新型高压水射流扩孔技术在石门揭煤防突中的应用

杜志强

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

谢一矿望峰岗井是目前全国唯一的深井开采试验矿井，也是淮南矿区受瓦斯威胁比较严重的双突矿井。主采B11b煤层实测瓦斯含量最高达21.71 m3/t，井下实测最大瓦斯压力6.4 MPa，井下石门和巷道揭煤时间长，煤与瓦斯突出风险大，且随着开采深度增加，煤层瓦斯预抽的工程量、困难度和成本增加迅速，严重影响正常生产规划和经济效益。

煤层中发生煤与瓦斯突出的动力是煤层和围岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能。只要能释放足够的煤与瓦斯突出的能量，就能达到预防瓦斯突出的目的。在扩孔段形成洞穴，改变煤体应力场和裂隙结构，提高局部煤层渗透率和瓦斯解吸及运移速度，释放煤层内积聚的地层和瓦斯压力，达到消除突出危险的目的。机械扩孔受限于钻头刀翼机械强度，难以完成大直径的扩孔施工。高压水射流扩孔依靠高压水流的冲击能力完成对煤层的切割，因此受机械强度限制较小，可以完成大直径的煤层扩孔施工，提高消突效果。

根据对射流理论的研究分析，在常规高压水射流扩孔钻头基础上，改进和研制出新型高压水射流扩孔钻头。并在该矿的地面钻孔石门揭煤消突施工中进行了运用。验证和优化了钻头相关参数，实际使用效果表明新型高压水射流扩孔钻头可大幅提高煤层段的扩孔效果和瓦斯抽放效果，消突效果明显，缩短了揭煤工期、解决常规井下钻孔可能诱发的“孔突”等难题，对矿井的安全、高效生产具有重要意义。

1 高压水射流扩孔及参数分析

1.1 高压水射流扩孔原理

高压水射流具有极高的刚性，在与靶物相碰时，会产生极高的冲击动压和涡流。该冲击动压反映为射流的切割能力，即压强P。在射流的切割能力大于靶物的抗压强度后，即可对靶物进行有效的切割和破坏。

淹没射流自喷嘴喷出后剖面结构分为起始段和主体段，如图1。由于喷嘴结构、钻孔孔径等因素影响，在煤层扩孔中，主要由主体段内射流对煤层进行实际切割破坏。

图1 淹没射流结构剖面图

设出口喷嘴圆断面上速度分布均匀，均为v0，形成的射流呈锥体状向周围扩散。射流核心区为喷嘴附近速度保持v0的区域，对于常规高压水射流核心区域一般不超过相当于13倍喷嘴直径的长度；主体段内轴心速度vm与喷嘴处速度v0存在以下关系式：

轴心速度沿射程的变化规律可根据射流动力特征，即各断面动量守恒的原理导出：

(1)

经推导，可得：

(2)

根据，射流切割能力计算公式：

(3)

根据上述公式可得：

(4)

式中：a——紊流系数，圆形喷嘴一般取值0.067；

d——喷嘴距靶物距离，m；

r0——喷嘴半径，m；

P——流体产生的压强，MPa；

ρ——流体密度，kg/m3；

Q0——射流出口断面上的体积流量，m3/s；

v0——射流初速，m/s；

vm——射流流速，m/s；

u——边界层中任意断面上任意一点的流速，m/s；

v排——泥浆泵排量，m3/s；

n——喷嘴数量，个。

1.2 影响因素分析

根据式(4)可知，射流的切割能力与射流泵排量v排呈正相关关系，与喷嘴半径r0和喷嘴距靶物距离d呈负相关关系。在射流初速度一定(以200 m/s为例计算)的情况下，射流切割能力随喷射距离增加呈下降趋势，如图2所示。

图2 v0=200 m/s时切割能力与喷嘴半径关系曲线图

在供液设备排量一定(以14 L/s为例计算)的情况下，不同规格的喷嘴射流切割能力与喷射距离亦呈现出下降趋势。如图3所示。

图3 排量v排=14 L/s时切割能力与喷射距离关系曲线图

2 高压水射流钻头结构改进

常规高压水射流钻头结构较为简单，钻头本体长度0.4 m，最大直径ø127 mm，可装配3个喷嘴，见图4。

新型水射流钻头最大外径为ø142 mm(外壳体部分)，钻头总长度1.5 m，外壳体部分长度0.8 m，可转动部分(射流段)长度0.7 m，可配备4个喷嘴。两钻头喷嘴可通用，常用喷嘴直径2 mm、4 mm、6 mm和8 mm。新型高压水射流扩孔钻头如图5所示。新型高压水射流钻头在无泥浆泵驱动、自然状态下呈直线状态，见图5(a)，在泥浆泵驱动下完成钻头射流段的抬起，见图5(b)。该钻头由普通钻杆连接，下放到预定位置后，开启泥浆泵，钻头外壳体内部的活塞连杆机构在高压水进入外壳体内部时，推动活塞移动，带动连杆机构运动，连杆机构驱动钻头射流段绕着转轴转动，从而使射流段抬起一定的角度。钻头射流段抬起后喷嘴近似与孔壁垂直，高压水通过管体上流进入到喷嘴部分，通过喷嘴对煤层进行喷射切割。钻头不具备自旋转功能，需由外接设备带动旋转。

图4 常规高压水射流扩孔钻头

图5 新型高压水射流扩孔钻头

3 实际应用

3.1 工程背景

随着谢一矿煤炭开采逐步向深部延伸，煤与瓦斯突出对该矿巷道掘进造成严重的安全威胁。矿井主采B11 煤层，该煤层为构造软煤，煤层厚度6.0 m左右，为强突出煤层，瓦斯预测压力 6.5 MPa，瓦斯含量 13 m3/t。工程通过地面钻孔对预定消突区域煤层进行高压水射流切割扩孔，降低区域煤与瓦斯应力，降低石门揭煤时的安全风险，消除煤与瓦斯突出威胁。共施工地面消突钻孔3个，其中定向孔2个，分别为TM01及TM02，水平对接孔1个。井位部署及井眼轨迹如图6所示。

定向孔采用三开井身结构，一开孔径311.1 mm，二开孔径215.9 mm，三开孔径152.4 mm。一开、二开井段分别下入ø244.5 mm、ø177.8 mm石油套管并固井，三开段(煤层段)为裸眼段。

图6 井位部署及井眼轨迹图

扩孔施工中，首先使用常规机械扩孔，扩孔刀翼直径1.5 m；随后依次使用常规和新型高压水射流扩孔设备对煤层进行再次扩孔。施工过程中通过沉淀池对上返煤屑进行收集和计量，以此分析扩孔施工效果。

3.2 施工设备

高压水射流扩孔设备包括 T200XD多功能全液压车载钻机及其配套设备；ø73 mm钻杆若干；TBW850/50型泥浆泵1台，排量区间12～35.6 L/s；常规高压水射流钻头及新型高压水射流钻头；喷嘴16个，规格分别为ø2 mm、ø6 mm及ø8 mm。

3.3 地面测试

根据现有研究，谢一矿煤体结构以粉末状及碎块状为主，煤块的单轴抗压强度在1.5～10.3 MPa之间，随着瓦斯含量的升高，煤层抗压强度降低幅度较大。

施工前，测试扩孔钻头安装不同组合喷嘴的情况下泥浆泵工作情况，根据式(4)分析不同喷嘴组合的射流切割能力。测试喷嘴组合有：组合① 3个ø2 mm喷嘴；组合② 3个ø4 mm喷嘴；组合③ 3个ø6 mm喷嘴；组合④3个ø8 mm喷嘴；组合⑤2个ø6 mm、1个ø8 mm喷嘴。测试及计算结果见表1。

测试结果表明：在使用喷嘴组合①、组合②时泥浆泵(排量16 L/s)无法正常运行；为提高射流切割能力，选择喷嘴组合⑤。

最终射流扩孔钻头选定喷嘴组合⑤，泥浆泵排量24 L/s。

表1 测试数据表

3.4 扩孔施工

工程采用逐级扩孔方式施工：首先采用机械扩孔工具对煤层段进行初始扩孔；后采用常规水力扩孔钻头对煤层段进行高压水射流扩孔；之后采用新型高压水射流扩孔钻头继续对煤层进行扩孔施工。

将高压水射流扩孔钻头连接在钻杆底部，下至煤层位置后，开启泥浆泵开始切割煤层。施工参数为：泵压10～12 MPa，泥浆泵排量保持在24 L/s左右，钻头转速2～4 r/min，轴向扩孔速度0.2 m/h。

3.5 结果分析

施工后，分别对TM01及TM02井常规高压水射流扩孔和新型高压水射流扩孔出煤量进行了计量和分析，见表2。

表2 常规高压水射流扩孔效果对比

根据出煤量及煤厚数据分析，新型高压水射流钻头在常规高压水射流钻头对煤层进行扩孔施工后仍然可以对煤层进行有效切割，且出煤量及扩孔效果远大于常规高压水射流扩孔。

根据煤屑体积及煤层厚度计算，高压水射流扩孔施工在石门揭煤区域形成的洞穴平均直径超过1.8 m。

4 防突效果及结论

在距离煤层法距10 m处掘进头施工6个前探孔实测待揭煤处残余瓦斯压力和残余瓦斯含量，测量结果表明，平均瓦斯含量降低58.0%，平均瓦斯压力下降60.8%。在施工过程中没有出现喷孔、顶钻等瓦斯动力现象。因此：

(1)新型高压水射流扩孔设备首次在谢一矿望峰岗井石门揭煤辅助消突钻孔中的成功应用，降低了揭煤的安全风险，缩短了揭煤工期，为同类工程的地面大直径钻孔扩孔施工提供了重要借鉴。

(2)工程实践表明，新型高压水射流扩孔技术适用于松软煤层的瓦斯防突治理。

(3)进行地面高压水扩孔切割消突工程后，消突区域井下钻孔过程中喷孔次数及强度、瓦斯压力及含量明显下降，对石门揭煤区域的卸压效果远大于常规井下钻孔抽排方式。

(4)施工中，采用的高压水射流切割扩孔参数计算方法科学合理，计算结果可靠，对高压水射流切割扩孔技术的推广和应用具有指导和借鉴意义。