陸占金，李生舟

(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)

鉆孔抽采煤層瓦斯是消除煤層突出危險(xiǎn)的重要措施之一[1，2]，然而我國(guó)部分礦井煤層堅(jiān)硬，由于煤層硬度高，加之埋深大，地應(yīng)力高，導(dǎo)致煤層透氣性低，瓦斯抽采效果不佳，嚴(yán)重制約了礦井的采掘接替[3，4]。近年來(lái)，水力沖孔、水力造穴、脈沖射流等水力化措施已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，在一定煤層賦存條件下取得了相對(duì)較好的效果，隨著近年技術(shù)裝備的發(fā)展，水力割縫技術(shù)逐漸完善，以超高壓水作為動(dòng)力，對(duì)煤體進(jìn)行環(huán)形切割，在煤層中形成一定寬度和深度的縫槽，伴隨割縫排渣煤層原始應(yīng)力得以降低，改善了煤層中瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，成為解決煤層瓦斯高效抽采的有效技術(shù)途徑[5，6]。

現(xiàn)有割縫設(shè)備工作壓力基本在30～70MPa，由于其設(shè)備所能提供的射流壓力低，且高壓水傳輸過(guò)程中流量損失和壓力損失較大，對(duì)于松軟或中等硬度煤層具有一定卸壓增透效果，但是對(duì)于堅(jiān)硬煤層，破煤壓力要求較高，無(wú)法對(duì)煤體產(chǎn)生有效沖擊破壞，導(dǎo)致“割不深”，難以達(dá)到快速增滲的目的[7，8]。

針對(duì)趙固二礦的堅(jiān)硬低透氣性煤層，提出采用工作壓力達(dá)到100MPa的超高壓水力割縫技術(shù)對(duì)煤層增透，提高瓦斯抽采效率，為了進(jìn)一步提高射流打擊力度，分別研制和提出了針對(duì)堅(jiān)硬煤層的收斂型射流噴嘴和定點(diǎn)沖擊破煤割縫工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好的效果。

1 超高壓水力割縫技術(shù)破煤原理

超高壓水力割縫技術(shù)是運(yùn)用超高壓力水射流，對(duì)煤體進(jìn)行沖擊切削，在煤體內(nèi)形成縫槽，導(dǎo)通煤體自身裂隙，從而增大煤體暴露面積，增加煤層透氣性[9-12]。超高壓水射流破煤主要分為兩個(gè)階段[13，14]。第一階段為水錘沖擊壓力階段，超高壓水射流從割縫噴嘴噴出接觸煤體后會(huì)在煤體表面形成沖擊波，由于水與煤體屬于不同介質(zhì)，沖擊波會(huì)以?xún)煞N不同的速度在水與煤體中傳播，從而出現(xiàn)受壓的水介質(zhì)區(qū)域和固體壓縮區(qū)域。隨著水射流弧形表面繼續(xù)撞擊煤體表面，新的沖擊波又會(huì)形成，直到水射流前端弧形面與煤體完全接觸，在這個(gè)階段內(nèi)由于沖擊波比水射流傳播快，煤體表面會(huì)受到水錘壓力的沖擊。水錘沖擊壓力階段持續(xù)時(shí)間極短，但會(huì)在煤體表面造成初始微裂紋。第二個(gè)階段為滯止沖擊壓力階段，此時(shí)超高壓水射流與煤體表面完全接觸，形成穩(wěn)定的滯止沖擊壓力，在第一階段初始微裂紋的基礎(chǔ)上，滯止沖擊壓力通過(guò)持續(xù)沖擊使煤體表面初始微裂紋逐步向煤體內(nèi)部發(fā)展，從而達(dá)到破煤的目的[15，16]。

2 超高壓水力割縫設(shè)備組成及割縫工藝流程

超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓軟管、高壓遠(yuǎn)程操作臺(tái)、超高壓清水泵等組成。

超高壓水力割縫技術(shù)一般工藝流程為：根據(jù)煤層軟硬等情況，選取合適孔徑的鉆頭施工鉆孔，利用礦井的靜壓水排渣施工至預(yù)定的深度。關(guān)閉靜壓水，撤出幾根鉆桿(根據(jù)預(yù)定的割縫間距而定)，連接上高壓水管路，開(kāi)啟超高壓清水泵，控制調(diào)壓閥，泵壓由低到高，水經(jīng)過(guò)超高壓軟管進(jìn)入鉆桿內(nèi)，最后通過(guò)割縫器噴射出來(lái)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿及割縫器旋轉(zhuǎn)對(duì)鉆孔周邊煤體進(jìn)行切割。根據(jù)鉆孔內(nèi)排渣順暢等情況，調(diào)節(jié)割縫壓力及割縫時(shí)間，每刀割縫完畢后，關(guān)閉清水泵，管路卸壓后依據(jù)割縫間距撤卸相應(yīng)數(shù)目的鉆桿，再次連接高壓管路，按照前述流程繼續(xù)割縫，完成預(yù)計(jì)割縫次數(shù)。

3 堅(jiān)硬煤層超高壓水力割縫噴嘴設(shè)計(jì)

3.1 噴嘴參數(shù)數(shù)值模擬

在設(shè)計(jì)割縫噴嘴時(shí)，采用短管型式的噴嘴，以提高射流性能，但為了防止出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，一般不直接采用短管型噴嘴，而是對(duì)噴嘴加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)成收斂的流線型或者錐型噴嘴，可以更充分發(fā)揮射流的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而可以改善射流的性質(zhì)，提高應(yīng)用效果。但流線型噴嘴的加工難度較大，因此，從性能和加工兩個(gè)角度綜合考慮，選擇圓錐收斂型噴嘴。

噴嘴的幾何參數(shù)主要有噴嘴的收斂角α，入口和出口過(guò)渡形狀及倒角的曲率半徑r1和r2，出口直徑d，圓柱段長(zhǎng)度l與直徑d的比值，還有噴嘴長(zhǎng)度及內(nèi)壁表面粗糙度等。

采用數(shù)值模擬手段，分析了其他設(shè)計(jì)參數(shù)相同情況下，不同收斂角α對(duì)射流孔底總壓力分布影響，在相同噴距處，孔底總壓力分布如圖1所示。由圖1可以看出，孔底總壓力隨著遠(yuǎn)離射流軸線而逐漸降低。在噴嘴出口段長(zhǎng)度相同的情況下，不同射流收斂角的射流孔底總壓力分布衰減趨勢(shì)相似，但就相同條件下產(chǎn)生的射流孔底最高壓力值卻存在差異：對(duì)于圓錐收斂型噴嘴，收斂角最佳在13°～15°。

圖1 孔底總壓力分布

根據(jù)前述研究，為提高超高壓水射流打擊力，增加堅(jiān)硬煤層割縫效果，研制了新型圓錐收斂型噴嘴，收斂角13°～15°，新型噴嘴更有利于射流集聚，打擊力更強(qiáng)，為驗(yàn)證新型噴嘴割縫效果開(kāi)展地面實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

利用壓力傳感器對(duì)不同距離下噴嘴射流打擊力進(jìn)行采集。試驗(yàn)壓力100MPa，噴嘴直徑選擇2.5mm，壓力傳感器距噴嘴出口距離選擇0.5m、1.0m、1.5m以及2.0m四種情況，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。普通短管?chē)娮煸O(shè)計(jì)如圖2所示，新型圓錐收斂型噴嘴如圖3所示。

表1 試驗(yàn)方案

圖3 新型圓錐收斂型噴嘴

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

考慮到在水射流作用力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中設(shè)備將會(huì)承受到最大近千牛頓的作用力，因此使用鋼制桁架為基礎(chǔ)制作水射流作用力采集裝置。裝置主體支撐結(jié)構(gòu)由前后兩塊厚度為2cm的鋼板構(gòu)成，前鋼板掏空保留水射流入射通道，后鋼板作為安裝壓力傳感器的背板。前后鋼板之間使用圓形空心鋼柱鏈接作為支承結(jié)構(gòu)并且同時(shí)作為承力板的導(dǎo)軌，承力板使用軸承在導(dǎo)軌上往復(fù)移動(dòng)，將射流作用力傳遞到后方背板上的壓力傳感器中，由壓力傳感器記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)三合一接線盒后在數(shù)據(jù)顯示器讀出。水射流作用力采集裝置如圖4所示。

圖4 水射流作用力采集裝置

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照實(shí)驗(yàn)方案測(cè)得了兩種噴嘴不同距離下射流打擊力曲線如圖5所示。從圖5可看出，新型圓錐收斂型噴嘴在不同距離下射流打擊力明顯優(yōu)于原普通噴嘴，在距離相同條件下，新型圓錐收斂型噴射流打擊力較普通噴嘴提高了20%左右，而在打擊力相同的情況下，圓錐收斂型噴嘴有效打擊靶距較普通噴嘴提高了30%左右。

圖5 不同距離下射流打擊力曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 超高壓水力割縫參數(shù)選擇

針對(duì)試驗(yàn)區(qū)域煤層情況，考慮煤層硬度較大，選擇割縫壓力95～100MPa，割縫時(shí)間8～12min，割縫間距選擇1m一刀。割縫方式為煤層硬度小于1.5時(shí)選擇普通旋轉(zhuǎn)割縫，在煤層硬度大于1.5時(shí)為保證割縫效果采用定點(diǎn)沖擊割縫，其具體流程為：鉆桿先在鉆孔內(nèi)不旋轉(zhuǎn)定點(diǎn)沖擊破煤，單次沖擊時(shí)間為1～3min，然后通過(guò)鉆桿標(biāo)記的方法，將鉆桿旋轉(zhuǎn)45°～90°，繼續(xù)定點(diǎn)沖擊破煤，鉆孔內(nèi)定點(diǎn)沖擊4～6次后再旋轉(zhuǎn)割縫。普通割縫和堅(jiān)硬煤層定點(diǎn)割縫參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 割縫參數(shù)

4.2 超高壓水力割縫鉆孔布置

在趙固二礦西運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)施工30組試驗(yàn)孔進(jìn)行超高壓水力割縫，10組對(duì)比鉆孔不進(jìn)行超高壓水力割縫，每組各布置15個(gè)穿層鉆孔，每組鉆孔終孔間距按5m布置，列間距4m，組間距8m，鉆孔長(zhǎng)度：18～51m；鉆孔角度：19°～89°，煤孔段長(zhǎng)度：6.5～17.5m，平均每米煤孔段割縫一刀。鉆孔布置如圖6所示。

圖6 鉆孔布置方式

4.3 割縫效果分析

4.3.1 割縫出煤量統(tǒng)計(jì)分析

G225組鉆孔割縫情況見(jiàn)表3。由表3可得，15個(gè)割縫鉆孔平均孔出煤0.79t，平均每刀出煤0.18t。

表3 G225組鉆孔割縫情況

此處用單刀出煤量反算等效割縫半徑如下：

M=π×r2×h×K×γ

(1)

式中，M為割縫后排出煤屑量，t；K為不均勻系數(shù)，由于煤質(zhì)不均勻性，粉煤部分溶于水無(wú)法收集，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為0.8～0.95，此處取0.8；r為割縫后縫隙的等效半徑，m；h為割縫后縫隙的寬度m，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按2～5cm計(jì)算；γ為煤的容重，γ=1.45t/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=0.18t的條件下，割縫后形成縫槽半徑：r=0.99～1.57m。

4.3.2 瓦斯自排量統(tǒng)計(jì)分析

割縫組鉆孔與對(duì)比組鉆孔每次鉆孔施工完畢后，24h內(nèi)下抽放管并通過(guò)連接煤氣表，測(cè)定鉆孔自然狀態(tài)下瓦斯自排量情況，結(jié)果如圖7所示，其中，G225、G226組為割縫鉆孔，D222、D229組為對(duì)比鉆孔。

圖7 割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔瓦斯自排量變化曲線

從圖7中可以看出，割縫組鉆孔瓦斯自排量最大為0.127m3/min，最小為0.003m3/min，平均為0.034m3/min，對(duì)比組鉆孔瓦斯自排量最大為0.026m3/min，最小為0，平均為0.003m3/min，割縫組鉆孔單孔平均瓦斯自排量為對(duì)比組的11.3倍。

4.3.3 鉆孔瓦斯抽采效果對(duì)比分析

G225、G226組割縫與D222、D229組對(duì)比鉆孔在接抽時(shí)間內(nèi)抽采純量變化曲線如圖8所示，從圖8中可以看出，割縫組孔在接抽時(shí)間內(nèi)單組抽采純量最大為0.09m3/min，最小為0.042m3/min，平均為0.055m3/min。對(duì)比組孔在接抽時(shí)間內(nèi)單組抽采純量最大為0.044m3/min，最小為0.009m3/min，平均為0.016m3/min?？傻贸銎骄椴杉兞扛羁p組孔是對(duì)比組孔的3.44倍。

圖8 割縫組與對(duì)比組鉆孔抽采純量變化曲線

4.3.4 抽采有效半徑對(duì)比分析

在鉆孔連續(xù)接抽150d后，分別在割縫鉆孔G225、G226以及對(duì)比鉆孔D222、D229位置取樣，測(cè)定殘余瓦斯含量。通過(guò)實(shí)測(cè)得出：割縫鉆孔在抽采30d、90d、150d的抽采半徑分別為0.91m、1.51m和1.91m，對(duì)比鉆孔抽采30d、90d、150d的抽采半徑分別為0.50m、0.81m和0.99m，割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔抽采有效半徑變化曲線如圖9所示。割縫鉆孔抽采半徑較對(duì)比鉆孔增加90%左右。說(shuō)明采用超高壓水力割縫技術(shù)能夠有效的減少鉆孔數(shù)量，縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，提高鉆孔抽采效率。

圖9 割縫鉆孔與對(duì)比鉆孔抽采有效半徑變化曲線

針對(duì)趙固二礦煤層堅(jiān)硬的特點(diǎn)，研制了針對(duì)堅(jiān)硬煤層割縫的圓錐收斂型噴嘴，進(jìn)一步提高了超高壓水力割縫設(shè)備對(duì)堅(jiān)硬煤層的切割能力，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，煤層割縫后，鉆孔瓦斯抽采流量、抽采半徑均得到提升，超高壓水力割縫技術(shù)對(duì)趙固二礦堅(jiān)硬煤層也能起到明顯的卸壓增透效果。

5 結(jié) 論

1)分析了圓錐收斂型噴嘴合理的收斂角為13°～15°，據(jù)此研制了新型圓錐收斂型噴嘴，新型噴嘴更有利于射流集聚，打擊力更強(qiáng)，新型圓錐收斂型噴在不同距離下射流打擊力明顯優(yōu)于原普通噴嘴。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，針對(duì)堅(jiān)硬煤層采用超高壓水力割縫后，單刀出煤量在0.18t左右，等效割縫半徑0.99～1.57m，割縫后瓦斯自排量是普通鉆孔的11.3倍，鉆孔瓦斯抽采純量增加了3.8倍，鉆孔抽采有效半徑較普通鉆孔增加了90%左右，說(shuō)明針對(duì)堅(jiān)硬煤層條件，超高壓水力割縫技術(shù)能有效的增加鉆孔瓦斯抽采效果，減少鉆孔工程量。