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(guó)唯一的深井開(kāi)采試驗(yàn)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(shí)測(cè)瓦斯含量最高達(dá)21.71 m3/t，井下實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力6.4 MPa，井下石門和巷道揭煤時(shí)間長(zhǎng)，煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)大，且隨著開(kāi)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(dòng)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(chǎng)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(xiǎn)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(duì)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(duì)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(yàn)證和優(yōu)化了鉆頭相關(guān)參數(shù)，實(shí)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(duì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的沖擊動(dòng)壓和渦流。該沖擊動(dòng)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(duì)靶物進(jìn)行有效的切割和破壞。

淹沒(méi)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(duì)煤層進(jìn)行實(shí)際切割破壞。

圖1 淹沒(méi)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(duì)于常規(guī)高壓水射流核心區(qū)域一般不超過(guò)相當(dāng)于13倍噴嘴直徑的長(zhǎng)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(dòng)力特征，即各斷面動(dòng)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(jì)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(diǎn)的流速，m/s；

v排——泥漿泵排量，m3/s；

n——噴嘴數(shù)量，個(gè)。

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(jì)算)的情況下，射流切割能力隨噴射距離增加呈下降趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 v0=200 m/s時(shí)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(jì)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(shì)。如圖3所示。

圖3 排量v排=14 L/s時(shí)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(jiǎn)單，鉆頭本體長(zhǎng)度0.4 m，最大直徑?127 mm，可裝配3個(gè)噴嘴，見(jiàn)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(zhǎng)度1.5 m，外殼體部分長(zhǎng)度0.8 m，可轉(zhuǎn)動(dòng)部分(射流段)長(zhǎng)度0.7 m，可配備4個(gè)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(wú)泥漿泵驅(qū)動(dòng)、自然狀態(tài)下呈直線狀態(tài)，見(jiàn)圖5(a)，在泥漿泵驅(qū)動(dòng)下完成鉆頭射流段的抬起，見(jiàn)圖5(b)。該鉆頭由普通鉆桿連接，下放到預(yù)定位置后，開(kāi)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(shí)，推動(dòng)活塞移動(dòng)，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鉆頭射流段繞著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)管體上流進(jìn)入到噴嘴部分，通過(guò)噴嘴對(duì)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用

3.1 工程背景

隨著謝一礦煤炭開(kāi)采逐步向深部延伸，煤與瓦斯突出對(duì)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(cè)壓力 6.5 MPa，瓦斯含量 13 m3/t。工程通過(guò)地面鉆孔對(duì)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(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，消除煤與瓦斯突出威脅。共施工地面消突鉆孔3個(gè)，其中定向孔2個(gè)，分別為TM01及TM02，水平對(duì)接孔1個(gè)。井位部署及井眼軌跡如圖6所示。

定向孔采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)孔徑311.1 mm，二開(kāi)孔徑215.9 mm，三開(kāi)孔徑152.4 mm。一開(kāi)、二開(kāi)井段分別下入?244.5 mm、?177.8 mm石油套管并固井，三開(kāi)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(duì)煤層進(jìn)行再次擴(kuò)孔。施工過(guò)程中通過(guò)沉淀池對(duì)上返煤屑進(jìn)行收集和計(jì)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(tái)，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(gè)，規(guī)格分別為?2 mm、?6 mm及?8 mm。

3.3 地面測(cè)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(cè)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(cè)試噴嘴組合有：組合① 3個(gè)?2 mm噴嘴；組合② 3個(gè)?4 mm噴嘴；組合③ 3個(gè)?6 mm噴嘴；組合④3個(gè)?8 mm噴嘴；組合⑤2個(gè)?6 mm、1個(gè)?8 mm噴嘴。測(cè)試及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果表明：在使用噴嘴組合①、組合②時(shí)泥漿泵(排量16 L/s)無(wú)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(cè)試數(shù)據(jù)表

3.4 擴(kuò)孔施工

工程采用逐級(jí)擴(kuò)孔方式施工：首先采用機(jī)械擴(kuò)孔工具對(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)啟泥漿泵開(kāi)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(duì)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(jì)量和分析，見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)高壓水射流擴(kuò)孔效果對(duì)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(duì)煤層進(jìn)行擴(kuò)孔施工后仍然可以對(duì)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(jì)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(guò)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(gè)前探孔實(shí)測(cè)待揭煤處殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量，測(cè)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(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)噴孔、頂鉆等瓦斯動(dòng)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(xiǎn)，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(shí)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(guò)程中噴孔次數(shù)及強(qiáng)度、瓦斯壓力及含量明顯下降，對(duì)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(jì)算方法科學(xué)合理，計(jì)算結(jié)果可靠，對(duì)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。