龐 濤 ,姜在炳 ,杜天林 ,李浩哲 ,周加佳 ,劉 偉
(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077;3.中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司 吐哈鉆井公司,新疆 鄯善 838200)
碎軟低滲煤層發(fā)育區(qū)的煤礦往往為高瓦斯、突出礦井,煤層層理紊亂、煤質(zhì)松軟、滲透性差,瓦斯壓力大、含量高,鉆孔抽采瓦斯是這類礦井治理瓦斯災(zāi)害的主要手段之一,但單孔抽采效率低、鉆孔工程量大、抽采周期長(zhǎng),嚴(yán)重制約著煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)[1-3]。為提高碎軟煤瓦斯抽采效率,相關(guān)學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工作者研究和實(shí)踐了深孔松動(dòng)爆破[4-6]、水力割縫[7-9]、水力沖孔[10-11]、CO2松動(dòng)爆破[12]、水力擠出[13]、水力壓裂[14-15]等卸壓增透措施,其中,水力沖孔造穴技術(shù)效果顯著、工具簡(jiǎn)單可靠、便于實(shí)施,已廣泛應(yīng)用于碎軟煤瓦斯抽采工程中。水力沖孔造穴[16]是指借助鉆孔深入煤體內(nèi)部,采用高壓水射流將鉆孔周圍的煤體及瓦斯沖出,形成直徑較大的洞室,在煤中形成一定卸壓排放瓦斯區(qū)域,增加煤層滲透率,提升瓦斯抽采效率[17]。但該技術(shù)受鉆具剛性限制,噴射水流的沖擊力隨噴射距離增大而減小,單孔抽采半徑雖大于常規(guī)鉆孔抽采半徑,但范圍仍然較小,如能夠成倍增加沖孔洞穴半徑,則能夠大大增加單孔抽采范圍,提高抽采效率,減少鉆孔工程量。針對(duì)這一現(xiàn)狀,提出碎軟煤穿層鉆孔多方位極小半徑?jīng)_孔抽采瓦斯技術(shù),闡述了其技術(shù)設(shè)想,進(jìn)行了工具設(shè)計(jì)和試制,通過(guò)開展地面模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行功能設(shè)想驗(yàn)證;以期提高碎軟煤瓦斯抽采孔單孔抽采效率,為碎軟煤發(fā)育區(qū)礦井瓦斯防治提供新技術(shù)思路。
根據(jù)水射流理論與技術(shù)[18],噴嘴外射流流速區(qū)分為起始段和基本段,起始段軸心速度保持初始速度,基本段軸心速度逐漸小于初始速度,隨著射流距離的增加射流的動(dòng)能逐漸減小。提高射流動(dòng)能的方法主要有提升射流壓力和縮短射流距離2 種。多年來(lái)行業(yè)工作者一直致力于提高射流壓力[19-20],井下高壓泵工作壓力已達(dá)100 MPa,對(duì)設(shè)備的要求越來(lái)越高,設(shè)備大型化、復(fù)雜化,施工安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大;對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),隨著沖孔洞穴(割縫長(zhǎng)度)的增大,射流距離也隨著增大,射流對(duì)煤壁的沖擊力減小,洞穴半徑相對(duì)有限。為了增加或者保持射流對(duì)煤壁的沖擊力,不再依靠不斷提升泵壓,而是研發(fā)一種特殊鉆具組合,沖孔(割縫)割縫的過(guò)程中可以通過(guò)持續(xù)移動(dòng)鉆具縮短或保持噴嘴與煤壁的距離,從而保持射流的沖擊力,這樣便能夠在較小的泵壓下增加沖孔造穴(割縫)范圍,同時(shí)鉆具可通過(guò)孔口進(jìn)行控制,完成1 個(gè)方位的極小半徑?jīng)_孔造穴后還可以進(jìn)行第2、第3 個(gè)方位的沖孔造穴,最終使1 個(gè)主鉆孔在煤層中能夠形成多個(gè)方位的極小半徑分支孔,解決單孔抽采范圍小的問(wèn)題。多方位極小半徑?jīng)_孔技術(shù)設(shè)想如圖1。
圖1 多方位極小半徑?jīng)_孔技術(shù)設(shè)想Fig.1 Multi-azimuth minimal radius punching technology assumption
1.2.1 固定方位極小半徑?jīng)_孔工藝原理
采用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)穿層孔巖孔段,見煤后起出鉆具,將一定長(zhǎng)度的固定方向彎曲鉆具安裝在鉆具前端,最前端安裝水力沖擊噴頭。固定方向彎曲鉆具自然狀態(tài)下呈極小半徑彎曲狀,具有一定彈力,在受到彎曲方向反方向的力時(shí)鉆具呈直線狀,入孔時(shí)在巖孔段圓形孔壁的限制下鉆具呈直線狀,下入至孔底后,噴頭接觸到煤壁,開泵沖擊煤壁,在噴頭端煤層中形成洞穴,由于洞穴直徑會(huì)大于巖孔段孔徑,鉆具前段會(huì)在彈性力作用下恢復(fù)彎曲狀,同時(shí)鉆具受前端煤壁的阻擋和孔口鉆機(jī)的推力,鉆具在鉆孔中會(huì)產(chǎn)生彎曲的力,在鉆具前端噴頭不斷地沖擊成孔作用下形成與鉆具彎曲形態(tài)相近的極小半徑分支鉆孔,整個(gè)沖孔過(guò)程中鉆具不旋轉(zhuǎn),依靠噴頭噴射成孔。
1.2.2 多方位極小半徑?jīng)_孔工藝原理
固定方向彎曲鉆具入孔時(shí)可在鉆具孔口端標(biāo)注鉆具的彎曲方向,連接常規(guī)鉆具時(shí)連接好后每根鉆桿都對(duì)應(yīng)標(biāo)注點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注,這樣鉆具下入孔底后就可以從孔口標(biāo)注點(diǎn)獲取孔底鉆具的彎曲方向,也即極小半徑分支孔的方位。完成1 個(gè)極小半徑分支孔的沖孔造穴后回撤鉆具,保證鉆具進(jìn)入巖孔的直孔段,這樣即可以通過(guò)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)調(diào)整固定方向彎曲鉆具的彎曲方向,之后再推送鉆具進(jìn)入孔底,由于第1 個(gè)分支孔為極小半徑分支孔,而再入的固定方向彎曲鉆具彎曲方向與第1個(gè)分支孔的方向不一致,不能進(jìn)入第1 個(gè)極小半徑分支孔內(nèi),而會(huì)頂在孔壁上,與第1 個(gè)分支孔成孔類似,鉆具受彈性力和推送力作用發(fā)生向另1 個(gè)方向的彎曲,在噴頭沖擊成孔的作用下,形成第2 個(gè)方位的極小半徑分支孔,以此類推,形成多個(gè)方位的極小半徑分支孔。徑向沖孔工藝流程如圖2。
圖2 徑向沖孔工藝流程Fig.2 Radial punching process flow chart
常規(guī)鉆具難以實(shí)現(xiàn)極小半徑彎曲,為了實(shí)現(xiàn)固定方向的極小半徑彎曲,設(shè)計(jì)出了固定方向彎曲短節(jié),多個(gè)固定方向彎曲短節(jié)按同一方向進(jìn)行連接,形成可固定方向彎曲的鉆具,固定彎曲短節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖3。
圖3 固定彎曲短節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Fixed bending sub structure drawing
固定方向彎曲短節(jié)由座節(jié)、活動(dòng)頭、固定環(huán)、定位銷、彈簧、密封圈組裝而成?;顒?dòng)頭固定在座節(jié)內(nèi),通過(guò)球面相切合,通過(guò)對(duì)稱的4 個(gè)銷釘固定,活動(dòng)頭能夠在2 個(gè)方向發(fā)生3°的轉(zhuǎn)動(dòng),活動(dòng)頭上部安裝固定環(huán),固定環(huán)內(nèi)側(cè)空間為向一側(cè)偏移的非同心柱狀圓環(huán),套在活動(dòng)頭上部能夠限制活動(dòng)頭的旋轉(zhuǎn)方向,使活動(dòng)頭只能向一側(cè)發(fā)生旋轉(zhuǎn),同時(shí)在座節(jié)側(cè)壁活動(dòng)頭旋轉(zhuǎn)方向反方向設(shè)置彈簧,通過(guò)彈力推靠活動(dòng)頭向固定一側(cè)旋轉(zhuǎn),固定方向彎曲短節(jié)之間通過(guò)銷釘相連接,以保證鉆具的整體彎曲方向,各部件連接處安裝有密封圈,以保證整體的耐壓性。
1)座節(jié)。座節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4。整體為中空的結(jié)構(gòu),具有22 mm 的過(guò)液孔,中部設(shè)置成半徑為27 mm的半圓凹球面,凹球面上部設(shè)置4 個(gè)銷釘孔,上部為柱狀內(nèi)孔空間,設(shè)置有螺紋,且有定位的銷釘孔,下部也設(shè)置成柱狀內(nèi)空空間,設(shè)置有銷釘孔,用于與其它短節(jié)的連接,座節(jié)上部留有彈簧孔,可安裝彈簧推靠活動(dòng)頭的柄部。
圖4 座節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of seat joint
2)活動(dòng)頭?;顒?dòng)頭結(jié)構(gòu)如圖5?;顒?dòng)頭一端大體為具有內(nèi)通孔的球狀體,球狀體半徑為27 mm,設(shè)置有4 個(gè)定位凹槽,其中對(duì)稱的2 個(gè)凹槽為圓柱狀內(nèi)孔,活動(dòng)頭可以以這2 個(gè)孔的軸線為轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),另外的對(duì)稱的2 個(gè)凹槽為長(zhǎng)條形內(nèi)孔,圓形銷釘可在長(zhǎng)條形內(nèi)孔內(nèi)活動(dòng)?;顒?dòng)頭安裝在座節(jié)上時(shí),活動(dòng)頭下端的球面與座節(jié)內(nèi)的球面相配合,在密封圈的作用下發(fā)生密封旋轉(zhuǎn),以對(duì)稱的2 個(gè)銷釘為軸進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn),另外對(duì)稱的2 個(gè)銷釘對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行限位,使活動(dòng)頭相對(duì)于坐節(jié)能夠進(jìn)行2 個(gè)方向各3°的旋轉(zhuǎn)。
圖5 活動(dòng)頭結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Movable head structure drawing
3)固定環(huán)。固定環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6。固定環(huán)下部開口整體呈圓穹狀,圓弧面與活動(dòng)頭球頭相切合,上部一側(cè)開口較大,開口中心線向一側(cè)偏移,偏移角度為3°,下部設(shè)置為內(nèi)圓弧面,用于與坐節(jié)的半圓柱狀凹槽相配合,將活動(dòng)頭的球狀部位固定在坐節(jié)內(nèi),上部設(shè)置有定位孔,以保證內(nèi)部空間偏移方向與活動(dòng)頭相一致。
圖6 固定環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Fixed ring structure diagram
為了適配已有井下鉆機(jī),將固定彎曲方向鉆具外徑設(shè)計(jì)為73 mm,假設(shè)所需分支鉆孔彎曲半徑為3 m,固定彎曲方向鉆具單節(jié)彎曲半徑為3°,則彎曲90°需連接30 節(jié)固定彎曲方向的短節(jié),則短節(jié)長(zhǎng)度l為157 mm。
式中:l為固定彎曲方向的短節(jié)長(zhǎng)度,m;r為固定彎曲方向鉆具的彎曲半徑,m。
根據(jù)設(shè)想思路及參數(shù)進(jìn)行工具試制,多方位沖孔鉆具沖孔時(shí)鉆具不旋轉(zhuǎn),依靠噴頭的水力噴射鉆進(jìn),鎖具主要承受拉力內(nèi)液體內(nèi)壓力,為了掌握鉆具性能,對(duì)鉆具進(jìn)了抗拉試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)。
1)工具抗拉試驗(yàn)。為了保證多個(gè)固定彎曲短節(jié)彎曲方向一致,短節(jié)之間采用銷釘連接,鉆具施工過(guò)程中不轉(zhuǎn)動(dòng),僅承受拉力,所以需對(duì)短節(jié)的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,抗拉測(cè)試曲線如圖7。由圖7 可以看出:當(dāng)拉力為65 kN 時(shí),連接銷釘出現(xiàn)剪切破壞,也即鉆具的抗拉極限強(qiáng)度為65 kN。
圖7 鉆具抗拉測(cè)試曲線Fig.7 Tensile testing curve of drilling tools
2)耐壓試驗(yàn)。由于多方位水力沖孔鉆具不旋轉(zhuǎn),依靠噴頭的水力沖擊煤壁成孔,對(duì)水壓有一定要求,鉆具需承受一定內(nèi)壓力,采用堵頭將連接好的鉆具一端堵住,采用高壓泵對(duì)另一端進(jìn)行打壓,當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa 時(shí)關(guān)閉打壓閥門,觀測(cè)壓力表數(shù)據(jù),可以看出1 h 無(wú)壓降,鉆具可承受10 MPa 的內(nèi)壓。
為驗(yàn)證多方位徑向水力沖孔技術(shù)的可行性,進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn),試驗(yàn)采用黃土崖模擬巷道壁面,采用ZDY3200S 型全液壓坑道鉆機(jī),常規(guī)鉆具組合為 ?73 mm 鉆具+?153 mm 鉆頭,配合使用YQG1 手持式淺孔軌跡儀測(cè)量分支孔軌跡,單向彎曲短節(jié)外徑73 mm,水力沖擊噴頭外徑85 mm。
試驗(yàn)過(guò)程:將鉆機(jī)開孔位置調(diào)水平,采用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)2 m 直孔;更換單向彎曲短節(jié)+水力沖擊噴頭組合,調(diào)整彎曲方位向左,將鉆具推送到孔底,啟動(dòng)高壓泵,持續(xù)施加鉆壓,待單向彎曲短節(jié)完全進(jìn)入孔中,鉆壓增大時(shí)停泵,撤回單向彎曲短節(jié)鉆具組合至孔口,用塑料管推送軌跡測(cè)量?jī)x入孔測(cè)量軌跡;完成后通過(guò)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)單向彎曲短節(jié)鉆具調(diào)整彎曲方位向上,再次將鉆具推送入孔進(jìn)行第2 個(gè)孔的施工;完成后撤出鉆具,下入軌跡測(cè)量裝置,通過(guò)孔口觀測(cè),調(diào)整軌跡測(cè)量裝置在孔內(nèi)位置,使裝置進(jìn)入第2 個(gè)分支孔測(cè)量軌跡;依次完成右側(cè)孔和下側(cè)孔的施工。下側(cè)鉆孔完成施工后回撤鉆具時(shí)孔口坍塌,軌跡測(cè)量裝置難以進(jìn)入,共測(cè)得3 個(gè)分支孔的軌跡數(shù)據(jù),孔深6~8 m。地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。極小半徑分支孔軌跡測(cè)量圖如圖8。
表1 地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Ground test data
圖8 極小半徑分支孔軌跡測(cè)量圖Fig.8 Radial hole trajectory diagram
試驗(yàn)表明:?jiǎn)蜗驈澢坦?jié)鉆具組合能夠進(jìn)行鉆孔徑向多個(gè)方位的沖孔施工,形成多個(gè)不同方位的分支孔,證明了徑向沖孔工具組合在功能上的可行性。
1)設(shè)計(jì)的固定方向彎曲鉆具短節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)固定方向的彎曲,多個(gè)短節(jié)通過(guò)定位銷釘連接能夠形成一定長(zhǎng)度固定方向彎曲的鉆具,能夠?qū)崿F(xiàn)極小半徑成孔;通過(guò)動(dòng)力頭握持鉆具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、固定鉆具,實(shí)現(xiàn)彎曲方位的控制,以此實(shí)現(xiàn)穿層鉆孔多個(gè)方位的極小半徑?jīng)_孔施工。
2)根據(jù)固定方向彎曲鉆具特征理論分析了鉆具短節(jié)的長(zhǎng)度和鉆具曲率半徑的相互關(guān)系,通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)試制的鉆具抗拉強(qiáng)度、耐壓進(jìn)行了測(cè)試,為技術(shù)試驗(yàn)提供了相關(guān)參數(shù)。
3)利用固定方向彎曲鉆具在地面進(jìn)行了模擬試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明固定方向彎曲鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)1 個(gè)鉆孔中4 個(gè)方位4 個(gè)分支孔的沖孔成孔,孔深6~8 m,證明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1 個(gè)穿層主孔多方位徑向沖孔造穴功能。