赵固二矿坚硬煤层超高压水力割缝增透技术应用

陆占金，李生舟

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

钻孔抽采煤层瓦斯是消除煤层突出危险的重要措施之一[1，2]，然而我国部分矿井煤层坚硬，由于煤层硬度高，加之埋深大，地应力高，导致煤层透气性低，瓦斯抽采效果不佳，严重制约了矿井的采掘接替[3，4]。近年来，水力冲孔、水力造穴、脉冲射流等水力化措施已成为国内外研究热点，在一定煤层赋存条件下取得了相对较好的效果，随着近年技术装备的发展，水力割缝技术逐渐完善，以超高压水作为动力，对煤体进行环形切割，在煤层中形成一定宽度和深度的缝槽，伴随割缝排渣煤层原始应力得以降低，改善了煤层中瓦斯流动状态，成为解决煤层瓦斯高效抽采的有效技术途径[5，6]。

现有割缝设备工作压力基本在30～70MPa，由于其设备所能提供的射流压力低，且高压水传输过程中流量损失和压力损失较大，对于松软或中等硬度煤层具有一定卸压增透效果，但是对于坚硬煤层，破煤压力要求较高，无法对煤体产生有效冲击破坏，导致“割不深”，难以达到快速增渗的目的[7，8]。

针对赵固二矿的坚硬低透气性煤层，提出采用工作压力达到100MPa的超高压水力割缝技术对煤层增透，提高瓦斯抽采效率，为了进一步提高射流打击力度，分别研制和提出了针对坚硬煤层的收敛型射流喷嘴和定点冲击破煤割缝工艺，现场应用取得良好的效果。

1 超高压水力割缝技术破煤原理

超高压水力割缝技术是运用超高压力水射流，对煤体进行冲击切削，在煤体内形成缝槽，导通煤体自身裂隙，从而增大煤体暴露面积，增加煤层透气性[9-12]。超高压水射流破煤主要分为两个阶段[13，14]。第一阶段为水锤冲击压力阶段，超高压水射流从割缝喷嘴喷出接触煤体后会在煤体表面形成冲击波，由于水与煤体属于不同介质，冲击波会以两种不同的速度在水与煤体中传播，从而出现受压的水介质区域和固体压缩区域。随着水射流弧形表面继续撞击煤体表面，新的冲击波又会形成，直到水射流前端弧形面与煤体完全接触，在这个阶段内由于冲击波比水射流传播快，煤体表面会受到水锤压力的冲击。水锤冲击压力阶段持续时间极短，但会在煤体表面造成初始微裂纹。第二个阶段为滞止冲击压力阶段，此时超高压水射流与煤体表面完全接触，形成稳定的滞止冲击压力，在第一阶段初始微裂纹的基础上，滞止冲击压力通过持续冲击使煤体表面初始微裂纹逐步向煤体内部发展，从而达到破煤的目的[15，16]。

2 超高压水力割缝设备组成及割缝工艺流程

超高压水力割缝装置主要由金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、超高压旋转水尾、超高压软管、高压远程操作台、超高压清水泵等组成。

超高压水力割缝技术一般工艺流程为：根据煤层软硬等情况，选取合适孔径的钻头施工钻孔，利用矿井的静压水排渣施工至预定的深度。关闭静压水，撤出几根钻杆(根据预定的割缝间距而定)，连接上高压水管路，开启超高压清水泵，控制调压阀，泵压由低到高，水经过超高压软管进入钻杆内，最后通过割缝器喷射出来，钻机带动钻杆及割缝器旋转对钻孔周边煤体进行切割。根据钻孔内排渣顺畅等情况，调节割缝压力及割缝时间，每刀割缝完毕后，关闭清水泵，管路卸压后依据割缝间距撤卸相应数目的钻杆，再次连接高压管路，按照前述流程继续割缝，完成预计割缝次数。

3 坚硬煤层超高压水力割缝喷嘴设计

3.1 喷嘴参数数值模拟

在设计割缝喷嘴时，采用短管型式的喷嘴，以提高射流性能，但为了防止出现汽化现象，一般不直接采用短管型喷嘴，而是对喷嘴加以改进，设计成收敛的流线型或者锥型喷嘴，可以更充分发挥射流的优点，进而可以改善射流的性质，提高应用效果。但流线型喷嘴的加工难度较大，因此，从性能和加工两个角度综合考虑，选择圆锥收敛型喷嘴。

喷嘴的几何参数主要有喷嘴的收敛角α，入口和出口过渡形状及倒角的曲率半径r1和r2，出口直径d，圆柱段长度l与直径d的比值，还有喷嘴长度及内壁表面粗糙度等。

采用数值模拟手段，分析了其他设计参数相同情况下，不同收敛角α对射流孔底总压力分布影响，在相同喷距处，孔底总压力分布如图1所示。由图1可以看出，孔底总压力随着远离射流轴线而逐渐降低。在喷嘴出口段长度相同的情况下，不同射流收敛角的射流孔底总压力分布衰减趋势相似，但就相同条件下产生的射流孔底最高压力值却存在差异：对于圆锥收敛型喷嘴，收敛角最佳在13°～15°。

图1 孔底总压力分布

根据前述研究，为提高超高压水射流打击力，增加坚硬煤层割缝效果，研制了新型圆锥收敛型喷嘴，收敛角13°～15°，新型喷嘴更有利于射流集聚，打击力更强，为验证新型喷嘴割缝效果开展地面实验。

3.2 实验方案

利用压力传感器对不同距离下喷嘴射流打击力进行采集。试验压力100MPa，喷嘴直径选择2.5mm，压力传感器距喷嘴出口距离选择0.5m、1.0m、1.5m以及2.0m四种情况，试验方案见表1。普通短管喷嘴设计如图2所示，新型圆锥收敛型喷嘴如图3所示。

表1 试验方案

图3 新型圆锥收敛型喷嘴

3.3 实验设备

考虑到在水射流作用力测试实验中设备将会承受到最大近千牛顿的作用力，因此使用钢制桁架为基础制作水射流作用力采集装置。装置主体支撑结构由前后两块厚度为2cm的钢板构成，前钢板掏空保留水射流入射通道，后钢板作为安装压力传感器的背板。前后钢板之间使用圆形空心钢柱链接作为支承结构并且同时作为承力板的导轨，承力板使用轴承在导轨上往复移动，将射流作用力传递到后方背板上的压力传感器中，由压力传感器记录的数据经三合一接线盒后在数据显示器读出。水射流作用力采集装置如图4所示。

图4 水射流作用力采集装置

3.4 实验数据分析

按照实验方案测得了两种喷嘴不同距离下射流打击力曲线如图5所示。从图5可看出，新型圆锥收敛型喷嘴在不同距离下射流打击力明显优于原普通喷嘴，在距离相同条件下，新型圆锥收敛型喷射流打击力较普通喷嘴提高了20%左右，而在打击力相同的情况下，圆锥收敛型喷嘴有效打击靶距较普通喷嘴提高了30%左右。

图5 不同距离下射流打击力曲线

4 现场试验

4.1 超高压水力割缝参数选择

针对试验区域煤层情况，考虑煤层硬度较大，选择割缝压力95～100MPa，割缝时间8～12min，割缝间距选择1m一刀。割缝方式为煤层硬度小于1.5时选择普通旋转割缝，在煤层硬度大于1.5时为保证割缝效果采用定点冲击割缝，其具体流程为：钻杆先在钻孔内不旋转定点冲击破煤，单次冲击时间为1～3min，然后通过钻杆标记的方法，将钻杆旋转45°～90°，继续定点冲击破煤，钻孔内定点冲击4～6次后再旋转割缝。普通割缝和坚硬煤层定点割缝参数见表2。

表2 割缝参数

4.2 超高压水力割缝钻孔布置

在赵固二矿西运输大巷设计施工30组试验孔进行超高压水力割缝，10组对比钻孔不进行超高压水力割缝，每组各布置15个穿层钻孔，每组钻孔终孔间距按5m布置，列间距4m，组间距8m，钻孔长度：18～51m；钻孔角度：19°～89°，煤孔段长度：6.5～17.5m，平均每米煤孔段割缝一刀。钻孔布置如图6所示。

图6 钻孔布置方式

4.3 割缝效果分析

4.3.1 割缝出煤量统计分析

G225组钻孔割缝情况见表3。由表3可得，15个割缝钻孔平均孔出煤0.79t，平均每刀出煤0.18t。

表3 G225组钻孔割缝情况

此处用单刀出煤量反算等效割缝半径如下：

M=π×r2×h×K×γ

(1)

式中，M为割缝后排出煤屑量，t；K为不均匀系数，由于煤质不均匀性，粉煤部分溶于水无法收集，根据经验取值为0.8～0.95，此处取0.8；r为割缝后缝隙的等效半径，m；h为割缝后缝隙的宽度m，考虑到缝槽为外宽内窄不规则槽形，割缝后缝隙的平均宽度按2～5cm计算；γ为煤的容重，γ=1.45t/m3。

把割缝形成的缝隙视为一个圆柱体，根据式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=0.18t的条件下，割缝后形成缝槽半径：r=0.99～1.57m。

4.3.2 瓦斯自排量统计分析

割缝组钻孔与对比组钻孔每次钻孔施工完毕后，24h内下抽放管并通过连接煤气表，测定钻孔自然状态下瓦斯自排量情况，结果如图7所示，其中，G225、G226组为割缝钻孔，D222、D229组为对比钻孔。

图7 割缝钻孔与对比钻孔瓦斯自排量变化曲线

从图7中可以看出，割缝组钻孔瓦斯自排量最大为0.127m3/min，最小为0.003m3/min，平均为0.034m3/min，对比组钻孔瓦斯自排量最大为0.026m3/min，最小为0，平均为0.003m3/min，割缝组钻孔单孔平均瓦斯自排量为对比组的11.3倍。

4.3.3 钻孔瓦斯抽采效果对比分析

G225、G226组割缝与D222、D229组对比钻孔在接抽时间内抽采纯量变化曲线如图8所示，从图8中可以看出，割缝组孔在接抽时间内单组抽采纯量最大为0.09m3/min，最小为0.042m3/min，平均为0.055m3/min。对比组孔在接抽时间内单组抽采纯量最大为0.044m3/min，最小为0.009m3/min，平均为0.016m3/min。可得出平均抽采纯量割缝组孔是对比组孔的3.44倍。

图8 割缝组与对比组钻孔抽采纯量变化曲线

4.3.4 抽采有效半径对比分析

在钻孔连续接抽150d后，分别在割缝钻孔G225、G226以及对比钻孔D222、D229位置取样，测定残余瓦斯含量。通过实测得出：割缝钻孔在抽采30d、90d、150d的抽采半径分别为0.91m、1.51m和1.91m，对比钻孔抽采30d、90d、150d的抽采半径分别为0.50m、0.81m和0.99m，割缝钻孔与对比钻孔抽采有效半径变化曲线如图9所示。割缝钻孔抽采半径较对比钻孔增加90%左右。说明采用超高压水力割缝技术能够有效的减少钻孔数量，缩短抽采达标时间，提高钻孔抽采效率。

图9 割缝钻孔与对比钻孔抽采有效半径变化曲线

针对赵固二矿煤层坚硬的特点，研制了针对坚硬煤层割缝的圆锥收敛型喷嘴，进一步提高了超高压水力割缝设备对坚硬煤层的切割能力，并开展了现场试验，煤层割缝后，钻孔瓦斯抽采流量、抽采半径均得到提升，超高压水力割缝技术对赵固二矿坚硬煤层也能起到明显的卸压增透效果。

5 结 论

1)分析了圆锥收敛型喷嘴合理的收敛角为13°～15°，据此研制了新型圆锥收敛型喷嘴，新型喷嘴更有利于射流集聚，打击力更强，新型圆锥收敛型喷在不同距离下射流打击力明显优于原普通喷嘴。

2)通过现场试验结果分析，针对坚硬煤层采用超高压水力割缝后，单刀出煤量在0.18t左右，等效割缝半径0.99～1.57m，割缝后瓦斯自排量是普通钻孔的11.3倍，钻孔瓦斯抽采纯量增加了3.8倍，钻孔抽采有效半径较普通钻孔增加了90%左右，说明针对坚硬煤层条件，超高压水力割缝技术能有效的增加钻孔瓦斯抽采效果，减少钻孔工程量。