鉆沖護一體化水力卸壓篩管護孔瓦斯高效抽采技術研究

許彥鵬，楊萬里，栗海滔，武新文，王斌榮，張浩

（1.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 安全科學和工程學院，河南 焦作 454000；3.山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000；4.中煤昔陽能源有限公司 白羊嶺煤礦，山西 晉中 045300）

0 引 言

目前我國煤礦井下常見的煤層卸壓增透措施有水力沖孔、水力割縫、水力壓裂、預裂爆破等［1-4］，這些措施是煤礦安全高效開采的重要保障。其中，水力沖孔造穴技術在煤礦中應用廣泛［5-7］，但在地質構造復雜多變的條件下，由于地應力、瓦斯壓力和水力沖孔造穴等的擾動作用，常出現鉆孔坍塌和堵孔，導致瓦斯抽采護孔篩管下入深度淺［8-11］。鉆孔蠕變導致未下放篩管的鉆孔段塌孔，瓦斯抽采通道被堵塞，嚴重影響瓦斯抽采鉆孔的有效使用壽命和抽采效果。因此，學者對鉆孔的全孔下放篩管護孔技術開展了研究［12-13］，其工藝流程為從大通徑鉆桿內通孔下入篩管提高護孔深度，該技術僅用于普通瓦斯抽采。

目前，沖孔造穴工藝成孔后普遍采用裸孔抽采，受擾動后鉆孔易出現塌孔，特別是受到水射流反復多次沖擊破壞，在負壓抽吸作用下更易坍塌，影響瓦斯抽采效果，提鉆后篩管又難以下放至預定位置［14-15］，由于護孔深度淺，鉆孔塌孔導致瓦斯抽采通道堵塞，因此，提高篩管護孔深度是保證瓦斯抽采通道暢通的有效措施。對于未沖孔的普通鉆孔，目前有學者從鉆桿內孔下放篩管實現全孔護孔，但該技術還無法實現沖孔后直接下放篩管，主要原因為現有水力沖孔器無法穿過篩管。因此，本文擬研發一種高低水壓切換、沖孔造穴后可穿過篩管的裝置，能夠一次性完成鉆孔鉆進、水力沖孔造穴和不提鉆全孔下放護孔篩管，以期有效防止瓦斯抽采流量衰減，提高抽采效果。

1 鉆沖護一體化水力卸壓篩管護孔 瓦斯高效抽采技術

1.1 鉆沖護一體化護孔理論基礎

為解決水力沖孔造穴后鉆孔塌孔堵孔問題，從瓦斯抽采鉆孔失穩特征入手，對鉆孔護孔機理進行分析，尋求一種在水力沖孔造穴后保證瓦斯抽采通道暢通的有效途徑。

鉆孔失穩塌孔主要影響因素有地質因素、瓦斯因素、水分因素和技術因素等。隨著卸壓增透技術發展，目前大多數煤礦采用水力沖孔、水力割縫、水力沖孔造穴等卸壓增透措施，煤層含水率增大會降低煤的瓦斯解吸能力和解吸速度，降低瓦斯突出危險性，但同時水對煤層產生軟化和泥化作用，這也是造成鉆孔失穩的原因之一。

鉆孔失穩由內因和外因共同決定，隨著目前水力沖孔造穴等常見卸壓增透措施在井下瓦斯抽采鉆孔施工中得以應用，瓦斯抽采鉆孔的鉆進工藝和水力沖孔造穴等對鉆孔孔壁反復多次破壞擾動，造成鉆孔穩定性下降，因此，亟需研究穩固鉆孔的護孔技術。

為簡化問題，假設孔周存在煤巖體產生的均質等向力，周圍煤巖體變形服從Mohr-Coulomb準則。將問題簡化為平面軸對稱模型，成孔鉆孔的孔周圍巖分為塑性區、彈性區和原巖應力區。

鉆孔成孔后，煤層原始應力平衡狀態被破壞，孔周一定范圍內煤巖體應力場變化造成孔壁圍巖應力重新分布，鉆孔周圍形成塑性區和彈性區，在考慮鉆孔孔壁內壓pj的情況下，塑性區半徑Rp、塑性區位移up和彈性區位移utr為［10］

式中：c為黏聚力，MPa；pj為鉆孔壁內壓；r0為鉆孔半徑，m；r為到鉆孔中心的距離，m；φ為內摩擦角；G為剪切模量，MPa；σ0為巖石的原始應力。

針對成孔鉆孔，若對鉆孔采取一些支護措施，可使鉆孔內壁形成預防鉆孔塌孔的內壓，根據式（1）～（3），隨著pj增大，Rp和up均隨之減小，同時utr隨之減小，這說明，提高pj可以阻止孔壁變形進一步擴大。塑性區大小受煤體堅固性系數和瓦斯壓力影響，煤體堅固性系數越低，瓦斯壓力越大，孔周煤體穩定性越差，鉆孔塌孔的可能性和塌孔范圍也會越大。據此，提出如下增大鉆孔內壓的護孔措施：提高鉆孔內壁圍壓；提高孔壁的力學強度；進一步優化鉆孔軌跡；提高鉆孔篩管下入深度。目前多數煤礦針對瓦斯抽采鉆孔采取下放護孔篩管保證瓦斯抽采效果，所以瓦斯抽采鉆孔施工量大。下放護孔篩管能在沖孔造穴后快速形成瓦斯抽采通道并保證其通暢，通過一種鉆沖護一體化水力卸壓篩管護孔瓦斯高效抽采技術（以下簡稱鉆沖護一體化技術），降低沖孔后下放篩管難度，提高瓦斯抽采鉆孔的篩管下入深度，這是保證瓦斯抽采效果最有效的護孔措施。

1.2 鉆沖護一體化技術

鉆沖護一體化技術是一種能夠一次性完成鉆孔鉆進、水力沖孔造穴和不提鉆全孔下放護孔篩管的施工技術，通過一種芯體部分可穿過篩管的造穴裝備制成鉆沖護一體化裝置。該裝置隨鉆頭進入鉆孔，鉆進狀態下通過水壓高低控制水刀開閉，完成水力沖孔造穴；成孔后將鉆具的內通孔作為篩管通道，篩管從鉆具內通孔依次通過鉆沖護一體化裝置及鉆頭，伸入孔底后，篩管固定裝置兩側的翼片在彈簧作用下自動打開并楔入孔壁，一次性完成鉆孔鉆進、水力沖孔造穴和不提鉆全孔下放護孔篩管施工。

鉆沖護一體化技術關鍵在于實施水力沖孔造穴后，全孔快速形成瓦斯流動通道并保證其暢通。該技術的優勢：護孔篩管下入深度不受鉆孔穩定性影響，能實現全孔下放篩管；簡化施工工藝，一次性完成鉆孔鉆進、水力沖孔造穴、全孔下篩管；孔底固定裝置可以有效防止護孔篩管滑出鉆孔，尤其是傾角向上的鉆孔；兼容性強，只需要將鉆沖護一體化裝置加裝在鉆頭后方，在多數鉆機平臺上即可實現鉆沖護一體化技術施工。

1.3 技術流程

第一步，開孔安裝防噴孔裝置。將鉆沖護一體化裝置前端接直徑113 mm鉆頭，后端接中空螺旋鉆桿，鉆進過程中，鉆機可利用壓風或低壓水排粉排渣。

第二步，采用前進式邊打邊沖工藝施工。鉆進至第一個造穴點，開啟清水泵，緩慢升高壓力，達到5 MPa時開啟水力沖孔造穴模式，根據造穴效果隨時調整水壓（不低于20 MPa），為防止水力沖孔造穴影響孔口段封孔效果，將造穴段設置為30～110 m，自30 m起，由外向內每隔4 m設置1 m的造穴段，直至造穴結束，單個穴沖出煤量至少1 t，孔內流出清水后切換至下一個造穴點，直至孔底。

第三步，將鉆桿提離孔底2 m后卸掉高壓供水器。從鉆桿尾部內通孔下入前端安裝有孔底篩管固定裝置的護孔篩管，篩管前端抵住鉆沖護一體裝置的芯體時，通過人工或機械外力推開裝置開閉式芯體，篩管依次穿過鉆沖護一體化裝置和鉆頭。篩管孔底固定裝置兩側的翼片打開并楔入孔壁，將篩管倒掛在孔壁上，從而將篩管固定在孔底。

第四步，鉆桿退出。將篩管留在孔內，迅速封孔并接入瓦斯抽采系統，根據鉆孔施工和封孔情況，對鉆孔進行掛牌管理。

鉆沖護一體化技術示意圖如圖1所示。

圖1 鉆沖護一體化技術示意圖Fig.1 Technical schematic diagram of integrated drilling，flushing and protection

1.4 鉆沖護一體化裝備研發

研究發現，現有的高壓水力沖孔器即“水刀”中間芯體部分封閉，不能配合大通徑鉆桿在水力沖孔造穴后從裝置內孔直接穿過篩管，完成下放篩管工藝，只能提鉆后再下入篩管。鉆沖護一體化裝置由高低壓轉換結構和開閉式芯體組成，通過調節水壓控制水刀開閉，完成鉆進和水力沖孔造穴，成孔后篩管可軸向頂開芯體球閥，篩管依次穿過“水刀”鉆頭下入孔底，實現鉆沖護一體化施工，鉆沖護一體化裝置結構如圖2所示。

圖2 鉆沖護一體化裝置結構圖Fig.2 Device structure diagram of integrated drilling，flushing and protection

本文在原有鉆機平臺上配套研發一種鉆沖護一體化裝置，是目前唯一能夠穿過篩管的“水刀”，簡化了施工工藝，能夠有效解決鉆孔塌孔造成的瓦斯抽采鉆孔有效使用周期短、瓦斯流量衰減嚴重等問題。鉆沖護一體化裝置實物如圖3所示。

圖3 鉆沖一體化裝置實物圖Fig.3 Physical drawing of device of integrated drilling，flushing and protection

2 試 驗

2.1 試驗地點及鉆孔參數

長平煤礦位于高平市西北約17 km處的寺莊鎮掘山村一帶，行政區劃屬高平市寺莊鎮管轄，面積約為43.5 km2，礦井生產能力500 Mt／a，屬于高瓦斯礦井，主采的3號煤層不自燃，賦存穩定，厚4.60～6.35 m，平均5.58 m。試驗地點為該礦53031巷道，5303工作面3號煤層埋深558～751 m，試驗地點平均實測煤層瓦斯含量為9.43 m3／t，其中可解吸瓦斯含量為7.69 m3／t，煤體堅固性系數為0.3～0.8，透氣性系數為0.98～1.13 m2／（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.31～0.466 d-1。

為了對比鉆沖護一體化技術水力沖孔造穴與原有水力沖割造穴，在53031巷道布置3組順層水力沖孔造穴鉆孔（圖4），其中A組（1～3號）為未沖孔的普通鉆孔，B組（4～6號）為原有水力沖孔造穴技術鉆孔，C組（7～9號）為鉆沖護一體化技術鉆孔，各組間距10 m以上。鉆孔孔深均110 m，鉆孔孔徑為113 mm，方位角90°，傾角均為3°。

圖4 試驗鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of layout of test drillings

B組（4～6號）和C組（7～9號）均為前進式邊鉆邊沖工藝施工鉆孔，組內孔間距為8 m，由于孔口造穴會影響封孔效果，孔底造穴可能導致塌孔卡鉆，因此將鉆沖孔段設置為孔內30～110 m，每隔4 m設置長1 m的造穴段，單穴沖出煤量不少于1 m3，設置18個造穴點。鉆孔完成造穴工藝后，B組（4～6號）原有水力沖割造穴技術需要退出鉆具，再下放直徑32 mm護孔篩管，直至放不進為止；C組（7～9號）鉆沖護一體化技術不需要退出鉆具卸下高壓供水接頭，而是將鉆具的內通孔作為直徑32 mm篩管下放通道，篩管從鉆具內通孔依次通過鉆沖護一體化裝置及鉆頭，伸入孔底后篩管固定裝置兩側的翼片在彈簧作用下自動打開并楔入孔壁，一次性完成鉆孔鉆進、水力沖孔造穴和和不提鉆隨鉆下篩管的一體化施工。鉆孔施工情況統計表見表1。

表1 鉆孔施工情況統計表Tab.1 Statistical table of drilling construction

2.2 效果考察

對鉆孔瓦斯抽采純量數據進行監測統計，并繪制鉆孔瓦斯抽采純量隨時間變化的對比曲線，如圖5所示。

圖5 鉆孔瓦斯抽采純量對比曲線Fig.5 Comparison curves of pure gas drainage in boreholes

選取B組、C組中沖出煤量相差不大的鉆孔進行對比。A組、B組、C組鉆孔單孔平均瓦斯抽采純量分別為0.057，0.158，0.264 m3／min；水力沖孔造穴鉆孔瓦斯抽采純量平均值是未造穴普通鉆孔的2.77～4.63倍，而鉆沖護一體化技術單孔瓦斯抽采純量是原有水力沖孔技術的1.67倍。經過10 d抽采考察后，鉆沖護一體化技術瓦斯抽采流量衰減相對較緩，原有沖孔技術鉆孔瓦斯抽采流量已經衰減至0.1 m3／min以下。實施鉆沖護一體化技術后，平均篩管下入率由實施前的45%提高至98%，是原有工藝篩管下入率的2.18倍，做到了全孔段下放護孔篩管。

分析上述數據可知：（1）順層鉆孔水力沖孔造穴能夠顯著提高瓦斯抽采純量；（2）篩管下入率提高，改善了瓦斯抽采效果，提高了瓦斯抽采鉆孔的有效使用壽命；（3）鉆沖護一體化技術鉆孔瓦斯抽采效果明顯優于原有技術的，同時簡化施工工藝，可全孔下放護孔篩管，實現高效瓦斯抽采。

瓦斯抽采衰減系數越小，抽采效果越好，越利于瓦斯抽采效率提升。瓦斯抽采流量衰減系數為

式中：β為瓦斯抽采流量衰減系數，d-1；q為瓦斯抽采量，m3／min；q0為鉆孔瓦斯初始抽采量，m3／min；t為抽采時間，d。

對上述3組試驗鉆孔瓦斯抽采純量數據進行擬合，結果如圖6所示。

由圖6可知，3組鉆孔單孔瓦斯抽采純量都隨時間呈指數衰減。A組衰減系數β1為0.031，B組衰減系數β2為0.087，C組衰減系數β3為0.016。由此可知，C組與B組鉆孔相比，瓦斯抽采流量衰減系數降低了81.6%，與A組相比，降低了48.38%，進一步驗證了鉆沖護一體化水力卸壓篩管護孔瓦斯高效抽采技術能夠提高瓦斯抽采效果，降低瓦斯衰減速度。

圖6 不同技術瓦斯衰減變化對比Fig.6 Comparisons of gas attenuation changes with different technology

不同工藝技術效果考察對比見表2。

表2 效果對比表Tab.2 Comparison table of effects

3 結 論

（1）實施鉆沖護一體化技術后，平均篩管下入率由實施前的45%提高至98%，是原有工藝篩管下入率的2.18倍，成功實施全孔下放護孔篩管，是普通鉆孔的1.96倍。

（2）鉆沖護一體化技術單孔瓦斯抽采純量與原有水力沖孔造穴技術相比，由0.143 m3／min提高至0.258 m3／min，是原有水沖孔造穴技術的1.8倍，是普通鉆孔的4.86倍。鉆沖護一體化技術單孔瓦斯抽采流量衰減系數為0.016 d-1，是原有水力沖孔造穴技術鉆孔的19.4%，是普通鉆孔的48.3%，與原有沖孔技術相比降低了81.6%。

（3）鉆沖護一體化技術卸壓增透效果明顯，簡化施工工藝，可全孔下放護孔篩管，減小了瓦斯流量衰減系數，實現了高效卸壓抽采。