瓦斯抽采钻孔水射流协同修护技术研究与应用

刘延保，巴全斌，申 凯，靳妮倩君

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

瓦斯抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的根本措施，其抽采效果与煤矿安全生产密切相关。我国煤矿瓦斯抽采尚处于重视生产而不重视维护阶段[1]，施工钻孔完成联抽后任其衰竭，致使抽采工程投入与钻孔利用率、瓦斯抽采率严重不匹配，普遍存在钻孔有效抽采时间短、抽采浓度低的问题，造成抽采钻孔数目众多而抽采量有限的尴尬局面。

近年来，国内部分学者开展了钻孔修复相关技术装备的研究，苏现波[2-3]、刘晓[4]、范超[5]等基于煤矿井下水力化措施在钻孔钻进、增透、修复中发挥的作用，研制了抽采钻孔水力作业机，提出“临时封孔、合理负压、循环修复”的抽采模式，但该装备存在结构复杂、循环修复工作量大等问题。刘勇等[6]提出采用自进式旋转钻头修复钻孔的新方法，利用钻头后置喷嘴反冲力行至钻孔堵塞段，对堵孔煤渣进行修复，同样该设备系统庞大，钻头自进方向无法有效控制，适用条件有限。

笔者从抽采钻孔塌堵失效作用机制出发，总结分析影响钻孔失稳塌堵孔因素，提出水射流疏通—筛管护孔协同修护技术，研制了操作简便、易于搬运的轻型气动钻孔修护装备，以实现钻孔快速修复和有效支护的目的，解决塌堵钻孔无法有效抽采的难题。

1 抽采钻孔塌堵失效作用机制

1.1 煤层属性与赋存环境条件

1.1.1 煤层属性及地质构造条件

我国含松软煤层煤矿数量非常庞大，据不完全统计[7]，全国重点矿业集团含松软煤层煤矿数量占总煤矿数量的53.3%，尤以西南矿区最为突出。松软煤层经历地质构造运动，煤体原生裂隙被破坏，煤质变软，普遍存在“三高一低”的赋存特点，即高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性[8]。同时，在地质演化过程中也形成了多种地质构造，如破碎带、陷落柱、褶皱、断层等。破碎带是具有强度低、易变形特性的局部软弱带，与附近煤岩体在物理力学特性上存在显著差异，主要分为高应力破碎带和断层破碎带；断层的岩性突变也是影响钻孔稳定性的一个重要因素；褶皱分为向斜和背斜构造，褶皱构造应力变化区，尤其是张应力区易造成钻孔的失稳破坏；陷落柱的岩性突变形成软硬交接异常区域，也是导致钻孔失稳的因素之一。位于地质构造复杂区域的钻孔，尤其在松软煤层中，钻孔失稳塌堵情况极易发生，表现为钻孔全孔段或局部区段失稳破坏，常在钻孔施工阶段即发生失稳，随时间演化至完全堵孔。

1.1.2 黏土层水化膨胀作用

我国煤岩层中普遍存在黏土层，如大部分煤层的伪顶或直接顶为泥岩，遇水会发生膨胀，其实质为黏土矿物的水化膨胀作用[9]。穿层钻孔经过黏土层时，在水化和多种因素作用下，钻孔黏土段围岩强度和力学性能发生改变，体积膨胀并发生塑性变形失稳破坏，表现为孔径变小或钻孔局部被堵塞。如重庆矿区某矿地层含铝土层，穿层钻孔施工段遇水发泡进而产生蠕性膨胀形成致密堵塞段，造成大面积钻孔堵塞并导致瓦斯抽采率断崖式下降。

1.2 多应力耦合钻孔应力分布规律

1.2.1 钻孔径向应力分布

抽采钻孔可以被看作为微型圆形巷道，因此可将其按照巷道围岩应力场力学模型进行分析[10-11]。钻孔围岩应力主要有原岩应力和采动应力。原岩应力又包括自重应力、构造应力、瓦斯压力等，影响原岩应力的因素主要有煤层埋深和地质构造，自重应力对钻孔稳定性的影响主要为垂直地应力；构造应力及煤变质作用对松软煤层的形成具有主导作用；瓦斯压力对钻孔失稳的影响体现在瓦斯吸附和解吸前后作用煤壁的压缩变形；而在巷道掘进、工作面回采和钻孔钻进过程中，周围煤岩体的采动应力发生变化，造成钻孔周围应力场二次分布。

由于应力释放、转移及强卸载作用引起的煤岩体破碎，使煤岩体经历多次变形和破坏过程，在围岩应力场、瓦斯压力和煤体原生裂隙的影响下，孔壁受到剪切破坏和张性破坏，沿钻孔径向依次形成破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区[12]，形成一定范围的卸压区域，该区域内煤体强度降低、煤体内产生大量裂隙，在得到支护情况下可以减小抽采钻孔径向塑性破坏区范围，使钻孔孔壁稳定性得到有效改善，如图1所示。

Ⅰ—破碎区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区；Ⅳ—原岩应力区；

1.2.2 钻孔轴向应力分布

巷道掘进为采动一次应力作用，其破坏了原始煤岩体的应力平衡状态，使得围岩应力重新分布，集中应力向煤岩体深部转移；钻孔施工对围岩产生进一步的破坏，为二次应力作用，使采动应力继续向深部转移[13]。围岩应力重新达到平衡状态后，巷道两侧沿钻孔轴向应力分布由外往里依次形成破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区[14-15]，如图2所示。

Ⅰ—破碎区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区；Ⅳ—原岩应力区。

在钻孔施工过程中，当应力值达到煤岩体的强度极限后，钻孔周围煤岩体将发生不可避免的损伤和塑性破坏。围岩破碎区，所受应力低于原岩应力，裂隙沟通良好，裂隙最为发育；塑性区内，钻孔围岩产生塑性变形，在此区域内孔壁易发生失稳变形，钻孔径向裂隙与塑性区裂隙贯通；钻孔在弹性区时，处于弹性变形阶段。因此破碎区和塑性区是钻孔失稳破坏最为严重区段。

2 抽采钻孔水射流协同修护技术

2.1 水射流协同修护技术原理

抽采钻孔水射流协同修护原理是以高压水为动力，利用水射流在管路疏通、排渣的技术优势，由高压水泵升压后的水体通过喷头喷嘴获得巨大的动能对煤渣和钻孔破碎区煤块颗粒施加刮削破碎和冲散作用，从而实现对钻孔塌堵闭合段进行疏通解堵，并利用筛管进行同步护孔，使钻孔失稳塌堵段得到有效支撑，防止钻孔再次堵塞或闭合，确保瓦斯运移通道的畅通，进而保证良好的抽采效果。

2.2 水射流参数计算

为满足工程应用，根据伯努利和连续方程[16]，得到射流流速的简化公式：

(1)

式中：v为射流速度，m/s；p0为射流压力，MPa。

进而得到喷头的压降公式：

(2)

式中：q为射流流量，L/min；μ为流量系数，取0.95；de为喷嘴当量直径，mm。

其中，多喷嘴当量直径计算公式如下：

(3)

式中dn为第n个喷嘴的直径，mm。

目前，关于高压水射流破岩作用机制形成了多种理论假说，其中拉伸—水楔和密实核—劈拉破岩理论对于低速旋转的外旋式射流的拉压与脉冲联合破岩作用有较好的适用性[17]。A M Hypabacknh由密实核—劈拉破岩理论得出射流破岩临界压力约为煤岩抗剪强度的2倍，根据中国石油大学沈忠厚院士的试验结论[18]，高压旋转水射流若要实现破岩应满足p0≥τs(τs为抗剪强度)。查阅岩体力学资料显示，煤抗剪强度为1.08～16.20 MPa。

高压水泵输出压力为射流压力和管路沿程阻力损失之和，沿程阻力损失Δp计算公式为[19]：

(4)

式中：D为高压管路直径，mm；Re为雷诺数，取11 165q/D；q为射流体积流量，L/min。

根据公式(4)可知，管路直径越小，则压力越高，沿程阻力越大，当管路直径为8 mm时，沿程阻力损失为0.034 MPa/m。假设钻孔修复深度为50 m，则管路沿程阻力损失为1.7 MPa。

考虑到钻孔塌堵段实际为变形闭合的裂隙煤体和坍塌后被压实的煤粉煤渣，其抗压强度和抗剪切强度远小于原煤体强度。综合考虑其他影响因素，为确保喷头射流可以畅通疏通修复塌堵钻孔，水泵输出水压应在17.9 MPa以上。

3 抽采钻孔水射流协同修护装备及工艺

3.1 水射流协同修护装备

抽采钻孔水射流协同修护技术装备主要包括轻型气动高压水泵、自进式旋转喷头、高压修复管、水箱、筛管等，抽采钻孔水射流协同修护装备及其工艺流程如图3所示。该系统装备充分考虑井下应用环境，实现了煤矿井下易于搬运操作和快速进行钻孔修复的目的。

1—井下压风管；2—井下供水管；3—泵进风管；4—压风阀；

1)轻型气动高压水泵。是动力输出装备，以压风为动力源，工作气压为0.4～0.7 MPa，耗气量为12 m3/min，体积550 mm×400 mm×553 mm，井下压风量满足要求；额定压力20 MPa，额定流量15 L/min，满足钻孔射流疏通所需要的水压、流量等要求。

2)自进式旋转喷头。是水射流疏通解堵的关键部件，高压水通过高压管路输送至喷头从而形成水射流，正向喷嘴破碎冲散钻孔变形闭合煤体和坍塌后被压实的煤渣；反向喷嘴提供喷头旋转动力并冲排煤渣。通过计算和考虑实际加工圆整度，喷嘴当量直径选为1.3 mm，采用前三后二布置方式。

3)高压管路及筛管。筛管采用矿用聚氯乙烯管，直径40 mm，满足煤矿常规钻孔直径要求，并对钻孔塌堵段进行有效支撑，保证钻孔瓦斯流动通道的畅通；高压管路采用高压软管，外部直径13.3 mm，内部直径8.0 mm，既降低了管路沿程阻力损失又能保证软管在筛管中通行，实现了煤矿井下钻孔的快速、便捷修复。

3.2 水射流协同修护工艺流程

抽采钻孔射流疏通—筛管护孔协同修护技术具体工艺流程如下：

1)施工完成钻孔联抽后，对单孔抽采瓦斯浓度和流量衰减较快的钻孔进行诊断，确定钻孔塌堵情况和堵塞段位置。

2)检查装备是否完好，接入井下压风和供水管路，将高压修复管放入筛管内同步下入抽采钻孔至塌堵段，再次检查设备管路等是否准备就绪。

3)打开供水和压风阀门，启动轻型气动高压水泵，调节水泵输出压力、流量，匀速推送高压修复管和筛管，若筛管无法推进，则推送喷头往复疏通，待煤渣顺利返排后继续前进；若仍然无法推进，可提高泵组输出水压。

4)不断增加高压修复管和筛管的长度，直至达到抽采钻孔的最大修复深度。调节水泵输出压力，撤出修复管路，进行下一钻孔的修护操作。

5)钻孔修护完成后，重新进行联抽。

4 应用效果分析

4.1 试验地点概况

根据王坡煤矿地质资料，井田面积25.35 km2，设计生产能力3 Mt/a，煤层瓦斯含量8.53～10.44 m3/t，透气性系数为2.575 m2/(MPa2·d)，绝对瓦斯瓦斯压力0.36～0.58 MPa，煤的坚固性系数f值为0.63～0.95，煤层结构简单，但煤质松软、透气性较差，为高瓦斯煤层，平均抽采瓦斯浓度(甲烷体积分数)和抽采瓦斯纯流量分别为26%和0.15 m3/min，抽采效果一般。

工作面预抽钻孔采用单排布置方式，水平间距2.5 m，钻孔倾角-10°～ 3°，钻孔直径113 mm，钻孔高度1.5 m，钻孔抽采瓦斯浓度偏低且衰减快，尤其孤岛工作面两侧巷道应力较大，抽采钻孔塌堵孔现象较为严重，极大地增加了瓦斯抽采时间和难度。

4.2 效果考察分析

根据试验工作面钻孔瓦斯抽采数据资料，针对单孔抽采瓦斯浓度和抽采瓦斯纯流量较低的塌堵钻孔采用水射流协同修护技术进行处理。本次试验中，试验钻孔数量共计17个，水射流协同修护深度为 15～50 m。为了验证水射流协同修护效果，对试验钻孔进行跟踪考察，并绘制抽采钻孔修复前后瓦斯抽采日平均数据变化曲线，如图4所示，对修复前和修复后的钻孔瓦斯抽采效果进行对比分析。

图4 试验钻孔修复前后瓦斯抽采日平均数据变化曲线

从图4中可以得出，试验钻孔修复完成后抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量均大幅提高。在近2个月的抽采时间内，钻孔修复前日平均单孔抽采瓦斯纯流量为0.05 m3/min左右，修复后保持在0.10 m3/min左右；修复前日平均抽采瓦斯浓度仅为10%左右，修复后提高至20%以上。即修复后试验钻孔抽采瓦斯浓度提高0.57～3.67倍，平均为1.84倍；抽采瓦斯纯流量提高0.99～5.15倍，平均为2.35倍。抽采效率恢复到同期抽采钻孔的75%以上，效果显著。从试验结果看出，抽采钻孔水射流协同修护装备可以较好地解决钻孔因变形塌堵和煤渣积聚等导致钻孔堵塞失效的问题，确保了钻孔瓦斯流动通道的及时恢复与畅通，极大地提高了抽采钻孔利用率和抽采效率。

5 结论

1)从抽采钻孔塌堵失效作用机制出发，系统分析了影响钻孔失稳塌堵孔的因素，得出煤岩体性质、地质构造及多应力耦合条件是造成钻孔失稳的主要因素，进而分析得到不同影响条件下钻孔塌堵情形和堵塞段位置。

2)基于高压水射流解堵作用原理，提出了水射流疏通—筛管护孔协同修护技术，研制了轻型气动钻孔修护装备，实现了塌堵钻孔的快速便捷修复。

3)应用结果表明，试验钻孔修护深度达到50 m，修护完成后单孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量较修复前提高0.57～3.67倍和0.99～5.15倍，抽采效果大幅改善，有效解决了抽采钻孔塌堵孔后无法有效抽采的技术难题。