水力造穴技术在顺层钻孔的应用研究

任海涛

(山西潞安集团余吾煤业公司,山西 长治 046103)

余吾煤业为山西潞安集团的一座高瓦斯矿井，设计生产能力7.5 Mt/a，平均煤厚6.0 m，瓦斯含量为 3.06～23.69 m3/t，煤层透气性系数范围区间是0.524 0～1.741 5 m2/MPa2·d，煤层局部区域可能具有瓦斯突出危险性。

1 水利造穴技术原理

水力造穴的基本技术原理[1]：通过高压水力射流对钻孔内的煤体进行切割扩孔，使得钻孔内部增加穴洞空间，对钻孔内部煤层进行卸压，使得煤层瓦斯得到更好的释放，增大了煤层的透气性[2]。顺层钻孔水力造穴的工程示例如图1所示。

1—履带钻机；2—高压螺旋钻杆；3—水刀；4—钻头；5—高压旋转水尾；6—高压软管；7—履带高压水泵站；8—履带煤水分离器

水力造穴具有以下特点[3-4]：

1) 水力造穴后会改变煤层瓦斯的赋存状态，使得洞穴空间内部产生更多的游离瓦斯，增强了瓦斯的流动排放状态；

2) 水力造穴可以释放创造产生的洞穴周围煤体内能，降低煤体及围岩的应力状态，减弱煤体的动力影响；

3) 水力造穴后煤体内部受到破坏，煤体暴露面积增大，透气性提高，同时能够释放煤层钻孔更深部的瓦斯压力；

4) 水力造穴能够使钻井内部的煤体进行湿润，从而提高了煤体的塑性，减弱煤体储存的弹性势能；湿润的煤体在后续掘金或回采期间可减少煤尘的产生[5-6]。

2 现场应用

2.1 工作面概况

N1105回风巷道设计长度3 069 m，正巷掘进2 569 m，反掘500 m，于2019年4月19日贯通。巷道断面为宽5.4 m，高3.8 m，断面积为20.52 m2。掘进期间按照相对高瓦斯区域进行管理，采用“迈步钻场+迎头40个释放孔+CO2气相压裂”的综合瓦斯治理措施，掘进期间采用2组FBD-No7.1/2×55 kW局扇，配风量为1 447 m3/min。施工初期巷道左帮敷设一趟D400 mm瓦斯管带抽巷道两侧顺层钻孔，后期随着钻孔数量增加，增设一趟D400 mm瓦斯管将后半段钻孔单独带抽，目前巷道已形成全风压通风。

2.2 钻孔施工情况

N1105回顺施工水力造穴钻孔期间最多共有3台钻机同时施工，2018年底，巷道反掘段开始施工水力造穴钻孔。N1105回顺自巷道1 996 m处，开始施工水力造穴钻孔，累计施工钻孔217个，钻孔施工范围为1 146 m，完成钻孔进尺34 745 m(正掘27 234 m+反掘7 511 m)。

自2018年5月开始施工水力造穴钻孔，钻孔设计深度155 m，钻孔间距5.0 m，开孔高度1.8 m，钻孔倾角+2°～+3°，方位角270°，造穴压力为15～20 MPa，造穴范围为31～119 m，造穴间距8.0 m/穴，造穴煤量1.0 t/穴，造穴位置如图2所示。造穴施工采用“后退式”造穴工艺，即钻孔成孔后钻杆边向外退边造穴，在退钻至不同孔位依次进行造穴施工。

图2 N1105回顺顺层钻孔水力造穴设计

2.3 施工参数及优化

1) 设计深度。由于N1105胶顺钻孔深度不足，为确保回采工作面钻孔覆盖范围，水力造穴设计深度由155 m增加为后期的170 m，切眼外400 m，施工钻孔平均深度156 m，最大深度达200 m。

2) 钻孔间距。考虑到钻孔深部范围无造穴增投施工，N1105回顺正掘水力造穴钻孔间距由前期的5.0 m缩小至4.0 m。

3) 造穴孔位。前期试验阶段钻孔的造穴范围为31～119 m，造穴间距8.0 m/穴，每孔造穴12个。为使造穴孔段布置更加均匀，提高顺层钻孔的整体抽采效果。奇数号孔造穴孔段为31～120 m，偶数号孔造穴孔段为35～124 m，每穴间距均为8.0 m。

图3 N1105回顺顺层钻孔水力造穴孔段布置(m)

2.4 造穴工艺

1) 先成孔、后造穴工艺。前期施工采取前进式造穴工艺，因频繁出现夹钻掉钻现象，后期施工过程中改变施工工艺，先采用麻花钻杆施工至设计深度，后改用高压钻杆造穴。造穴深度分别为80 m、90 m、100 m、110 m和120 m，最大造穴深度为120 m。

2) 高压钻杆改进。前期施工过程中使用的浅螺纹肋骨钻杆易夹钻，钻孔塌孔现象。后改用为三棱高压钻孔，减缓夹钻掉钻现象。最终应用河南铁福来公司专门设计的三翼高压钻杆。

3 施工效果分析

N1105回风巷道至2019年7月完成全部造穴钻孔施工，共计施工造穴钻孔217个。水力造穴钻孔最长抽采时间为14个月，为准确分析水力造穴钻孔的抽采数据变化规律，选取观测时间6个月以上的钻孔，对其浓度和流量变化规律进行分析。为比较水力造穴钻孔与普通钻孔的抽采效果，在N1105回顺选取与造穴孔同期成孔的5个钻孔进行了流量的对比。

3.1 造穴钻孔抽采变化规律

抽采6个月水力造穴钻孔纯量变化如图4所示。

图4 N1105回顺抽采6个月造穴钻孔纯量变化规律

以上钻孔成孔深度均为155 m，造穴9～12个。钻孔观测时间最长7个月，最短6个月。钻孔最大抽采纯量为0.24 m3/min，抽采60 d后流量衰减至平稳值，稳定在0.06 m3/min。其中S75号、S76号、S80号、S85号、S96号、S99号、S114号和S117号等钻孔分别在距切眼700 m、705 m、725 m、750 m、805 m、820 m、895 m和910 m的位置处。

为分析水力造穴钻孔的浓度变化规律，特对以上选取水力造穴钻孔的浓度变化规律进行了分析，如图5所示。

图5 N1105回顺抽采6个月造穴钻孔浓度变化规律

由上图5可知，统计的8个钻孔中有4个钻孔抽采4个月后出现缓慢下降趋势，其余4个钻孔在观测期间无明显下降趋势，均为高浓度状态。由曲线可知，钻孔的平均浓度稳定约在70%，高浓度抽采时间保持较长。

为准确求证水力造穴钻孔的抽采效果平均水平，特对8个钻孔抽采6个月期间的平均浓度进行了计算，得出N1105回顺施工水力造穴钻孔的平均抽采水平为抽采纯量0.068 m3/min，抽采浓度72.2%。

3.2 普通钻孔与造穴钻孔抽采浓度、纯量对比

表1 N1105回顺普通孔成孔参数

4个对比孔最长观测时间为4个月，普通钻孔的流量变化规律如图6所示。

图6 N1105回顺普通钻孔抽采4个月纯量变化规律

4个普通钻孔的平均深度为148 m，最大纯量为0.075 m3/min，平均纯量为0.026 m3/min。普通钻孔的衰减较快，抽采20 d后流量衰减至平稳值。

选取抽采时间与成孔深度相对一致的水力造穴孔与普通钻孔进行对比，水力造穴钻孔的最大抽采纯量0.24 m3/min 是普通钻孔0.075 m3/min的3.2倍；平均抽采纯量是普通钻孔的2.3倍；高效抽采时间是普通钻孔的3.0倍。

为对比水力造穴钻孔与普通钻孔的浓度变化规律，特对以上选取钻孔的浓度变化规律进行分析，如图7所示。

图7 N1105回顺普通钻孔抽采4个月浓度变化规律

由图7可知，普通钻孔抽采4个月内，钻孔浓度发生变化不大，通过选取N1105回顺4个对比孔平均抽采水平为抽采纯量0.032 m3/min，抽采浓度62.8%。N1105回顺施工水力造穴钻孔的平均抽采水平为抽采纯量0.068 m3/min，抽采浓度72.2%。

经过对比，水力造穴钻孔的抽采纯量是普通钻孔的2.1倍，钻孔浓度是普通孔的1.15倍。表明普通钻孔的高浓度抽采时间与水力造穴钻孔无明显差别。

4 结 语

2018年5月，N1105回顺未施工水力造穴时，钻孔数量为528个，巷道支管抽采浓度25.6%，抽采纯量11.4 m3/min；2019年7月完成施工水力造穴钻孔施工后，巷道支管前后两段平均浓度上升至29.2%，抽采纯量上升至21 m3/min，其中后半段大部分为造穴钻孔，最高浓度达到50.4%，取得较好抽采效果。