)象分析

1.2.1 加速下沉段堵孔分析

加速下沉段由于鉆孔下沉導(dǎo)致傾角較大，水流將充滿整個(gè)鉆孔空間，割縫后煤渣將與水流完全混合，形成固液兩相流體，當(dāng)流體中煤體顆粒質(zhì)量濃度逐漸增大后，由于水流升力有限，煤體顆粒將在鉆孔底部開(kāi)始沉積，如果此時(shí)割縫產(chǎn)渣量再進(jìn)一步增加，就將出現(xiàn)大量煤體顆粒堆積于鉆孔底部的情況，從而出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 加速下沉段堵孔模型

由圖2可看出，此時(shí)由于煤渣量過(guò)大，煤渣沉積于鉆孔底部并最終充滿整個(gè)鉆孔，此時(shí)的割縫鉆孔孔口現(xiàn)象主要包括：鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升；孔口返水量逐漸減小并可能導(dǎo)致不再返水；孔口返渣量迅速減小。而引發(fā)這種堵孔現(xiàn)象的主要原因?yàn)榭變?nèi)煤水兩相流體比例的失衡，水流升力不足以抵消煤體顆粒的下沉力，同時(shí)鉆桿對(duì)兩相流體的擾動(dòng)作用降低也是一個(gè)主要原因。

1.2.2 傾斜下沉段堵孔分析

相較于加速下沉段，傾斜下沉段是鉆孔傾角由正角度向負(fù)角度轉(zhuǎn)變的階段，處于鉆孔最高點(diǎn)位置，且該階段鉆孔相對(duì)較平順。因此當(dāng)煤水混合兩相流體流經(jīng)傾斜下沉段后，水流與煤體顆粒不再完全混合，水流會(huì)相對(duì)于煤體顆粒更快流出至孔口，因此該階段水流不再充滿整個(gè)鉆孔空間，而是在鉆孔上部出現(xiàn)空白區(qū)域。而該階段煤體顆粒的主要?jiǎng)恿υ从伤魃仙D(zhuǎn)變?yōu)殂@桿外螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)煤體顆粒的驅(qū)動(dòng)力。傾斜下沉段堵孔情況如圖3所示。

圖3 傾斜下沉段堵孔模型

從圖3可看出，此時(shí)堵孔的煤體顆粒主要分布于鉆孔下半部區(qū)域，大量的煤體顆粒沉積于鉆孔底部從而引發(fā)堵孔現(xiàn)象。此時(shí)的割縫鉆孔孔口現(xiàn)象主要包括：鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸上升；孔口返水量有所減小，但存在持續(xù)返水情況；孔口水流及煤渣呈現(xiàn)不連續(xù)涌出現(xiàn)象，煤渣量逐漸減小。

2 鉆孔各階段煤渣運(yùn)移情況分析

2.1 加速下沉段煤渣運(yùn)移情況

根據(jù)1.2節(jié)所述，在鉆孔加速下沉段內(nèi)，水流充滿整個(gè)鉆孔空間，鉆孔內(nèi)割縫所產(chǎn)生的煤渣將與水流充分混合，從而形成固液兩相流體，因此可利用固液兩相流理論對(duì)加速下沉段內(nèi)煤渣運(yùn)移情況進(jìn)行分析。根據(jù)固液兩相流理論，兩相流體在流經(jīng)鉆孔通道時(shí)，其能否順暢排出的主要影響因素包括：水流速度、兩相流體中煤體顆粒所占比例。加速下沉段鉆孔內(nèi)煤渣運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。

(a)平行鉆孔軸向方向

F1—水流拖拽力；F2—水流上舉力；F3—鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力；Fg—煤體顆粒群自身重力。

圖4 加速下沉段煤渣運(yùn)動(dòng)受力情況

由圖4可看出，處于加速下沉段內(nèi)煤體顆粒主要受水流拖拽力F1、水流上舉力F2、鉆桿旋轉(zhuǎn)升力F3及煤體顆粒群自身重力Fg共同作用，為了確保煤渣能夠順利排出，則煤體顆粒群不能在鉆孔底部沉積，于是應(yīng)滿足：

F1sinθ+F2+F3>Fg

(1)

式中：F1sinθ為F1在垂直方向上的分力；θ為鉆孔與水平方向的夾角。

由式(1)可得出，水流速度越快，水流量越大，將會(huì)增大水流拖拽力F1和水流上舉力F2，在鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力F3一定的條件下，越有利于割縫過(guò)程中的順暢排渣。而煤體顆粒質(zhì)量濃度的增加將削弱兩相流體內(nèi)水流對(duì)煤體顆粒的升力，從而不利于割縫過(guò)程中的排渣。而鉆桿旋轉(zhuǎn)將對(duì)兩相流體中煤體顆粒的下沉產(chǎn)生擾動(dòng)，鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的攪動(dòng)作用能對(duì)煤體顆粒群產(chǎn)生升力，使煤體顆粒群與水流的混合更均勻，因此鉆桿轉(zhuǎn)速越快越有利于鉆孔排渣。

2.2 傾斜下沉段煤渣運(yùn)移情況

在煤渣運(yùn)移至傾斜下沉段后，由于此時(shí)鉆孔角度已逐漸由負(fù)角度轉(zhuǎn)變?yōu)檎嵌?，此時(shí)固液兩相流體流經(jīng)該階段時(shí)，水流將不再充滿整個(gè)鉆孔空間，而是相比煤渣更加快速地流向孔口，此時(shí)大量煤渣將在鉆孔底部沉積，水流對(duì)煤渣的拖拽力將顯著減小，但是此時(shí)由于煤渣大量沉積于鉆孔底部并與鉆桿緊密接觸，因此此時(shí)鉆孔旋轉(zhuǎn)的螺旋力將明顯增大，此階段煤渣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿τ伤魍献ЯD(zhuǎn)變?yōu)殂@桿外螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)煤體顆粒的驅(qū)動(dòng)力，此階段煤渣運(yùn)移情況如圖5所示。

F4—鉆桿外螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)煤體顆粒的驅(qū)動(dòng)力。

圖5 傾斜下沉段煤渣運(yùn)動(dòng)受力情況

在傾斜下沉段，影響排渣的最大因素為鉆桿轉(zhuǎn)速及鉆桿外螺旋深度，鉆桿轉(zhuǎn)速越快，鉆桿外螺旋深度越大，則越有利于在傾斜下沉段的順暢排渣。

3 順層鉆孔割縫排渣技術(shù)研究

3.1 割縫排渣合理參數(shù)研究

在順層鉆孔割縫過(guò)程中排渣受多種因素影響，主要包括：割縫壓力、割縫流量、煤層堅(jiān)固性系數(shù)、鉆孔角度、鉆桿轉(zhuǎn)速等。根據(jù)第2節(jié)所述，確保割縫煤渣順利排出的關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：確保加速下沉段內(nèi)煤水混合兩相流體中煤體顆粒所占比例適當(dāng)，煤渣能夠在水流作用下排出至傾斜下沉段；傾斜下沉段內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)速達(dá)到排渣要求，能夠?yàn)槊后w顆粒提供足夠的螺旋排渣力，幫助煤渣到達(dá)開(kāi)孔段。而當(dāng)煤渣到達(dá)開(kāi)孔段后，由于鉆孔成正角度，在水流和鉆桿螺旋的共同作用下，煤渣能夠很好地被排出至孔口。

根據(jù)固液兩相理論，兩相流體中對(duì)于煤渣顆粒的負(fù)載量有一個(gè)臨界值，當(dāng)兩相流體中煤體顆粒小于臨界負(fù)載量時(shí)，水流能夠很好地為煤體顆粒提供升力，從而裹挾煤渣顆粒向孔外流動(dòng)；而當(dāng)兩相流體中煤體顆粒超過(guò)臨界負(fù)載量時(shí)，水流將不能提供足夠升力，煤渣也將沉積于鉆孔中，并最終導(dǎo)致堵孔現(xiàn)象的發(fā)生。因此在長(zhǎng)鉆孔割縫過(guò)程中，需要時(shí)刻關(guān)注孔口返水返渣情況，并通過(guò)調(diào)整割縫壓力及鉆桿轉(zhuǎn)速，確?？變?nèi)煤渣量始終小于孔內(nèi)的臨界排渣量，其排渣模型如圖6所示。

圖6 鉆孔割縫排渣模型

根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)在全國(guó)各礦區(qū)開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)不同煤層堅(jiān)固性系數(shù)條件下割縫壓力及鉆桿轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到合理割縫參數(shù)隨煤層堅(jiān)固性系數(shù)變化曲線，如圖7所示。

圖7 不同煤層堅(jiān)固性系數(shù)條件下合理割縫排渣參數(shù)變化圖

從圖7中可看出，隨著煤層堅(jiān)固性系數(shù)升高，合理割縫壓力也逐漸升高，而對(duì)應(yīng)的合理鉆桿轉(zhuǎn)速則逐漸降低。這是由于當(dāng)處于較松軟煤層時(shí)，其割縫落煤量較大，因此只能選擇較低的割縫壓力以減小割縫時(shí)的落煤速度，而此時(shí)由于割縫落煤量較大，需要提高鉆桿轉(zhuǎn)速輔助排渣，同時(shí)提高鉆桿轉(zhuǎn)速還能降低射流對(duì)煤體的切割能力，從而減少割縫落煤量。而當(dāng)處于較為堅(jiān)硬的煤層時(shí)，由于落煤量較小，堵孔風(fēng)險(xiǎn)較小，此時(shí)應(yīng)增大割縫壓力來(lái)提高割縫效率，同時(shí)降低鉆桿轉(zhuǎn)速來(lái)提高射流對(duì)煤體的割縫壓力。

3.2 順層鉆孔割縫排渣工藝技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)鉆孔割縫卸壓增透技術(shù)工藝，能否實(shí)現(xiàn)順暢排渣是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵點(diǎn)，保證順暢排渣既能保障割縫過(guò)程中的作業(yè)安全，也能為后期瓦斯抽采提供較好的孔內(nèi)條件。而長(zhǎng)鉆孔排渣的工藝特點(diǎn)主要包括以下內(nèi)容：

1)割縫前孔內(nèi)需返清水后方可開(kāi)始升壓割縫，壓力提升梯度需緩慢合理，20 MPa→30 MPa→40 MPa→50 MPa→指定壓力，每次升壓間隔必須在2 min以上；

2)割縫過(guò)程中始終觀測(cè)孔口返水返渣情況，如遇孔口返水返渣量明顯減少，鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩明顯增大，則表明鉆孔加速下沉段出現(xiàn)堵孔、抱鉆現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)立即降低割縫壓力，加大鉆桿轉(zhuǎn)速，疏通鉆孔后方可繼續(xù)割縫；

3)若割縫過(guò)程中出現(xiàn)孔口煤水呈現(xiàn)一股一股涌出狀態(tài)，則表明傾斜下沉段堵孔，此時(shí)應(yīng)增大鉆桿轉(zhuǎn)速，適當(dāng)降低割縫壓力，使孔內(nèi)煤渣能夠順利排出；

4)每刀割縫完成后應(yīng)將壓力調(diào)至0 MPa，并持續(xù)3 min以上，對(duì)鉆孔進(jìn)行洗孔，確?？變?nèi)煤渣被完全排出，為后期抽采提供有利條件。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)礦井為貴州新田煤礦，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?402工作面，主采4號(hào)煤層，煤層厚度5.2 m，煤層傾角5°。實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力為1.65 MPa，瓦斯含量為6.8～8.2 m3/t，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為0.6。鉆孔設(shè)計(jì)在工作面機(jī)巷，布置25個(gè)順層試驗(yàn)鉆孔(G1～G25)，對(duì)比鉆孔20個(gè)(D1～D20)，鉆孔間距均為10 m，孔深100 m，割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔間距20 m。其中G1～G10為合理割縫參數(shù)試驗(yàn)考察孔，分別采用不同壓力及不同鉆桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行割縫試驗(yàn)，并記錄割縫時(shí)間、排渣量及割縫過(guò)程中的返水返渣情況，同時(shí)驗(yàn)證排渣工藝。在合理割縫參數(shù)確定后進(jìn)行超高壓水力割縫試驗(yàn)，對(duì)排渣量、抽采瓦斯純流量等參數(shù)進(jìn)行考察，并與對(duì)比鉆孔的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

4.2 排渣合理參數(shù)考察孔結(jié)果分析

試驗(yàn)考察孔G1～G10割縫參數(shù)及割縫情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)鉆孔割縫情況

對(duì)G1～G10號(hào)割縫試驗(yàn)孔分別采用割縫壓力70、80、90 MPa和鉆桿轉(zhuǎn)速50、60、70、80 r/min進(jìn)行交叉試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果按照不同割縫壓力分組進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同割縫參數(shù)下割縫平均單刀出煤量變化圖

從圖8中可看出，隨著割縫壓力的增高，其割縫出煤量也明顯增大。且在割縫壓力一定的情況下，增大鉆桿轉(zhuǎn)速將減少割縫出煤量，并提升鉆孔排渣效果。根據(jù)以上對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，針對(duì)堅(jiān)固性系數(shù)0.6的煤層，選擇70 MPa壓力相對(duì)過(guò)低，將影響割縫效果；而選擇90 MPa壓力在割縫過(guò)程中抱鉆及堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，影響割縫安全。因此，割縫合理排渣壓力應(yīng)為80 MPa左右，而對(duì)應(yīng)的割縫合理排渣鉆桿轉(zhuǎn)速應(yīng)為70 r/min。

4.3 瓦斯抽采效果對(duì)比分析

在確定合理割縫排渣參數(shù)后即對(duì)剩余鉆孔開(kāi)展割縫試驗(yàn)，并與對(duì)比鉆孔進(jìn)行比較。抽采60 d內(nèi)割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔單孔平均抽采瓦斯純流量變化曲線如圖9所示。

圖9 割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔單孔平均抽采瓦斯純流量變化曲線

由圖9可知，割縫鉆孔平均抽采瓦斯純流量最大值為0.335 m3/min，最小值為0.144 m3/min，平均值為0.248 m3/min；對(duì)比鉆孔平均抽采瓦斯純流量最大值為0.140 m3/min，最小值為0.035 m3/min，平均值為0.068 m3/min。割縫鉆孔平均抽采瓦斯純流量是對(duì)比鉆孔的3.6倍。由此可見(jiàn)，采用超高壓水力割縫后，選擇合理的割縫參數(shù)，能有效提高煤層透氣性，提升鉆孔瓦斯預(yù)抽效果。

5 結(jié)論

1)根據(jù)割縫鉆孔鉆進(jìn)前端鉆頭下沉現(xiàn)象，將長(zhǎng)鉆孔分為加速下沉段、傾斜下沉段及開(kāi)孔段，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析得出傾斜下沉段堵孔現(xiàn)象為孔口煤水呈不連續(xù)涌出現(xiàn)象，而加速下沉段堵孔則呈現(xiàn)孔口返水量突然減小、鉆桿轉(zhuǎn)矩顯著增大現(xiàn)象。

2)根據(jù)固液兩相流理論，分別分析了加速下沉段及傾斜下沉段鉆孔煤渣運(yùn)移情況，加速下沉段煤渣運(yùn)移以水力提高升力為主，鉆桿旋轉(zhuǎn)促進(jìn)煤渣與水混合，并減少煤體顆粒沉積；而傾斜下沉段排渣則以鉆桿外螺旋旋轉(zhuǎn)提供驅(qū)動(dòng)力為主。

3)通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，得出不同堅(jiān)固性系數(shù)煤層條件下合理割縫壓力及鉆桿轉(zhuǎn)速參數(shù)，并指出順層長(zhǎng)鉆孔排渣關(guān)鍵點(diǎn)主要包括合理割縫壓力及鉆桿轉(zhuǎn)速參數(shù)選擇、壓力調(diào)節(jié)梯度、孔口返水返渣情況觀測(cè)，以及延長(zhǎng)割縫后低壓洗孔時(shí)間4個(gè)方面。

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，采用割縫排渣工藝技術(shù)，能有效避免割縫堵孔風(fēng)險(xiǎn)，提高割縫成功率，割縫鉆孔較對(duì)比鉆孔抽采瓦斯純流量提高3.6倍，保障了順層鉆孔割縫安全高效實(shí)施。