閆本正 王洪盤

(1.河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南省鄭州市， 450046；2.河南省低滲突出煤層煤與瓦斯共采工程技術(shù)研究中心，河南省鄭州市，450046)

新河礦井是河南能源焦煤公司下屬礦井，設(shè)計(jì)建設(shè)規(guī)模0.6 Mt/a，礦井設(shè)計(jì)主采煤層為山西組二1煤，煤層傾角7°～12°，煤層厚度4.33～8.10 m，平均煤層厚度6.08 m。煤層瓦斯含量1.47～27.86 m3/t，平均瓦斯含量15.43 m3/t；煤層瓦斯壓力0.95～3.05 MPa。由于礦井底板突水危險(xiǎn)性大，采用頂板巖巷施工下向瓦斯抽采孔預(yù)抽煤層瓦斯，全部采用頂板巖巷預(yù)抽煤層瓦斯。盡管施工的下向瓦斯抽采鉆孔很多，但在煤層上部巖層、煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力、煤巖層內(nèi)含水情況及煤體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等因素的綜合作用下，煤層瓦斯抽采鉆孔在經(jīng)過一定時(shí)間的抽采后，會(huì)出現(xiàn)鉆孔垮塌、孔內(nèi)大量積水等問題，造成鉆孔瓦斯抽采效率低，甚至鉆孔作廢等問題。目前，礦井也采用了一系列的鉆孔增透措施，如采用井下水、井下壓風(fēng)等沖洗鉆孔，但由于水壓、風(fēng)壓壓力值有限，同時(shí)也沒有具有一定強(qiáng)度工具能夠連續(xù)鉆入已坍塌鉆孔之內(nèi)，因此，鉆孔使用效率低下，往往需要重新施工鉆孔以作彌補(bǔ)。

為解決煤層瓦斯抽采鉆孔有效使用率低和煤層瓦斯抽采效率低的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從煤與瓦斯共采理論、水力沖孔、水力壓裂及鉆孔封孔等多方面開展了大量的試驗(yàn)研究，取得了豐碩的成果。本文結(jié)合石油開采過程中采用的水射流增透的相關(guān)機(jī)理，以新河礦主采山西組二1煤層為研究對(duì)象，開展鉆孔破壁卸壓增透的系統(tǒng)性試驗(yàn)，結(jié)合煤層實(shí)際確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行基于水射流致裂機(jī)理的鉆孔破壁卸壓增透的應(yīng)用研究。

1 鉆孔破壁卸壓增透技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)方案

1.1 技術(shù)原理

鉆孔破壁卸壓增透技術(shù)的基本原理是，通過使用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泵將清水泵入至高壓管路，在到達(dá)噴嘴時(shí)具有較大的能量，由于清水在經(jīng)過高壓管路到達(dá)噴嘴時(shí)路徑突然縮小，水流速度會(huì)陡然增大，從而形成了高壓水射流。利用這種高速水射流對(duì)瓦斯抽采鉆孔周邊煤巖體產(chǎn)生的沖擊力作用、氣蝕破壞作用、應(yīng)力波作用和水楔作用等對(duì)抽采鉆孔封孔管和煤巖體進(jìn)行切割、破碎和清洗。

基于以上原理，采用一種輕型水力連續(xù)疏孔機(jī)進(jìn)行鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)，見圖1。與常規(guī)水力沖孔作業(yè)不同的是，利用該疏孔機(jī)進(jìn)行的鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)，不僅能夠?qū)π率┕さ耐咚钩椴摄@孔進(jìn)行沖孔卸壓作業(yè)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)已永久封孔的瓦斯抽采鉆孔在抽采中、后期的增透卸壓，提高瓦斯抽采濃度，延長(zhǎng)鉆孔使用壽命。該疏孔機(jī)采用的高壓輸水管路為?16 mm或?19 mm的連續(xù)油管，通過液壓泵站為連續(xù)油管鉆進(jìn)裝置提供一定壓力和流量的高壓水，速度控制機(jī)構(gòu)控制連續(xù)油管的下放速度，并根據(jù)井下鉆孔情況對(duì)水力參數(shù)及送進(jìn)速度進(jìn)行控制。在高壓輸水管路的前端安設(shè)有特制的噴頭體，能夠隨高壓輸水管路一起進(jìn)入抽采鉆孔封孔管內(nèi)，是形成高壓水射流的關(guān)鍵部件。噴頭體通過噴嘴的作用將高壓水的壓力能聚集起來，并轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，最后以高速水射流的形式向外噴出，用以對(duì)鉆孔周邊的物料進(jìn)行破碎、清洗、切割，從而使處于抽采中、后期且抽采效率低下的煤層瓦斯抽采鉆孔封孔管和鉆孔壁煤巖體破碎。同時(shí)，破碎的煤巖體被高壓水流從封孔管內(nèi)沖出，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔破壁卸壓增透的效果。

圖1 輕型水力連續(xù)疏孔疏孔機(jī)

1.2 鉆孔破壁卸壓增透試驗(yàn)方案

在新河煤礦12091下頂抽巷開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取17#鉆場(chǎng)作為試驗(yàn)鉆場(chǎng)。17#鉆場(chǎng)瓦斯抽采鉆孔呈四排四列布置，選取其中的7個(gè)鉆孔為本次試驗(yàn)鉆孔，并對(duì)各試驗(yàn)鉆孔分別編號(hào)為1712#、1713#、1714#、1722#、1723#、1733#、1743#，試驗(yàn)鉆孔的具體參數(shù)見表1。

表1 17號(hào)鉆場(chǎng)破壁卸壓增透鉆孔基本參數(shù)

注： 臨時(shí)封孔為只封入一根2 m PVC管

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，采取單孔破壁卸壓增透連續(xù)作業(yè)方式，對(duì)下頂抽采巷17#鉆場(chǎng)7個(gè)試驗(yàn)鉆孔依次實(shí)施了破壁卸壓增透作業(yè)。17#鉆場(chǎng)在對(duì)鉆孔進(jìn)行破壁卸壓增透之前進(jìn)行過一次小型壓裂，注入清水27 m3，注入最高壓力15 MPa，由于后期在注入過程中，壓裂鉆孔出現(xiàn)較大量滲水而停止注入。之后，施工抽采鉆孔并聯(lián)管抽采，抽采濃度和純量下降后，進(jìn)行了水力破壁卸壓增透作業(yè)。

17#鉆場(chǎng)在沖孔階段已安裝防噴裝置。試驗(yàn)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段實(shí)施過程中，沒有裝設(shè)防噴裝置，而是在孔口安裝了探頭來監(jiān)測(cè)鉆孔瓦斯涌出量。根據(jù)探頭實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出累計(jì)瓦斯涌出量曲線圖，見圖2，該累計(jì)瓦斯涌出量不包含巷道本身瓦斯涌出量，即校正后累計(jì)瓦斯涌出量。

鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)期間累計(jì)瓦斯涌出量10805 m3。在實(shí)施鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)后三周內(nèi)，1712#孔累計(jì)抽采瓦斯805 m3，1713#孔累計(jì)抽采瓦斯700 m3，1714#孔累計(jì)抽采瓦斯490 m3。因此，第一階段1712#、1713#、1714#作業(yè)鉆孔累計(jì)抽采瓦斯總量為12800 m3，見表2。

由于鉆孔破壁卸壓期間從鉆孔內(nèi)沖出大量的煤泥混合物，隨之涌出的瓦斯量較大，存在瓦斯超限的可能性，因此，1712#、1713#、1714#鉆孔破壁卸壓增透結(jié)束后，安裝防噴裝置，實(shí)施了第二階段的鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)，作業(yè)情況見表3。

圖2 校正后累計(jì)瓦斯涌出量曲線(不包含巷道本身瓦斯涌出量)

表2 第一階段鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)情況匯總

表3 第二階段鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)情況匯總

鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)期間累計(jì)涌出瓦斯4803.7 m3，實(shí)施鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)后三周內(nèi)，1722#孔累計(jì)抽采瓦斯1550 m3；1723#孔涌水過大無法觀測(cè)(與1722#串孔)，保守預(yù)計(jì)累計(jì)瓦斯抽采800 m3；1733#、1743#孔未進(jìn)行連抽。因此，第二階段1722#、1723#、1733#、1743#孔累計(jì)抽采瓦斯量為7153.7 m3。

2 破壁卸壓增透試驗(yàn)效果分析

結(jié)合兩個(gè)階段鉆孔破壁卸壓增透試驗(yàn)具體情況，作業(yè)效果見表4。

表4 17#鉆場(chǎng)鉆孔破壁卸壓增透效果

由表4可知，實(shí)施鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)前，瓦斯抽采鉆孔的單孔濃度為1.3%～30%，鉆孔日均抽采量為5.37 m3/d，鉆場(chǎng)日均抽采量為220.32 m3/d；實(shí)施鉆孔破壁卸壓增透作業(yè)后，抽采鉆孔的單孔濃度為8%～100%，鉆孔日均抽采量為15.4～129.6 m3/d，鉆場(chǎng)日均抽采量為1054.45 m3/d。由于鉆孔破壁卸壓增透過程中，沖出了大量的煤及煤泥混合物，在鉆孔周邊形成較大的孔洞，使周邊更大范圍內(nèi)的煤體在地應(yīng)力的作用下緩慢的向鉆孔所在方位蠕動(dòng)卸壓，進(jìn)而達(dá)到增加鉆孔周邊煤層的滲透性和提高煤層瓦斯抽采效率的作用。

3 結(jié)論

(1)鉆孔破壁卸壓增透技術(shù)應(yīng)用于下向孔有一定的技術(shù)要求，當(dāng)鉆孔向下傾斜角度超過25°時(shí)，鉆孔返水和返渣效果較差，無法及時(shí)大量沖出孔內(nèi)被破碎的煤及煤泥混合物，鉆孔破壁卸壓增透技術(shù)應(yīng)用效果不明顯。對(duì)于向下傾斜角度低于25°的鉆孔，鉆孔破壁卸壓增透技術(shù)應(yīng)用效果顯著，作業(yè)后鉆孔抽采濃度和抽采量均得到了極大的提高。

(2)鉆孔破壁卸壓增透技術(shù)在下向孔內(nèi)的應(yīng)用需要進(jìn)一步的改進(jìn)，完善下向孔排水排渣機(jī)制，提高返水和返渣效率，使鉆孔周邊煤巖體能夠及時(shí)有效地卸壓增透。

(3)結(jié)合煤礦瓦斯抽采鉆孔存在的問題，建議實(shí)施臨時(shí)封孔—破壁卸壓增透—聯(lián)孔抽采—效果不佳—破壁卸壓增透—聯(lián)孔抽采—抽采達(dá)標(biāo)的瓦斯治理模式。