水力造穴技術在順層鉆孔的應用研究

任海濤

(山西潞安集團余吾煤業(yè)公司,山西 長治 046103)

余吾煤業(yè)為山西潞安集團的一座高瓦斯礦井，設計生產能力7.5 Mt/a，平均煤厚6.0 m，瓦斯含量為 3.06～23.69 m3/t，煤層透氣性系數(shù)范圍區(qū)間是0.524 0～1.741 5 m2/MPa2·d，煤層局部區(qū)域可能具有瓦斯突出危險性。

1 水利造穴技術原理

水力造穴的基本技術原理[1]：通過高壓水力射流對鉆孔內的煤體進行切割擴孔，使得鉆孔內部增加穴洞空間，對鉆孔內部煤層進行卸壓，使得煤層瓦斯得到更好的釋放，增大了煤層的透氣性[2]。順層鉆孔水力造穴的工程示例如圖1所示。

1—履帶鉆機；2—高壓螺旋鉆桿；3—水刀；4—鉆頭；5—高壓旋轉水尾；6—高壓軟管；7—履帶高壓水泵站；8—履帶煤水分離器

水力造穴具有以下特點[3-4]：

1) 水力造穴后會改變煤層瓦斯的賦存狀態(tài)，使得洞穴空間內部產生更多的游離瓦斯，增強了瓦斯的流動排放狀態(tài)；

2) 水力造穴可以釋放創(chuàng)造產生的洞穴周圍煤體內能，降低煤體及圍巖的應力狀態(tài)，減弱煤體的動力影響；

3) 水力造穴后煤體內部受到破壞，煤體暴露面積增大，透氣性提高，同時能夠釋放煤層鉆孔更深部的瓦斯壓力；

4) 水力造穴能夠使鉆井內部的煤體進行濕潤，從而提高了煤體的塑性，減弱煤體儲存的彈性勢能；濕潤的煤體在后續(xù)掘金或回采期間可減少煤塵的產生[5-6]。

2 現(xiàn)場應用

2.1 工作面概況

N1105回風巷道設計長度3 069 m，正巷掘進2 569 m，反掘500 m，于2019年4月19日貫通。巷道斷面為寬5.4 m，高3.8 m，斷面積為20.52 m2。掘進期間按照相對高瓦斯區(qū)域進行管理，采用“邁步鉆場+迎頭40個釋放孔+CO2氣相壓裂”的綜合瓦斯治理措施，掘進期間采用2組FBD-No7.1/2×55 kW局扇，配風量為1 447 m3/min。施工初期巷道左幫敷設一趟D400 mm瓦斯管帶抽巷道兩側順層鉆孔，后期隨著鉆孔數(shù)量增加，增設一趟D400 mm瓦斯管將后半段鉆孔單獨帶抽，目前巷道已形成全風壓通風。

2.2 鉆孔施工情況

N1105回順施工水力造穴鉆孔期間最多共有3臺鉆機同時施工，2018年底，巷道反掘段開始施工水力造穴鉆孔。N1105回順自巷道1 996 m處，開始施工水力造穴鉆孔，累計施工鉆孔217個，鉆孔施工范圍為1 146 m，完成鉆孔進尺34 745 m(正掘27 234 m+反掘7 511 m)。

自2018年5月開始施工水力造穴鉆孔，鉆孔設計深度155 m，鉆孔間距5.0 m，開孔高度1.8 m，鉆孔傾角+2°～+3°，方位角270°，造穴壓力為15～20 MPa，造穴范圍為31～119 m，造穴間距8.0 m/穴，造穴煤量1.0 t/穴，造穴位置如圖2所示。造穴施工采用“后退式”造穴工藝，即鉆孔成孔后鉆桿邊向外退邊造穴，在退鉆至不同孔位依次進行造穴施工。

圖2 N1105回順順層鉆孔水力造穴設計

2.3 施工參數(shù)及優(yōu)化

1) 設計深度。由于N1105膠順鉆孔深度不足，為確?；夭晒ぷ髅驺@孔覆蓋范圍，水力造穴設計深度由155 m增加為后期的170 m，切眼外400 m，施工鉆孔平均深度156 m，最大深度達200 m。

2) 鉆孔間距。考慮到鉆孔深部范圍無造穴增投施工，N1105回順正掘水力造穴鉆孔間距由前期的5.0 m縮小至4.0 m。

3) 造穴孔位。前期試驗階段鉆孔的造穴范圍為31～119 m，造穴間距8.0 m/穴，每孔造穴12個。為使造穴孔段布置更加均勻，提高順層鉆孔的整體抽采效果。奇數(shù)號孔造穴孔段為31～120 m，偶數(shù)號孔造穴孔段為35～124 m，每穴間距均為8.0 m。

圖3 N1105回順順層鉆孔水力造穴孔段布置(m)

2.4 造穴工藝

1) 先成孔、后造穴工藝。前期施工采取前進式造穴工藝，因頻繁出現(xiàn)夾鉆掉鉆現(xiàn)象，后期施工過程中改變施工工藝，先采用麻花鉆桿施工至設計深度，后改用高壓鉆桿造穴。造穴深度分別為80 m、90 m、100 m、110 m和120 m，最大造穴深度為120 m。

2) 高壓鉆桿改進。前期施工過程中使用的淺螺紋肋骨鉆桿易夾鉆，鉆孔塌孔現(xiàn)象。后改用為三棱高壓鉆孔，減緩夾鉆掉鉆現(xiàn)象。最終應用河南鐵福來公司專門設計的三翼高壓鉆桿。

3 施工效果分析

N1105回風巷道至2019年7月完成全部造穴鉆孔施工，共計施工造穴鉆孔217個。水力造穴鉆孔最長抽采時間為14個月，為準確分析水力造穴鉆孔的抽采數(shù)據(jù)變化規(guī)律，選取觀測時間6個月以上的鉆孔，對其濃度和流量變化規(guī)律進行分析。為比較水力造穴鉆孔與普通鉆孔的抽采效果，在N1105回順選取與造穴孔同期成孔的5個鉆孔進行了流量的對比。

3.1 造穴鉆孔抽采變化規(guī)律

抽采6個月水力造穴鉆孔純量變化如圖4所示。

圖4 N1105回順抽采6個月造穴鉆孔純量變化規(guī)律

以上鉆孔成孔深度均為155 m，造穴9～12個。鉆孔觀測時間最長7個月，最短6個月。鉆孔最大抽采純量為0.24 m3/min，抽采60 d后流量衰減至平穩(wěn)值，穩(wěn)定在0.06 m3/min。其中S75號、S76號、S80號、S85號、S96號、S99號、S114號和S117號等鉆孔分別在距切眼700 m、705 m、725 m、750 m、805 m、820 m、895 m和910 m的位置處。

為分析水力造穴鉆孔的濃度變化規(guī)律，特對以上選取水力造穴鉆孔的濃度變化規(guī)律進行了分析，如圖5所示。

圖5 N1105回順抽采6個月造穴鉆孔濃度變化規(guī)律

由上圖5可知，統(tǒng)計的8個鉆孔中有4個鉆孔抽采4個月后出現(xiàn)緩慢下降趨勢，其余4個鉆孔在觀測期間無明顯下降趨勢，均為高濃度狀態(tài)。由曲線可知，鉆孔的平均濃度穩(wěn)定約在70%，高濃度抽采時間保持較長。

為準確求證水力造穴鉆孔的抽采效果平均水平，特對8個鉆孔抽采6個月期間的平均濃度進行了計算，得出N1105回順施工水力造穴鉆孔的平均抽采水平為抽采純量0.068 m3/min，抽采濃度72.2%。

3.2 普通鉆孔與造穴鉆孔抽采濃度、純量對比

表1 N1105回順普通孔成孔參數(shù)

4個對比孔最長觀測時間為4個月，普通鉆孔的流量變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 N1105回順普通鉆孔抽采4個月純量變化規(guī)律

4個普通鉆孔的平均深度為148 m，最大純量為0.075 m3/min，平均純量為0.026 m3/min。普通鉆孔的衰減較快，抽采20 d后流量衰減至平穩(wěn)值。

選取抽采時間與成孔深度相對一致的水力造穴孔與普通鉆孔進行對比，水力造穴鉆孔的最大抽采純量0.24 m3/min 是普通鉆孔0.075 m3/min的3.2倍；平均抽采純量是普通鉆孔的2.3倍；高效抽采時間是普通鉆孔的3.0倍。

為對比水力造穴鉆孔與普通鉆孔的濃度變化規(guī)律，特對以上選取鉆孔的濃度變化規(guī)律進行分析，如圖7所示。

圖7 N1105回順普通鉆孔抽采4個月濃度變化規(guī)律

由圖7可知，普通鉆孔抽采4個月內，鉆孔濃度發(fā)生變化不大，通過選取N1105回順4個對比孔平均抽采水平為抽采純量0.032 m3/min，抽采濃度62.8%。N1105回順施工水力造穴鉆孔的平均抽采水平為抽采純量0.068 m3/min，抽采濃度72.2%。

經(jīng)過對比，水力造穴鉆孔的抽采純量是普通鉆孔的2.1倍，鉆孔濃度是普通孔的1.15倍。表明普通鉆孔的高濃度抽采時間與水力造穴鉆孔無明顯差別。

4 結 語

2018年5月，N1105回順未施工水力造穴時，鉆孔數(shù)量為528個，巷道支管抽采濃度25.6%，抽采純量11.4 m3/min；2019年7月完成施工水力造穴鉆孔施工后，巷道支管前后兩段平均濃度上升至29.2%，抽采純量上升至21 m3/min，其中后半段大部分為造穴鉆孔，最高濃度達到50.4%，取得較好抽采效果。