顺层钻孔水力割缝煤渣运移及排渣工艺技术研究

张永将，季 飞

(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)

瓦斯灾害是煤矿的主要灾害之一，瓦斯治理是确保矿井安全高效开采的重中之重[1-3]。由于我国大部分煤层均属于低渗透性煤层，导致瓦斯抽采效果差，抽采达标时间长，严重制约着矿井的安全高效开采[4-6]，所以提高煤层渗透性已成为提高瓦斯抽采效率、缩短抽采达标时间最主要、最有效的手段之一。

目前普遍采用的卸压增透技术主要包括水力冲孔、水力压裂、松动爆破及水力割缝等技术。水力冲孔压力一般为5～20 MPa，对松软煤层卸压增透具有较好效果，中硬煤层水力冲孔效率低，软煤层冲孔孔洞形态难控制，出渣不均匀，作业时可能出现塌孔、喷孔或巷道瓦斯超限[7]；水力压裂影响范围大、增透效果好，适用于中硬煤层，但对煤体内裂纹方向控制难度较大，对顶底板条件及封孔质量要求较高，分段定向压裂过程中若控制措施不到位则会导致卸压不均匀[8]；炸药松动爆破在煤层卸压增透中应用较少，顺层长钻孔装药困难，作业过程存在瞎炮、拒爆风险[9]。

超高压水力割缝技术凭借其额定压力高、适用性强、操作简便、安全性高、局部效果明显等优势在全国各矿区得到了广泛应用[10-14]。国内外学者也对水力割缝卸压增透机理及工艺进行了探索，宋维源等[15]认为水力割缝可以使煤体应力松弛、卸压、破坏、破裂，从而成倍甚至十几倍地提高煤层的渗透性，继而对煤层瓦斯进行抽采，避免瓦斯灾害的发生；ZOU Q L等[16]提出利用水力割缝技术预防和控制煤巷掘进过程中的煤与瓦斯突出灾害，有效地增大了钻孔的影响范围。割缝钻孔的平均抽采瓦斯浓度约为普通钻孔的3.7倍。

在钻孔排渣方面国内外学者也作了相关研究，王永龙等[17]通过建立常态钻孔、开放型钻穴和填充型钻穴排渣模型，对孔内钻屑运移进行了气固耦合动力学分析；YANG X G[18]在研究长螺旋钻进钻屑运移规律的基础上，建立了新的临界转速计算方法，指出临界转速沿叶片径向是变化的，并且是关于给进速度的函数，最后讨论了实用临界转速及钻杆实际转速的确定原则。

虽然国内外学者对超高压水力割缝卸压增透原理及现场应用研究较多，但对于钻进后钻孔形态分布、割缝后不同阶段钻孔煤渣运移规律未见研究；虽对钻孔排渣进行了部分分析，但缺乏割缝过程中钻孔堵孔机理方面研究，未形成顺层钻孔割缝排渣工艺技术体系。顺层钻孔割缝的顺畅排渣不仅影响着割缝过程中的安全性，也对后期钻孔抽采效果有着显著的影响。笔者拟分析割缝钻孔钻进形态，研究割缝钻孔内煤渣运移规律及堵孔机理，形成顺层钻孔割缝排渣工艺技术，对于保障顺层钻孔割缝成功实施具有重要意义。

1 顺层长钻孔割缝排渣堵孔模型

1.1 长钻孔钻进钻孔倾斜下沉模型

在顺层钻孔施工过程中，由于前端携带钻头及割缝器，导致前端质量增大，因此在钻进过程中将会出现钻孔向下偏移现象。割缝钻孔在垂直方向的偏移下沉情况如图1所示。

图1 顺层长钻孔倾斜下沉模型图

从图1中可看出，可将钻孔钻进分为3个阶段：开孔段、倾斜下沉段和加速下沉段。其中开孔段表现为此时钻孔钻进距离较短，孔内钻杆、割缝器及钻头重量之和产生的向下弯曲力矩相比于钻杆本身强度较小，钻杆依然能按照设计角度向前钻进；倾斜下沉段表现为随着钻进深度的增加，孔内钻杆重量逐渐增大，钻头及割缝器将带着钻杆向下偏移下沉，钻孔角度将由正角度逐渐变化为负角度；加速下沉段主要表现为随着钻孔向前钻进，钻孔角度将进一步向下倾斜，其向下偏移速率也持续增大。

1.2 钻孔割缝各阶段堵孔模型及现象分析

1.2.1 加速下沉段堵孔分析

加速下沉段由于钻孔下沉导致倾角较大，水流将充满整个钻孔空间，割缝后煤渣将与水流完全混合，形成固液两相流体，当流体中煤体颗粒质量浓度逐渐增大后，由于水流升力有限，煤体颗粒将在钻孔底部开始沉积，如果此时割缝产渣量再进一步增加，就将出现大量煤体颗粒堆积于钻孔底部的情况，从而出现堵孔现象，如图2所示。

图2 加速下沉段堵孔模型

由图2可看出，此时由于煤渣量过大，煤渣沉积于钻孔底部并最终充满整个钻孔，此时的割缝钻孔孔口现象主要包括：钻机转矩急剧上升；孔口返水量逐渐减小并可能导致不再返水；孔口返渣量迅速减小。而引发这种堵孔现象的主要原因为孔内煤水两相流体比例的失衡，水流升力不足以抵消煤体颗粒的下沉力，同时钻杆对两相流体的扰动作用降低也是一个主要原因。

1.2.2 倾斜下沉段堵孔分析

相较于加速下沉段，倾斜下沉段是钻孔倾角由正角度向负角度转变的阶段，处于钻孔最高点位置，且该阶段钻孔相对较平顺。因此当煤水混合两相流体流经倾斜下沉段后，水流与煤体颗粒不再完全混合，水流会相对于煤体颗粒更快流出至孔口，因此该阶段水流不再充满整个钻孔空间，而是在钻孔上部出现空白区域。而该阶段煤体颗粒的主要动力源由水流上升力转变为钻杆外螺旋转动对煤体颗粒的驱动力。倾斜下沉段堵孔情况如图3所示。

图3 倾斜下沉段堵孔模型

从图3可看出，此时堵孔的煤体颗粒主要分布于钻孔下半部区域，大量的煤体颗粒沉积于钻孔底部从而引发堵孔现象。此时的割缝钻孔孔口现象主要包括：钻机转矩逐渐上升；孔口返水量有所减小，但存在持续返水情况；孔口水流及煤渣呈现不连续涌出现象，煤渣量逐渐减小。

2 钻孔各阶段煤渣运移情况分析

2.1 加速下沉段煤渣运移情况

根据1.2节所述，在钻孔加速下沉段内，水流充满整个钻孔空间，钻孔内割缝所产生的煤渣将与水流充分混合，从而形成固液两相流体，因此可利用固液两相流理论对加速下沉段内煤渣运移情况进行分析。根据固液两相流理论，两相流体在流经钻孔通道时，其能否顺畅排出的主要影响因素包括：水流速度、两相流体中煤体颗粒所占比例。加速下沉段钻孔内煤渣运动情况如图4所示。

(a)平行钻孔轴向方向

F1—水流拖拽力；F2—水流上举力；F3—钻杆旋转产生的升力；Fg—煤体颗粒群自身重力。

图4 加速下沉段煤渣运动受力情况

由图4可看出，处于加速下沉段内煤体颗粒主要受水流拖拽力F1、水流上举力F2、钻杆旋转升力F3及煤体颗粒群自身重力Fg共同作用，为了确保煤渣能够顺利排出，则煤体颗粒群不能在钻孔底部沉积，于是应满足：

F1sinθ+F2+F3>Fg

(1)

式中：F1sinθ为F1在垂直方向上的分力；θ为钻孔与水平方向的夹角。

由式(1)可得出，水流速度越快，水流量越大，将会增大水流拖拽力F1和水流上举力F2，在钻杆旋转产生的升力F3一定的条件下，越有利于割缝过程中的顺畅排渣。而煤体颗粒质量浓度的增加将削弱两相流体内水流对煤体颗粒的升力，从而不利于割缝过程中的排渣。而钻杆旋转将对两相流体中煤体颗粒的下沉产生扰动，钻杆旋转产生的搅动作用能对煤体颗粒群产生升力，使煤体颗粒群与水流的混合更均匀，因此钻杆转速越快越有利于钻孔排渣。

2.2 倾斜下沉段煤渣运移情况

在煤渣运移至倾斜下沉段后，由于此时钻孔角度已逐渐由负角度转变为正角度，此时固液两相流体流经该阶段时，水流将不再充满整个钻孔空间，而是相比煤渣更加快速地流向孔口，此时大量煤渣将在钻孔底部沉积，水流对煤渣的拖拽力将显著减小，但是此时由于煤渣大量沉积于钻孔底部并与钻杆紧密接触，因此此时钻孔旋转的螺旋力将明显增大，此阶段煤渣运移的主要动力由水流拖拽力转变为钻杆外螺旋转动对煤体颗粒的驱动力，此阶段煤渣运移情况如图5所示。

F4—钻杆外螺旋转动对煤体颗粒的驱动力。

图5 倾斜下沉段煤渣运动受力情况

在倾斜下沉段，影响排渣的最大因素为钻杆转速及钻杆外螺旋深度，钻杆转速越快，钻杆外螺旋深度越大，则越有利于在倾斜下沉段的顺畅排渣。

3 顺层钻孔割缝排渣技术研究

3.1 割缝排渣合理参数研究

在顺层钻孔割缝过程中排渣受多种因素影响，主要包括：割缝压力、割缝流量、煤层坚固性系数、钻孔角度、钻杆转速等。根据第2节所述，确保割缝煤渣顺利排出的关键在于两点：确保加速下沉段内煤水混合两相流体中煤体颗粒所占比例适当，煤渣能够在水流作用下排出至倾斜下沉段；倾斜下沉段内钻杆转速达到排渣要求，能够为煤体颗粒提供足够的螺旋排渣力，帮助煤渣到达开孔段。而当煤渣到达开孔段后，由于钻孔成正角度，在水流和钻杆螺旋的共同作用下，煤渣能够很好地被排出至孔口。

根据固液两相理论，两相流体中对于煤渣颗粒的负载量有一个临界值，当两相流体中煤体颗粒小于临界负载量时，水流能够很好地为煤体颗粒提供升力，从而裹挟煤渣颗粒向孔外流动；而当两相流体中煤体颗粒超过临界负载量时，水流将不能提供足够升力，煤渣也将沉积于钻孔中，并最终导致堵孔现象的发生。因此在长钻孔割缝过程中，需要时刻关注孔口返水返渣情况，并通过调整割缝压力及钻杆转速，确保孔内煤渣量始终小于孔内的临界排渣量，其排渣模型如图6所示。

图6 钻孔割缝排渣模型

根据笔者团队在全国各矿区开展的现场试验，并对不同煤层坚固性系数条件下割缝压力及钻杆转速等数据进行分析，得到合理割缝参数随煤层坚固性系数变化曲线，如图7所示。

图7 不同煤层坚固性系数条件下合理割缝排渣参数变化图

从图7中可看出，随着煤层坚固性系数升高，合理割缝压力也逐渐升高，而对应的合理钻杆转速则逐渐降低。这是由于当处于较松软煤层时，其割缝落煤量较大，因此只能选择较低的割缝压力以减小割缝时的落煤速度，而此时由于割缝落煤量较大，需要提高钻杆转速辅助排渣，同时提高钻杆转速还能降低射流对煤体的切割能力，从而减少割缝落煤量。而当处于较为坚硬的煤层时，由于落煤量较小，堵孔风险较小，此时应增大割缝压力来提高割缝效率，同时降低钻杆转速来提高射流对煤体的割缝压力。

3.2 顺层钻孔割缝排渣工艺技术

针对长钻孔割缝卸压增透技术工艺，能否实现顺畅排渣是试验成功与否的关键点，保证顺畅排渣既能保障割缝过程中的作业安全，也能为后期瓦斯抽采提供较好的孔内条件。而长钻孔排渣的工艺特点主要包括以下内容：

1)割缝前孔内需返清水后方可开始升压割缝，压力提升梯度需缓慢合理，20 MPa→30 MPa→40 MPa→50 MPa→指定压力，每次升压间隔必须在2 min以上；

2)割缝过程中始终观测孔口返水返渣情况，如遇孔口返水返渣量明显减少，钻机转矩明显增大，则表明钻孔加速下沉段出现堵孔、抱钻现象，此时应立即降低割缝压力，加大钻杆转速，疏通钻孔后方可继续割缝；

3)若割缝过程中出现孔口煤水呈现一股一股涌出状态，则表明倾斜下沉段堵孔，此时应增大钻杆转速，适当降低割缝压力，使孔内煤渣能够顺利排出；

4)每刀割缝完成后应将压力调至0 MPa，并持续3 min以上，对钻孔进行洗孔，确保孔内煤渣被完全排出，为后期抽采提供有利条件。

4 现场应用

4.1 试验方案

试验矿井为贵州新田煤矿，试验区域为1402工作面，主采4号煤层，煤层厚度5.2 m，煤层倾角5°。实测最大瓦斯压力为1.65 MPa，瓦斯含量为6.8～8.2 m3/t，煤层坚固性系数f为0.6。钻孔设计在工作面机巷，布置25个顺层试验钻孔(G1～G25)，对比钻孔20个(D1～D20)，钻孔间距均为10 m，孔深100 m，割缝钻孔与对比钻孔间距20 m。其中G1～G10为合理割缝参数试验考察孔，分别采用不同压力及不同钻杆转速进行割缝试验，并记录割缝时间、排渣量及割缝过程中的返水返渣情况，同时验证排渣工艺。在合理割缝参数确定后进行超高压水力割缝试验，对排渣量、抽采瓦斯纯流量等参数进行考察，并与对比钻孔的相应数据进行比较分析。

4.2 排渣合理参数考察孔结果分析

试验考察孔G1～G10割缝参数及割缝情况如表1所示。

表1 试验钻孔割缝情况

对G1～G10号割缝试验孔分别采用割缝压力70、80、90 MPa和钻杆转速50、60、70、80 r/min进行交叉试验，并将试验结果按照不同割缝压力分组进行对比，结果如图8所示。

图8 不同割缝参数下割缝平均单刀出煤量变化图

从图8中可看出，随着割缝压力的增高，其割缝出煤量也明显增大。且在割缝压力一定的情况下，增大钻杆转速将减少割缝出煤量，并提升钻孔排渣效果。根据以上对比不难发现，针对坚固性系数0.6的煤层，选择70 MPa压力相对过低，将影响割缝效果；而选择90 MPa压力在割缝过程中抱钻及堵孔现象严重，影响割缝安全。因此，割缝合理排渣压力应为80 MPa左右，而对应的割缝合理排渣钻杆转速应为70 r/min。

4.3 瓦斯抽采效果对比分析

在确定合理割缝排渣参数后即对剩余钻孔开展割缝试验，并与对比钻孔进行比较。抽采60 d内割缝钻孔与对比钻孔单孔平均抽采瓦斯纯流量变化曲线如图9所示。

图9 割缝钻孔与对比钻孔单孔平均抽采瓦斯纯流量变化曲线

由图9可知，割缝钻孔平均抽采瓦斯纯流量最大值为0.335 m3/min，最小值为0.144 m3/min，平均值为0.248 m3/min；对比钻孔平均抽采瓦斯纯流量最大值为0.140 m3/min，最小值为0.035 m3/min，平均值为0.068 m3/min。割缝钻孔平均抽采瓦斯纯流量是对比钻孔的3.6倍。由此可见，采用超高压水力割缝后，选择合理的割缝参数，能有效提高煤层透气性，提升钻孔瓦斯预抽效果。

5 结论

1)根据割缝钻孔钻进前端钻头下沉现象，将长钻孔分为加速下沉段、倾斜下沉段及开孔段，并结合现场分析得出倾斜下沉段堵孔现象为孔口煤水呈不连续涌出现象，而加速下沉段堵孔则呈现孔口返水量突然减小、钻杆转矩显著增大现象。

2)根据固液两相流理论，分别分析了加速下沉段及倾斜下沉段钻孔煤渣运移情况，加速下沉段煤渣运移以水力提高升力为主，钻杆旋转促进煤渣与水混合，并减少煤体颗粒沉积；而倾斜下沉段排渣则以钻杆外螺旋旋转提供驱动力为主。

3)通过大量现场数据分析，得出不同坚固性系数煤层条件下合理割缝压力及钻杆转速参数，并指出顺层长钻孔排渣关键点主要包括合理割缝压力及钻杆转速参数选择、压力调节梯度、孔口返水返渣情况观测，以及延长割缝后低压洗孔时间4个方面。

4)现场试验结果分析表明，采用割缝排渣工艺技术，能有效避免割缝堵孔风险，提高割缝成功率，割缝钻孔较对比钻孔抽采瓦斯纯流量提高3.6倍，保障了顺层钻孔割缝安全高效实施。