玉溪煤矿软硬复合煤层水力冲孔参数优化试验研究

李 栋

(山西兰花科技创业股份有限公司,山西 晋城 048000)

水力冲孔对于增加煤孔暴露面积、提高煤层透气性和瓦斯抽采效果具有重要意义,近年来在煤矿井下得到了较为广泛的应用[1-3]。水力冲孔的主要原理是采用高压水射流冲击钻孔周围煤体,导致煤体产生损失和破坏,在水流的冲刷和携带作用下排出孔外,达到增加钻孔直径、增加钻孔周围煤体透气性的目的[4-6]。

近年来,相关学者对于水射流破煤岩体机理做了较为深入的研究,水力冲孔成套设备也得到了快速发展。在单一低渗、厚煤层、复合煤层的水力冲孔方面,研究人员做了较为深入的研究[7-9]，但是在软硬复合煤层中,不同煤体性质下的水力冲孔破煤水力参数组合尚缺乏研究。玉溪煤矿3号煤层属于软硬复合煤层,本文以玉溪煤矿3号煤层为试验对象,通过不同水力参数、水力冲孔时间在软硬区域的对比试验和分析,总结得出了一套软硬复合煤层水力冲孔破煤规律和工艺参数,为类似矿井提供借鉴。

1 矿井煤层地质情况

山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司(简称玉溪煤矿,下同)位于山西省沁水县胡底乡境内,是沁水煤田樊庄勘探区的一部分,工业场地西距沁水县县城约50 km,东距玉溪村约2 km,位于樊庄农场西侧。井田形状呈台阶状,走向长5.2 km,倾斜宽4.8～5.3 km,面积26.147 km2。

井田内煤层主要分布于山西组(P1S)、太原组(C3t)。含煤地层总厚122.08～161.90 m,平均138.04 m。共含煤2～9层,含煤系数6.10%～8.36%,平均6.78%。可采含煤系数5.86%。

山西组(P1S)一般含煤1～3层,其中3号煤全区可采。含煤系数7.73%～14.99%,平均11.67%,可采含煤系数11.31%。主要可采煤层3号煤层位于本组下部,其余煤层为极不稳定的薄煤层,不具工业价值。3号煤层厚度5.12～7.20 m,平均5.85 m,纯煤厚度4.62～7.00 m,平均5.71 m。距底板0.95 m处,有一层较稳定的夹矸,其厚度平均为0.28 m,岩性为泥岩或炭质泥岩。煤层倾角≤8°,为近水平煤层。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,局部为细粒砂岩；底板均为泥岩。该煤层厚度大且稳定,结构简单,全区可采,为稳定型可采煤层。图1为3号煤层顶底板地质柱状图,由图可知,3号煤层顶板软分层(煤层顶板以下1 m)及煤层底板破碎煤层(煤层底板以上2 m)位置,中部煤层较硬。因此,需要对水力冲孔参数进行优化,从而为3号煤层不同性质煤层水力冲孔提供最佳的参数方案。

2 水力造穴设备

2.1 钻机

选用ZDY4500LXY(D)煤矿用履带式液压钻机,整体结构如图2所示,钻机参数如表1所示。

图2 ZDY4500LXY(D)钻机示意图Fig.2 ZDY4500LXY(D) drilling rig

该钻机主要由履带底盘、立柱组件、导轨组件、油箱组件、操作机构、动力头、夹持器、动力系统和冷却器等组成。钻机最低开孔高度900 mm,实现360°范围内的全方位开孔作业。钻机采用圆柱形导轨,提供更加稳定的平台。钻机操控增加活动操作台,打钻时在钻机前面操作,解决打钻视角问题,能够满足大角度穿层钻孔施工的需要。

2.2 泵站

选用BQWL200/31.5清水泵站,该泵站广泛应用于综采机械工作面、井下打钻、水力压裂、水力造穴和煤层注水等方面。泵站提供200 L/min,20 MPa的高压水输出,采用履带底盘结构,可自行移动,集成化程度高,具有结构紧凑、移动方便、效率高和劳动强度低等优点。

2.3 配套钻具

试验钻具情况如表2所示。钻杆选用Φ73 mm耐高压密封钻杆,具备耐20 MPa水压的能力。水力冲孔钻具采用Φ73 mm基于流量控制的双喷嘴钻具,如图3所示。根据泵量与压力对应关系选择喷嘴直径为2.3 mm[9]。

图3 试验钻具Fig.3 Drilling tool

表2 试验钻具情况Table 2 Drilling tools

3 现场试验与分析

3.1 试验钻孔概况

试验地点布置在玉溪煤矿中央辅运大巷岩层中。根据中央辅运大巷西11号钻场实际施工情况可知,本钻场顶板距离3号煤层底板平均24 m,采用半圆拱断面。东瓦斯抽放巷在3号煤层中,采用矩形断面,位于中央辅运大巷西侧水平距离20 m处。钻孔开孔位置在中央辅运大巷3巷联络巷以北巷道内,距巷道底板3.5～3.9 m,避开抽采管路,钻孔间距9 m。共施工30个造穴钻孔,试验钻孔剖面图如图4所示,钻孔具体参数如表3所示。其中，1#—16#钻孔全煤孔段造穴,17#—30#钻孔底部孔段造穴。

图4 试验钻孔剖面图Fig.4 Cross section map of testing borehole

表3 试验钻孔参数(部分)Table 3 Test drilling parameters (partial)

3.2 碎软区域冲孔出煤量特征

碎软区域单米出煤量与冲孔时间的关系如图5所示。

图5 碎软区域单米出煤量与冲孔时间关系Fig.5 Relationship between coal output per meter and punching time in the crushed soft area

1#孔水力冲孔流量200 L/min,对应泵压18 MPa;2#孔和3#孔水力冲孔流量160 L/min,对应泵压14 MPa;4#孔水力冲孔流量180 L/min,对应泵压16 MPa。由图6所示的出煤量可知,1#孔与4#孔差别不大,从节约能量的角度考虑,流量180 L/min为最佳冲孔流量。对于碎软区域,单米出煤量随时间的增加而增大,增加速率先升高后减小,出煤量在40 min后逐渐趋于稳定。

3.3 完整硬煤区域冲孔出煤量特征

完整区域的煤层较碎软区域难以破坏,因此为了取得较大的洞穴直径,将水力冲孔流量调到最大值200 L/min,泵压18 MPa。

图6为完整区域单米出煤量与冲孔时间的关系图,由图可知,单米出煤量随时间的增加而增加,但是当冲孔时间达到15 min后，单米出煤量趋于稳定。这是由于工作开始时由于孔壁距离喷嘴较近,冲击力大,出煤量上升较快,随着孔径的不断扩大,射流对于钻孔孔壁的冲击力越来越小，直至趋于稳定。

图6 完整区域单米出煤量与冲孔时间关系Fig.6 Relationship between coal output per meter and punching time in the complete area

3.4 洞穴半径

根据单米出煤量反算所造洞穴半径,由图7和图8可知,碎软区域煤层钻孔冲孔造穴半径均在400 mm以上,但是对于完整煤层造穴半径则在200 mm左右。碎软区域产生的洞穴半径约为完整区域的2倍。

图7 破碎区域造穴半径统计Fig.7 Cavity radius in the crushed area

图8 完整区域造穴半径统计Fig.8 Cavity radius in the complete area

3.5 单米出煤量与钻孔倾角关系

单米出煤量与钻孔倾角关系如图9所示。对于碎软煤层区域,随着钻孔倾角的增大,单米出煤量有增大的趋势,而对于完整硬煤区域钻孔倾角对其出煤量影响不大。

图9 单米出煤量与钻孔倾角关系Fig.9 Relationship between coal output per meter and borehole inclination angle

随着钻孔倾角的增大,水流对于孔壁的冲刷作用增大,同时容易增大洞穴非淹没状态区域。在非淹没区域更容易形成自由射流,对于提高钻孔的冲刷范围具有有利作用,因为淹没状态下射流的损失较大。

3.6 软硬复合煤层水力冲孔特点总结

软硬复合煤层水射流破碎示意图如图10所示。

图10 软硬复合煤层水射流破碎示意图Fig.10 Schematic diagram of water jet crushing of soft and hard composite coal seam

水流对于碎软煤层孔壁的损伤由两部分组成:一是水射流对于孔壁的直接冲击,二是水流对于孔壁的冲刷和携带。因此,影响碎软煤层洞穴特征的主要因素是冲孔流量和冲孔时间。碎软煤层对于水流的敏感性强,在水流冲刷作用下即可发生破坏、垮落。

对于完整硬煤层,由于煤体具有一定的结构强度,水力冲孔时煤体的主要破坏形式为射流冲击引起的压溃和射流坑边缘的拉伸和剪切破坏,其洞穴尺寸主要受射流冲击力影响。当洞穴尺寸大于射流冲击力影响范围后,洞穴半径基本不会继续增加。

4 总结

1)碎软煤层对于水流的敏感性强,水流的冲击、侵蚀、携带等作用都可引起碎软煤层孔壁的破坏和垮落;完整较硬煤层的破坏主要是由水射流冲击作用产生。

2)碎软区域出煤量随冲孔时间增加而增加,但是增长幅度逐步减小;完整区域出煤量随冲孔时间增加先增加，后趋于稳定。

3)针对玉溪煤矿3号煤不同性质煤层,得出水力冲孔参数。破碎区域泵量180 L/min,泵压16 MPa,冲孔时间不大于40 min;完整区域泵量200 L/min,泵压18 MPa,冲孔时间不大于15 min。