本煤层超高压水力扩孔技术与应用研究

2019-09-25光辛亥

山西化工 2019年4期

光辛亥

（阳煤集团矿山救护大队，山西阳泉 045000）

引言

我国的煤层大部分为低渗透煤层，瓦斯抽采困难，因此，寻求一种快速卸压增透的措施是大多数低渗透煤层开采所面临的难题。低渗透煤层不仅抽采困难，而且瓦斯压力极大，对于矿山安全生产带来很大的威胁［1－2］。

近年来，随着高压水力扩孔技术的发展，在我国多个矿区进行的现场验证说明，超高压水力扩孔技术能很好地对煤体割缝，增加瓦斯抽采的有效面积，扩大本煤层透气性，改善瓦斯抽采效果。高压水射流扩孔之后，加上钻杆的螺旋移动以及水的冲击将煤粉及时地排出孔外，提高了钻孔内瓦斯流动范围，减小了流动阻力，极大地提高了低渗透煤层的瓦斯抽采效率［3－5］。基于此，在高河矿进行超高压水力扩孔技术现场验证。

高河井田位于长治市以西约4km处，其＋450m水平北翼进风大巷设计长5 958m，现已施工2 962m。＋450m北进风大巷巷道断面形状为矩形，净宽5.0mm，净高3.7mm，净断面积8.5m2。北进风大巷掘进过程中单个循环最大落煤瓦斯涌出量为1.0m3／min，煤壁每百米瓦斯涌出量为0.6m3／min。安装了4台FBDNo7.1型局部通风机，功率为：2×45kW，单台供风量为400m3／min～850m3／min，风压为800Pa～7 000Pa。风筒采用两路高强阻燃风筒供风，主风筒为Φ1 000mm，副风筒为Φ1 000mm。

1 水力扩孔设备及技术工艺

1.1 设备选型及主要技术参数

新型超高压水力扩孔设备由供水箱、超高压液泵、高压钻机与高压胶管、旋转喷头以及集煤池组成。装置结构图如第106页图1所示：

高压水力扩孔的技术核心是水泵能保证喷出来的水具有足够的压力，能有效地切割和破煤，而且在工作过程中不会发生破裂与误启动，保证操作人员的人身安全。超高压水力扩孔的水压主要是受两方面因素影响，一是喷头的喷出直径，二是高压水泵的体积流量。喷嘴直径越小越容易形成高压水射流，当高压水泵的体积流量越大，水射流的压力也会加大。试验选用BRW80／20乳化液泵，该泵站由两台乳化液泵与一台乳化液箱组成，其中，一台泵工作，另一台泵备用。主要为井下综合机械化采煤的液压支架提供强大动力源，以提高液压支架的移架速度，从而达到增加煤炭产量的目的。该泵站也可用于地面及其他液压设备。BRW80／20乳化液泵的使用环境：环境温度应在0℃～40℃；海拨2 000m以下；介质温度5℃～40℃；有甲烷等气体的矿井中，压力为32MPa，实际扩孔过程中，压力只需满足13MPa即可满足扩孔需要。乳化液箱选用RX－400乳化液泵箱，该水箱储存水量大，能保证持续工作25min破煤需要的水量。

图1 水力扩孔设备

水力扩孔钻机必须使用方便灵活，能移动使用，可打多类型、多角度、多直径的钻孔，在现场验证时，往往需要打试验孔和观察孔，便于对具体扩孔效果的考察。钻车选用CYTM41（HT92）矿用液压锚杆钻车，这种钻车用于围岩结构复杂、岩层破坏严重等地质条件下的采矿和隧道开挖中的锚杆支护工作。而且在车头可安装特制扩孔钻头，这种钻头用高强度合金制成，硬度极高，破岩威力大。高压胶管是连接高压水泵与钻机的重要传输通道。

胶管耐压能力要高，由于高压水泵的最高压力为32MPa，所以胶管的耐压系数必须大于32MPa，胶管的耐压系数与胶管直径有关，管径越大，耐压能力越强，所以选用钢丝缠绕胶管，耐压可达36MPa。胶管的一端与钻车相连，另一端与高压水泵相连。

喷嘴的选用主要考虑喷嘴直径，直径越小，水射流压力越大。选用3个直径为1.6mm和3个直径为2.0mm的喷嘴。根据实验，这种直径能满足水压压力需求，而且喷射过程相对稳定。喷嘴连接在钻杆头部，为了更有效地实时观测高压水力的变化，需要在钻车上安装高压水表便于观测水压与水量变化。

1.2 操作步骤

1）钻车打钻，打好直径83mm的钻孔，孔深83m，打好之后将钻杆退出，换成水力扩孔钻头，准备水力扩孔，钻头更换完毕之后钻进到钻孔尾部位置。要求对所有超高压钻杆连接前进行内外冲洗，并确保钻杆内无煤屑等残留物。

2）从内向外开始进行高压水扩孔，关闭静压水，换接超高压旋转接头，连接超高压管路，不相关人员撤离至警戒线外。再次检查确认施工环境及设备安全后，先开启钻机带动钻杆以适当速度旋转，然后再开启超高压清水泵，首次启动空载2min～3min以上，待孔口返水后，通过调压阀，泵压由低到高缓慢、匀速增压：10，水经过超高压软管进入钻杆内，最后从高低压转换器上的喷嘴射出，对煤层周边煤体进行切割，每刀割缝时间为2min～5min。

3）记录瓦斯浓度变化与出煤量变化，扩孔完毕后，先将超高压清水泵泵压回零，再关闭超高压清水泵，开启钻机，撤卸3根钻杆，重新连接超高压旋转接头及超高压管路，再次开启超高压清水泵，控制调压螺母，重复扩孔步骤。

2 水力扩孔卸压增透机理分析

高压旋转水射流割缝增加了煤体暴露面积，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压，增大了煤层的透气性。缝槽在地压的作用下，周围煤体产生空间移动，扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。在高压旋转水射流的切割、冲击作用下，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，增加了煤体中的裂隙，可大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓和了煤体和围岩中的应力紧张状态，既可削弱或消除突出的动力，又可提高煤层的强度，起到防突作用，并提高了透气性和瓦斯释放能力。综上所述，在水力扩孔有效影响范围内的煤体卸压增透，可使煤体透气性系数增大，游离瓦斯浓度升高，钻孔瓦斯抽采量提高。

3 水力扩孔效果考察

现场验证需要打3组普通钻孔，3组高压水力扩孔，钻孔倾角与孔深参数见表1。并且，在普通组与高压组周围设置了对照组（7号孔和8号孔）。记录扩孔前瓦斯流量，可得普通钻孔影响半径为3m左右，再记录扩孔后瓦斯变化规律，可得高压水力扩孔有效影响半径为6m左右，可节约近50%的工作量。

表1 水力扩孔钻孔参数

3.1 出煤量考察

将扩孔50m孔深过程中单位时间内每米扩孔过程中出煤量用拟合曲线表示，拟合结果如第107页图2所示。

从图中曲线可得，扩孔时间与出煤量成正比例关系，时间越久，出煤量越大。但是到30min之后，出煤量基本不增长，增长幅度趋于平缓。这是由于，虽然高压水力扩孔影响范围较广，但是其最大直径距离也是有限的。也就是说到30min后，扩孔半径已经达到了水力扩孔的最大影响半径。设定20min进行一次1m的扩孔试验，出煤量从图2中可见是0.35t，通过代入拟合函数可得半径为0.286m，相当于在普通钻孔的基础上进行了二次扩孔，切实达到了增透的效果。