武國勝，武澤銘，潘鵬飛，徐云輝

(鐵福來裝備制造集團(tuán)股份有限公司，河南 平頂山 467400)

煤炭是植物殘骸在經(jīng)過漫長復(fù)雜的地質(zhì)沉積變化作用后形成的化石燃料。煤炭在我國的能源體系結(jié)構(gòu)中長期占據(jù)著主導(dǎo)的地位，預(yù)計(jì)到2050年，煤炭產(chǎn)量將保持在30億t，煤炭資源的安全開采對保障我國的能源安全有著重要的作用[1]。

煤炭在形成過程中經(jīng)歷復(fù)雜化學(xué)變化外，還普遍受到構(gòu)造應(yīng)力的影響，導(dǎo)致原生結(jié)構(gòu)被破壞，形成質(zhì)地高度粉化的構(gòu)造煤。在我國的煤炭資源中，已經(jīng)探明的構(gòu)造煤保有儲量為4 570億t左右，約占煤炭資源總量的23.5%[2]。構(gòu)造煤廣泛存在于我國的河南、兩淮、山西、東北、云貴等多個礦區(qū)，呈現(xiàn)出區(qū)域性分布、局部分布及分層分布的特點(diǎn)。

構(gòu)造煤具有結(jié)構(gòu)高瓦斯、透氣性差、瓦斯含量高的特點(diǎn)，煤層瓦斯抽采困難，煤與瓦斯突出危險大。近年來，隨著煤礦開采深度的增加，煤層地應(yīng)力和瓦斯壓力不斷增加，導(dǎo)致煤層滲透性降低，瓦斯抽采困難，瓦斯災(zāi)害潛能增大。由于構(gòu)造煤中的瓦斯難以被有效抽出，在采動應(yīng)力的擾動下，瓦斯能產(chǎn)生突發(fā)性釋放，極易導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，世界上絕大多數(shù)煤與瓦斯突出事故的發(fā)生都與構(gòu)造煤的存在密不可分[3]。因此，對構(gòu)造煤中瓦斯進(jìn)行高效抽采，促進(jìn)煤層增透，是實(shí)現(xiàn)煤炭能源安全利用的重要途徑。

1 高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透理論

對于煤層卸荷增透，最常用的有效技術(shù)手段為保護(hù)層開采。但是對于不具備保護(hù)層開采條件的煤層而言，井下瓦斯抽采的其他措施主要為水力壓裂、水力割縫、CO2深孔爆破、水力沖孔和鉆孔全程下PVC篩管技術(shù)等[4]。這些技術(shù)都在一定程度上提高了煤層瓦斯抽采效果，但隨著采深增大、地應(yīng)力逐漸增加，以卸地應(yīng)力為主的水力造穴技術(shù)取得了更顯著的增透效果。

水力造穴技術(shù)主要為在煤層中施工穿層或者順層鉆孔，然后采用高壓水射流對孔壁周圍煤體進(jìn)行沖擊破碎，破碎煤體從孔壁脫落后，形成大的孔洞，鉆孔孔徑顯著擴(kuò)大后，造成煤層較大范圍內(nèi)應(yīng)力釋放[5]。實(shí)踐表明，擴(kuò)大煤層塑性損傷范圍，促進(jìn)孔洞周圍煤體的應(yīng)力釋放，有利于煤體膨脹變形和運(yùn)移破碎，實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤體的高效卸荷增透[6-7]。

造穴后煤體可以達(dá)到較好的增透效果，這是因?yàn)楫?dāng)煤層受到采動或者鉆孔抽采的影響，在煤層和煤壁之間壓差和濃度差的作用下，煤層內(nèi)的吸附瓦斯和游離瓦斯會同時分別以Fick擴(kuò)散和Darcy滲流的形式向煤壁運(yùn)移，與此同時，孔隙系統(tǒng)和裂隙系統(tǒng)之間將發(fā)生質(zhì)量交換。對于孔隙系統(tǒng)是流出，對于裂隙系統(tǒng)是流入，孔隙系統(tǒng)相當(dāng)于是裂隙系統(tǒng)均勻分布的內(nèi)質(zhì)量源，增透機(jī)理如圖1所示。

圖1 煤中瓦斯運(yùn)移過程Fig.1 Gas migration process in coal

決定煤中瓦斯在裂隙系統(tǒng)內(nèi)流動的關(guān)鍵因素為裂隙的開度和裂隙數(shù)量，宏觀上表現(xiàn)為煤體的滲透率。因此，促進(jìn)煤體中瓦斯的抽出的關(guān)鍵在于提高煤體的滲透率。根據(jù)煤體在全應(yīng)力應(yīng)變下的力學(xué)滲透特征可知，當(dāng)煤體進(jìn)入峰后塑性卸壓階段時，煤體內(nèi)部裂隙大量發(fā)育，煤體所受有效應(yīng)力下降，裂隙開度增加，滲透率大幅增加[8]。煤體滲透率在全應(yīng)力應(yīng)變中的發(fā)展變化滿足如下關(guān)系式[9]：

(1)

式中，k0為煤體初始滲透率；bσ為煤體的裂隙壓縮系數(shù)；θ為煤體所受的體積應(yīng)力，θ=σ1+σ2+σ3；γp為煤體的等效塑性應(yīng)變；γp*為應(yīng)變軟化階段終點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變；ξ為滲透率突變系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果確定。

從式(1)中可以看出，煤體滲透率的增加與煤體所處塑性狀態(tài)密切相關(guān)。因此，促使煤體進(jìn)入峰后塑性卸壓狀態(tài)是提高煤體滲透率的根本途徑。

當(dāng)鉆孔施工后，鉆孔周圍煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生擾動，部分煤體在集中應(yīng)力的作用下發(fā)生塑性屈服破壞，最終進(jìn)入峰后塑性卸壓狀態(tài)。鉆孔周圍煤體可分為彈性區(qū)、峰后塑性區(qū)和峰后破碎區(qū)[10]。在峰后塑性區(qū)內(nèi)，由于煤體結(jié)構(gòu)被破壞，煤的應(yīng)力開始顯著降低，并在此過程中產(chǎn)生大量新生裂隙，滲透率發(fā)生突變。在峰后破裂區(qū)，裂隙持續(xù)發(fā)育，應(yīng)力完全釋放，小于原始地應(yīng)力。鉆孔周圍煤體所處峰后破碎區(qū)的半徑計(jì)算見式(2)[11]：

(2)

式中，a為鉆孔的直徑；c為煤體的黏聚力；φ為煤體內(nèi)摩擦角；P0為原始地應(yīng)力。

對于特定煤層而言，煤體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和原始地應(yīng)力是不變的，提高煤體塑性卸壓區(qū)的有效途徑為增大鉆孔的直徑，因此，采用水力沖孔方式擴(kuò)大鉆孔的直徑，能夠使更大范圍內(nèi)的煤體處于峰后塑性卸壓狀態(tài)，煤體滲透率大幅提高。

2 高瓦斯低透氣性煤層卸荷增透技術(shù)裝備

2.1 國內(nèi)外主要技術(shù)裝備發(fā)展

水力沖孔技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用最早可追溯到20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)、波蘭等國家和我國東北的北票、華中的焦作、西南的南桐等煤礦在煤與瓦斯突出較為嚴(yán)重的區(qū)域作為煤巷掘進(jìn)以及石門揭煤的一種防突新技術(shù)應(yīng)用[12-13]。2000年以后，我國一些礦區(qū)陸續(xù)開始使用水力沖孔技術(shù)，主要在煤礦井下高瓦斯突出煤層的瓦斯抽采中應(yīng)用水力沖孔作為快速有效的瓦斯抽采消突技術(shù)。

水力沖孔技術(shù)在國內(nèi)開始應(yīng)用以來，所用設(shè)備經(jīng)歷了一系列的發(fā)展演變。早期的設(shè)備集成化程度較低，操作不便，作業(yè)危險性較大。2004年在焦作九里山煤礦進(jìn)行的水力沖孔作業(yè)[14]，主要采用了高壓無縫鋼管將高壓水泵和水槍連接，水槍布置固定在距離煤壁前方0.5 m處，待進(jìn)行水力沖孔作業(yè)時，掘進(jìn)工作面的工作人員都撤離到避難硐室，然后開啟高壓水泵進(jìn)行沖孔作業(yè)。該方法工藝較為落后，沖孔過程中水槍在煤體外部，移動難度較大，安全性、可控性差。為方便作業(yè)，對設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，水力沖孔裝備及工藝有所提升和完善，如圖2所示。該工藝改變了以往直接在煤體外固定高壓水槍進(jìn)行沖孔施工的方式，設(shè)備集成化程度有所提高，通過鉆機(jī)推送鉆桿的方式實(shí)現(xiàn)了沖孔可控，防噴裝置的使用提高了操作人員的安全性。

圖2 改進(jìn)后的水力沖孔裝備示意Fig.2 Schematic diagram of improved hydraulic punching equipment

雖然改進(jìn)后的水力沖孔裝備與最初的裝備相比，有了顯著的提升，但是設(shè)備集成度較低，作業(yè)仍然較為繁瑣，難度較大，施工方式不夠便捷，存在一定的安全作業(yè)風(fēng)險。導(dǎo)致水力沖孔技術(shù)在國內(nèi)高突礦井中難以大規(guī)模開展應(yīng)用。

在此背景下，河南鐵福來裝備制造集團(tuán)股份有限公司聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)等科研院所進(jìn)行了長期的裝備研發(fā)與技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過多年的探索試驗(yàn)，研發(fā)出了針對高瓦斯突出煤層的造穴卸壓增透一體化系列成套裝備[15]。該裝備在我國的河南、山西、陜西、山東、內(nèi)蒙古、貴州、兩淮以及東北等礦區(qū)大范圍推廣應(yīng)用，取得了良好的瓦斯增透效果。

2.2 水力造穴裝備特點(diǎn)

針對現(xiàn)有煤礦井下沖孔設(shè)備存在的問題，河南鐵福來裝備制造集團(tuán)股份有限公司研發(fā)出了適用于煤礦井下的履帶式水力鉆沖一體化集成設(shè)備，且實(shí)現(xiàn)了履帶式聯(lián)動行走。水力鉆沖一體化裝備高度集成了打鉆、水力造穴、孔口防噴等功能，配套高壓水泵站及密封鉆桿，使得造穴水壓力達(dá)到20 MPa以上，大幅提高了破煤造穴效果，破煤效率和造穴半徑均達(dá)到了較為理想的狀態(tài)，迅速推動了水力造穴卸壓增透技術(shù)在高瓦斯礦井中的應(yīng)用，取得了優(yōu)異的瓦斯治理效果和經(jīng)濟(jì)效益，廣受煤炭企業(yè)好評。 另外，為了解決高壓水射流在沖孔造穴方面存在的效率低、成孔質(zhì)量難以保證以及煤質(zhì)變硬時擴(kuò)孔失效的問題，鐵福來公司通過聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)出了煤層機(jī)械擴(kuò)孔一體化裝備[5]。該裝備應(yīng)用機(jī)械刀具輔助高壓水射流破煤技術(shù)，利用機(jī)械破煤的高效率彌補(bǔ)水力破煤的缺點(diǎn)，并且保留了水力破煤的優(yōu)勢。相比于原來單一高壓水射流擴(kuò)孔在效率上和距離上都有了顯著提高。其技術(shù)裝備如圖3所示。

圖3 煤層機(jī)械擴(kuò)孔一體化裝備Fig.3 Coal seam mechanical reaming integrated equipment

在鉆進(jìn)過程中，擴(kuò)孔刀具閉合在裝置上的刀槽中，進(jìn)行擴(kuò)孔時提高供水壓力，當(dāng)水壓達(dá)到2 MPa時，低壓水流通道閉合，高壓水只流入刀具內(nèi)流道，刀具逐漸打開。隨著刀具周圍的煤體被截割沖刷后孔洞增大，直到刀具完全打開，在鉆桿推進(jìn)力作用下旋轉(zhuǎn)的刀具將煤體割下，同時與水射流聯(lián)合破煤擴(kuò)孔。整個過程僅通過改變水壓即可完成，形成鉆進(jìn)、機(jī)械擴(kuò)孔和水力擴(kuò)孔一體化。

3 水力造穴技術(shù)裝備應(yīng)用效果

3.1 水力造穴裝備應(yīng)用效果

3.1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

陽泉礦區(qū)煤層賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是我國地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重礦區(qū)的典型代表，煤層賦存特征為煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大、煤質(zhì)極高瓦斯煤層透氣性低。

試驗(yàn)地點(diǎn)寺家莊礦北翼輔助運(yùn)輸大巷，在巷道的施工過程中，由于15號煤層的起伏，需要進(jìn)行石門揭煤。揭煤區(qū)域全長220 m，寺家莊礦北翼輔助運(yùn)輸巷剖面如圖4所示。該區(qū)域15號煤層的瓦斯含量最大值為10.38 m3/t，瓦斯壓力最大值約為1.0 MPa，煤層透氣性系數(shù)低至0.973 m2/(MPa2·d-1)，堅(jiān)固性系數(shù)最低僅為0.15。

圖4 寺家莊礦北翼輔助運(yùn)輸巷剖面Fig.4 Section of auxiliary transport roadway in north wing of Sijiazhuang Mine

3.1.2 水力沖孔造穴鉆孔設(shè)計(jì)

在北翼輔助運(yùn)輸巷的施工過程中，沿著巷道的施工方向布置了普鉆區(qū)和造穴區(qū)。

在揭煤前50 m區(qū)域采用鉆孔間距為5 m的普通穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，該區(qū)域長度為65 m，共布置14 排瓦斯抽采鉆孔，每排鉆孔含9組瓦斯抽采鉆孔，巷道兩側(cè)控制范圍分別為20 m和15 m。普鉆區(qū)鉆孔平剖面如圖5(a)所示。

造穴區(qū)長50 m，巷道兩側(cè)控制范圍分別為20 m和15 m。該區(qū)域布置15—25號共11排鉆孔，鉆孔排距為5 m。在奇數(shù)排中，施工1號、3號、5號、7號、9號鉆孔進(jìn)行水力沖孔，在偶數(shù)排中施工2號、4號、6號、8號鉆孔進(jìn)行水力沖孔。造穴區(qū)鉆孔布置平剖面如圖5(b)所示。

圖5 普鉆區(qū)/造穴區(qū)鉆孔布置平剖面Fig.5 Plan section of drilling layout in general drilling area/cavitation area

3.1.3 水力沖孔造穴效果

對水力沖孔作業(yè)過程中的沖孔時間、沖孔水壓和出煤量進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，水力沖孔造穴施工過程中所用的水壓為18 MPa左右，單孔的沖孔造穴時間為70～290 min，單孔出煤量為6～19 t，單孔沖孔造穴半徑平均為0.65 m。

在普鉆區(qū)和造穴區(qū)120 d的瓦斯抽采過程中計(jì)量所得的瓦斯抽采數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6中可以看出，在寺家莊礦15號煤層的瓦斯抽采過程，造穴區(qū)的瓦斯抽采濃度平均可達(dá)50%，普鉆區(qū)瓦斯抽采濃度平均25%，瓦斯抽采濃度提高約2倍；修正后造穴區(qū)的瓦斯抽采純量平均可達(dá)0.52 m3/min，普鉆區(qū)瓦斯抽采純量平均為0.23 m3/min，造穴區(qū)的瓦斯抽采純量約為普鉆區(qū)的2.3 倍。普鉆區(qū)經(jīng)過5個月的瓦斯抽采，共抽采瓦斯44 800 m3；造穴區(qū)經(jīng)過4個月的瓦斯抽采，共抽采瓦斯83 600 m3，約為普鉆區(qū)瓦斯抽采量的2.2倍。

圖6 普鉆區(qū)和水力沖孔造穴區(qū)瓦斯抽采數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of gas extraction data between general drilling area and hydraulic punching cavitation area

3.2 機(jī)械造穴一體化裝備應(yīng)用效果

3.2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)選擇在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦的戊9-10-21070運(yùn)輸巷高位巷中開展，對戊9-10-21070運(yùn)輸巷掘進(jìn)前進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽。戊9-10煤層厚度3.0～4.5 m，平均厚度4.3 m，厚度較為穩(wěn)定。該煤層在歷史上共發(fā)生煤與瓦斯突出事故15次。試驗(yàn)區(qū)煤層原始瓦斯含量最高為10.66 m3/t，瓦斯壓力最高為1.7 MPa，煤層滲透率0.001 8×10-3μm2，煤與瓦斯突出危險性較高。

3.2.2 機(jī)械造穴鉆孔設(shè)計(jì)

在戊9-10-21070運(yùn)輸巷高位巷中進(jìn)行下向孔施工，鉆孔設(shè)計(jì)孔深13～46 m，孔徑89 mm，每6 m一組，每組7個鉆孔。相比于普通鉆孔，機(jī)械造穴鉆孔的數(shù)量下降了50%，每組鉆孔分兩列交叉分布，鉆孔分別控制到戊9-10-21070運(yùn)輸巷上幫輪廓線和下幫輪廓線外各15 m范圍，水力機(jī)械造穴鉆孔設(shè)計(jì)布置如圖7所示。

3.2.3 機(jī)械造穴瓦斯抽采效果

戊9-10-21070運(yùn)輸巷高位巷下向孔造穴共施工造穴鉆孔343個，施工造穴孔過程中的出煤量平均達(dá)到0.36 t/m，鉆孔半徑達(dá)到0.3 m以上。抽采負(fù)壓為13 kPa時，抽采30 d的有效抽采半徑為2.5 m；抽采90 d的有效抽采半徑為3.5 m；抽采180 d的有效抽采半徑為4 m。煤層滲透率從0.001 8×10-3μm2提高到0.043 1×10-3μm2，煤層滲透率提高了23.9倍。

為了考察對比水力機(jī)械造穴鉆孔的瓦斯抽采效果，在水力機(jī)械造穴的相同地點(diǎn)附近同時施工了相同設(shè)計(jì)參數(shù)的普通鉆孔作為對比。在抽采周期內(nèi)造穴鉆孔和普通鉆孔的瓦斯?jié)舛群桶倜淄咚辜兞髁咳鐖D8所示。

圖7 水力機(jī)械造穴區(qū)鉆孔布置平剖面Fig.7 Horizontal section of drilling layout in hydraulic machinery cavitation area

圖8 造穴鉆孔和普通鉆孔瓦斯抽采情況Fig.8 Gas extraction from cavitation holes and ordinary holes

對比2組鉆孔的瓦斯抽采濃度可以看出，造穴鉆孔的初始濃度達(dá)到了90%，之后隨著抽采的持續(xù)逐漸降低，而普通鉆孔的初始濃度為52%，并逐漸上升到最大濃度58%后逐漸下降。隨著抽采時間的延長，造穴鉆孔的瓦斯?jié)舛染S持在30%以上的高濃度抽采天數(shù)提高了123.5%。

2組鉆孔的百米瓦斯純量大小差別明顯，造穴孔和普通孔初始百米瓦斯純量分別為2.10、0.36 m3/min，造穴使得鉆孔的初始百米瓦斯純量提高了5.8倍。抽采90 d后造穴鉆孔的瓦斯抽采純量是第1組鉆孔的3.1倍。并且隨著抽采時間的延長，造穴鉆孔的百米瓦斯純量始終大于普通鉆孔。

4 結(jié)論

(1)水力沖孔造穴技術(shù)可以有效沖出高瓦斯煤層中的煤體，形成較大尺寸的孔洞，促進(jìn)孔洞周圍煤體的應(yīng)力釋放，促使鉆孔周圍更大范圍的煤體處于峰后塑性卸壓狀態(tài)，煤層滲透率大幅提高，是實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤層卸荷增透的有效手段。

(2)鐵福來公司生產(chǎn)的煤層水力鉆沖一體化裝備和煤層機(jī)械擴(kuò)孔一體化裝備集成度高，履帶式行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了裝備在井底的自由移動。水力與機(jī)械刀具的結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)本煤層、上向穿層鉆孔、下向穿層鉆孔等多種形式的機(jī)械擴(kuò)孔造穴施工。

(3)典型應(yīng)用礦井的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，經(jīng)過水力沖孔造穴以后，煤層的滲透率可提高23.9倍以上，鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量均在普通鉆孔的2倍以上，且可以維持長時間的高濃度瓦斯抽采，取得了良好的煤層卸壓增透效果。