瓦斯抽采钻孔修复机理与应用研究＊

刘 晓 蔺海晓 张双斌 冯文军

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454003；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 (中国矿业大学)，江苏省徐州市，221116)

我国煤矿瓦斯灾害严重制约着矿井的安全高效生产，瓦斯抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的根本措施，其抽采效果与矿井的安全生产密切相关。抽采钻孔成孔的优良及抽采的有效性不仅受制于钻孔最初施工的工艺过程，更取决煤岩体结构、力学性质及所受应力状态。目前我国煤矿瓦斯抽采钻孔尚处于重视生产不重视养护阶段，花费较高成本施工完成钻孔联抽后即听之任之，使其自动衰竭，缺乏有效地抽采钻孔维护管理技术，造成了抽采钻孔数目众多、抽采瓦斯纯量有限的尴尬局面。瓦斯抽采钻孔施工难、维护不易、有效抽采时间短、抽采质量均不高成为困扰煤矿瓦斯治理的重要因素，但到目前为止尚未形成瓦斯抽采钻孔修复技术与装备，难以有效解决上述问题。本文从钻孔失稳受力分析及泥岩水化学作用等方面分析了钻孔堵塌孔机理，提出了高压水射流钻孔修复技术，研发了瓦斯抽采钻孔水力化作业机，通过在焦作煤业集团新河矿井试验，形成了较为完整的瓦斯抽采钻孔修复维护工艺，为相关工作提供一定借鉴。

1 抽采钻孔堵塌孔机理

1.1 钻孔受力失稳

钻孔失稳与否主要取决于钻孔施工完成之后煤体的卸载程度和围岩的应力状态等因素。

由于地质构造影响，煤体中存在的节理、裂隙等结构面在三向应力状态时仍有较高的力学强度，但钻孔施工完成后，钻孔周边煤体经过大量卸载会产生应力降低区，尤其是在拉应力出现之后，结构面的力学性能迅速变差。距离钻孔较远处的煤体卸载量和变形量小、强度高；钻孔周边煤体应力释放大、卸载量大、变形量也较大并伴随有拉应力的出现，因此钻孔周边煤体的卸载变化规律其实就是煤体卸载本构关系的转移，同时也是煤体裂隙扩展贯通、变形模量降低和强度逐渐丧失的过程，最终表现为钻孔的失稳。

1.2 泥岩水化学作用钻孔坍塌堵孔

我国绝大部分煤层的伪顶或直接顶为泥岩，在穿层钻孔施工过程中，存在泥岩水化膨胀。其实质上是粘土矿物的水化膨胀。抽采钻孔泥岩段水化膨胀的内在因素是由于在积水压差与化学势差的作用下，水分子会侵入到粘土矿物微裂缝及颗粒之间的宏观孔隙，进一步进入到岩石亚微观与微观孔隙，发生表面水化和渗透水化。其外在影响因素很多，包括岩石压实程度、温度、孔隙流体种类、浓度、pH值、作用时间、水力压差与化学势差、岩石孔道结构与尺寸等。各种外因的叠加作用导致了水化膨胀研究的复杂性。

抽采钻孔泥岩段水化前后的区别主要有粘土颗粒吸水产生水化应力，岩石内部应力重新分布，引起孔隙压力变化；粘土颗粒水化膨胀，破坏岩石颗粒间原有胶结状态，导致钻孔围岩强度降低及力学性能参数发生变化。由于泥岩较为致密，故当其粘土矿物遇水膨胀体积增大后，产生较大的变形；岩石本身的空隙有限，造成岩石内部产生较大的膨胀力，从而产生较大的塑性变形，使孔径变小，钻孔施工初期变形大，发展快，可能导致钻孔严重变形，造成钻孔的破坏失稳，最终导致堵孔。

2 水射流破岩修复机理

岩体的破坏形式主要是在拉应力作用下的脆性破坏，岩石在射流的冲击下在打击区正下方某一深处将产生最大剪应力，打击接触区边界周围产生拉应力。假设射流作用于物体表面，反射后速度大小不变，根据动量定理，可得到射流对物体表面的总打击力:

式中:F——射流作用在物体上的打击力，N；

ρ——流体密度，kg／m3；

q——射流体积流量，m3／s；

v——射流流速，m／s；

α——射流方向变化的角度。

产生的拉应力和剪应力超过了岩石的抗拉和抗剪极限强度，在岩石中形成裂隙，水射流进入裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端产生拉应力集中，使裂隙迅速扩展延伸，致使岩石破碎。另外，流体渗入微小裂隙、细小通道、细小孔隙及其它缺陷处，降低了岩体强度，有效地参与了岩体的失效过程。同时，在岩体内部造成了瞬时的强大压力，使微粒从大块岩体上破裂出来。由于所有的煤岩体都是从不同程度的微观裂纹开始破坏的，这些微观裂纹对岩体的强度和失效的特性有明显的影响。在射流连续不断地打击作用下，岩体内部以及延伸到表面的裂纹数量会逐渐增加，这些裂纹的生成与扩展，最终导致岩体局部的破坏，实现对岩体的破碎。

使用高压水射流对抽采钻孔进行修复的实质是将堵塌孔的煤岩屑排出孔外，保证孔的畅通；对钻孔进行一定程度的扩孔，使钻孔失稳闭合钻孔时间延长，同时有一定的卸压作用，有利于抽采。

3 抽采钻孔修复技术

3.1 修复装备

瓦斯抽采钻孔修复设备使用自主研制的抽采钻孔水力作业机，其采用连续油管输送高压水，连续油管直径为16mm，与钻孔直径 (75～120mm)差值较大，保证了堵塌钻孔的煤岩粉能够从环空排出；长度可调至150m，以适应不同深度钻孔需求，在实施过程中，无需人工接管，可连续深入至钻孔内任意位置。瓦斯抽采孔水力作业机可通过远程控制调节喷嘴在孔内的位置、射流压力、射流排量，使抽采钻孔修复效率最大化，同时，也能够起到冲刷孔的作用，形成空腔，使煤体卸压，提高抽采效率，其最高压力为45MPa，流量200L／min。

3.2 抽采钻孔修复流程

(1)对已有抽采钻孔进行瓦斯抽采流量和浓度计量，在考虑抽采钻孔衰减及区域瓦斯含量的基础上，单孔抽采纯量降至最初成孔后抽采的1／5认为钻孔塌堵，在有条件情况下，可以进行钻孔窥视或探测，观察钻孔形貌，判断其是否塌堵。

(2)使用瓦斯抽采钻孔水力作业机进行全孔段水力喷射清洗修复，将塌堵煤岩渣排出孔外，保障孔内畅通。同时，可对钻孔封孔段以里进行扩孔，延缓钻孔因失稳而闭合的时间，增大了钻孔周边煤层透气性，提高了抽采效率。

(3)修复完成后可对其进行评价，如单孔抽采量提高1倍以上或窥视顺畅则认为修复成功。进入联抽阶段。

(4)修复不成功的重复 (1)～ (3)。

3.3 瓦斯抽采模式

图1 基于瓦斯抽采钻孔修复的瓦斯抽采模式

在使用抽采钻孔水力作业机进行抽采钻孔修复时，曾出现击碎已有抽采管的问题，导致钻孔排渣不畅，影响了修复效率。为保障抽采钻孔的有效抽采，提出瓦斯抽采模式，如图1所示。低渗煤层进行水力压裂、水力割缝或水力冲孔等强化工艺后，封孔的严密程度对瓦斯抽采影响并不大，抽采负压仅起到导流作用。因此对高渗煤层及改造之后的低渗煤层提出了临时封孔、低负压抽采、循环修复抽采模式，改变了以往密集钻、严封孔、高负压的抽采模式。

4 工程实例

4.1 抽采概况

新河煤矿为在建突出矿井，瓦斯含量为1.47～26.22m3／t，平均15.43m3／t。主采二1煤层，煤 层 埋 深 410.00～780.00m， 煤 厚 4.33～8.10m，平均厚度6.08m。二1煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩，间接顶板为细、中粒砂岩 (大占砂岩)，底板为灰黑色泥岩、砂质泥岩。为掩护煤巷掘进，新河矿采用顶板抽采巷穿层钻孔掩护煤巷掘进技术。对新河煤矿12091下顶抽采巷18个钻孔进行探测，探测结果图2所示。

图2 抽采钻孔堵塌孔实测

抽采钻孔成孔后的12～54d内，均发生了堵 塌孔情况，塌孔程度为0.10～1.47m／d，钻孔的塌堵程度并不与时间成比例增长，更大程度上决定于煤层岩层赋存及成孔条件，具体关系需进一步研究。有的钻孔甚至整个抽采煤段密封严实 (如3＃、4＃、5＃、8＃、12＃孔)，堵塞后抽采钻孔孔口浓度在0.2%～6.7%之间，抽采纯量几近为0，已满足不了抽采需求。

4.2 修复效果

通过远程操作将瓦斯抽采孔水力作业机的连续油管送至塌堵孔处，用30～40MPa压力、200L／min射流流量对抽采钻孔进行了分段连续冲洗，单孔出煤量平均为2～5t，保证了钻孔的畅通。单孔修复时间约为4～6h。冲洗完成后，使用临时封孔器进行抽采，在连续观测的一个月时间内单孔抽采浓度为42%～87%，单孔抽采纯量56～112 m3／d，相当于最初联抽纯量，个别钻孔 (如1＃、8＃、9＃、14＃)较以前相比提高了2倍。

5 结论

(1)抽采钻孔施工完成后，存在不同程度的塌堵孔，有必要对抽采钻孔进行修复，以延长抽采钻孔有效寿命，降低单孔抽采成本，提高抽采效率。

(2)分析了钻孔失稳的影响因素并探其机理，提出了高压水射流进行抽采钻孔修复的技术思路，配套采用了自主研发的抽采钻孔水力作业机进行抽采钻孔修复，现场应用证明是可行的。

(3)由于水会对煤层瓦斯解吸起到一定程度的抑制作用，有待于研究空气或雾化水等为介质的抽采钻孔修复技术。

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