特厚煤層孤島煤柱水力擴孔防沖卸壓技術研究

段金紅，秦子晗，金建成，邵常雄，高健勛，李永元，張 暤，王大龍，李高正

(1.扎賚諾爾煤業有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.華亭煤業集團有限責任公司，甘肅 平涼 744100；4.華能煤業有限公司，北京 100070)

隨著我國煤礦開采深度和開采強度的增加，沖擊地壓災害的威脅也日益嚴重，煤層鉆孔卸壓是防治沖擊地壓的有效手段之一[1]。部分礦井煤層較厚且抗壓強度高，鉆孔施工后難以塌孔，煤層卸壓效果差[2]。因此，如何提高特厚或堅硬煤層的卸壓效果成為防止煤層沖擊的關鍵環節。近年來，水力破煤技術已廣泛用于瓦斯抽采方面，在沖擊地壓防治方面也開始了相關技術的探索。龐立寧等[3]采用了水射流聯合水力壓裂對寬煤柱上方頂板進行預裂卸壓；縱峰等[4]針對采空區遺留煤柱提出了水力壓裂煤柱降低應力集中的卸壓方法；陸占金[5]通過超高壓水力割縫技術提高了堅硬煤層的瓦斯抽采效率；田慧玲等[6]在突出煤層實施了“鉆-沖”耦合增透技術降低了瓦斯含量；孫鑫[7]根據相似模擬實驗結果得到了煤層水力割縫轉速對切削半徑的影響規律；張瀾濤[8]應用水力噴射鉆進工藝進行了樹狀鉆孔增透技術研究。目前國內采用的煤層水力擴孔或水力掏槽技術主要用于高瓦斯煤層的增透，而對沖擊地壓礦井主要以頂板水力壓裂為主，采用水力擴孔進行煤層卸壓的應用記錄較少。另外，由于當前水力擴孔工藝較復雜，鉆孔、割縫和沖孔無法連續作業，致使煤層掏槽和擴孔效率較低，同時還存在水流壓力低、鉆孔排渣困難等問題。為治理硯北煤礦孤島煤柱沖擊風險，同時提高特厚煤層的鉆孔卸壓效果，開展了工作壓力在40 MPa的煤層高壓水力擴孔技術及裝備研究，實現“鉆-割”一體化，達到煤層快速卸壓的目的。

1 工程概況

硯北煤礦位于甘肅省平涼市華亭縣境內，屬華亭縣硯峽鄉、東華鎮及策底鄉管轄。礦井2502采區輔運大巷位于2502采區煤柱內，北部布置有本采區回采工作面，終采線距離最近的輔運大巷100 m，南部為華亭煤礦采空區，采空區距離最近的快速行人道80 m。2502大巷煤柱兩側均為采空區，為孤島煤柱，其位置關系如圖1所示。

圖1 2502采區大巷煤柱位置Fig.1 Location of coal pillars in the main roadway of mining area 2502

2502采區輔運大巷布置在5煤中部，煤層平均厚度為34.18 m，賦存較為穩定，屬特厚煤層，具有中等沖擊危險。煤層結構較為復雜，上部夾矸多達9層，中、下部煤層結構簡單，靠近頂板為煤與夾矸互層。該區域受本區采空區和相鄰礦井采空區疊加影響，應力集中顯著，先后發生多次動力顯現，沖擊危險程度較高。針對兩側采空形成的孤島煤柱，原有大直徑鉆孔卸壓范圍有限，考慮所采5煤平均單軸抗壓強度為9.85 MPa，裂隙較發育，在高壓水力作用下易發生破壞，因此擬采用水力擴孔掏槽方式對煤層鉆孔進行擴孔，增大煤層卸壓效果。

2 水射流破煤卸壓機理及工藝研究

2.1 水射流破煤卸壓原理

水射流對煤體的破壞主要分為兩個階段，即水錘壓力和停滯壓力階段[9-11]。

在水錘壓力階段，由于水流與煤體表面的撞擊，兩者都在壓應力作用下被壓縮，此時射流速度小于煤體變形速度。該過程中，由動量守恒定律可知水錘壓力計算公式為：

式中，P1為水錘壓力，Pa；ρ，ρs分別為水和巖石密度，kg/m3；cw，cs分別為沖擊波在水和巖石中的傳播速度，m/s；v為水射流速度，m/s。

在該階段，煤體表面受撞擊后處于壓縮狀態，之后水錘壓力下降，煤體由壓縮快速轉化為卸壓狀態，能量釋放過程中產生拉伸載荷，進而使煤體初步破壞，但持續時間較短。

停滯壓力階段在水錘作用之后，水射流被煤體以一定的角度和速度回彈，同樣煤體也受此反作用力，因此射流速度直接影響停滯壓力，計算公式如下：

式中，P2為停滯壓力，Pa；u為射流微元速度，m/s。

在停滯壓力階段，水射流持續沖擊作用，造成煤體裂紋內部形成應力集中并再次擴展，進而與原有裂隙以及自由面相互聯通貫穿，從而使煤體發生持續破壞。

鉆孔圍巖在經過高壓水射流破壞之前，孔周圍的煤巖體由里向外分主要為破裂區、塑性區和彈性區，如圖2(a)所示，鉆孔周圍破裂區為卸壓的主要區域。水力擴孔后，鉆孔圍巖受水射流破壞塌落，同時在高應力作用下孔壁持續向外發生坍塌，使圍巖變形能持續釋放，當孔內的支承力足以平衡破裂區的壓力時，鉆孔圍巖各應力區域相對穩定，其鉆孔圍巖分布形式如圖2(b)所示。

R0—鉆孔初始半徑；Rc—圍巖破裂區半徑；Rp—圍巖塑性區半徑；Rb—塌落區半徑

由圖2所示的鉆孔模型，假設塌落前和塌落后的煤體體積不變可知[12-14]：

式中，p為碎脹系數。

塌孔后得到最后成孔半徑：

從上式可以看出，采用煤層水力擴孔后，直接增大了鉆孔直徑R0，進而使得擴孔空間破壞后形成的卸壓范圍Rb大幅增加。

2.2 水力擴孔關鍵參數確定

水力擴孔效果主要受水射流性能、煤體強度及應力環境影響，其中，射流壓力、噴嘴直徑、靶距及射流時間是影響水射流性能的關鍵因素。

1)射流壓力。研究認為，射流初始速度的平方與初始壓力成正比，因此初始壓力也等效于破煤能力，初始壓力越高，水射流破煤能力越大?？紤]經濟性及礦井現有裝備，確定初始壓力為40 MPa，既能滿足擴孔需求，又兼顧經濟性。

2)噴嘴直徑。噴嘴出口直徑的大小決定了水射流噴出之后的流速大小，直徑越小，速度就會越大，其切割能力也會越強，但噴嘴出口直徑過小，容易產生霧化效果，進而失去切割能力。根據水力沖孔實驗研究[15]，水射流噴嘴出口直徑在1.5～3 mm范圍時，能夠使煤巖體發生破壞，綜合考慮本次選擇直徑2.0 mm噴嘴進行試驗。

3)靶距。靶距為射流方向上噴嘴出口至煤壁的距離，射流在空氣中以一定角度向周圍發散，造成能量耗散，當靶距較小時，撞擊形成的回流水體易對射流產生影響；當靶距較大時，射流又出現能量衰減，不利于破碎煤體。在實際工作中，合理的靶距由下面的經驗公式確定[16，17]：

Ls=(60～150)d

(5)

式中，Ls為合理靶距，m；d為噴嘴直徑，m。

4)射流時間。水射流割縫深度隨著切割時間的增加而逐漸增加，當增加到某一特定值時，增幅減小[18-20]，這主要與煤體破壞造成靶距增加有關，因此射流時間主要根據擴孔效果而定，初步確定鉆孔每米射流時間為10 min，并根據現場出渣量進行調整。

2.3 擴孔工藝及模式優化

2.3.1 擴孔工序優化

傳統煤層水力擴孔工藝流程繁瑣，要進行兩次進桿、退桿操作，占用大量時間；同時噴嘴噴出的高壓水流既用于切割煤體又用于排渣，其輸出水量較少，對于切割過程產生的大塊煤渣難以排出，易發生堵孔甚至夾鉆現象。

針對上述問題，本次對擴孔過程中的打鉆、割縫環節及高壓管路進行了改進優化，形成了“鉆-割”一體和“掏槽-排渣”并行的工藝。其實現方法通過采用特殊設計的雙層高壓密封鉆桿。鉆桿直徑為?73 mm，分內外兩層，內部中孔管路用于連接高壓水路，直徑?25 mm，高壓水通過中間管路到達射流器用于切割煤體；外部環形管路與低壓水路連接，直達鉆頭，用于鉆進及射流過程中的排渣使用。雙層高壓鉆桿結構截面如圖3所示。

圖3 雙層鉆桿結構截面Fig.3 Cross section of double-layer drill pipe structure

打鉆過程中，由環形水路供水至鉆頭進行打鉆排渣，鉆頭與射流器相連，鉆孔施工到位后，無需撤桿更換裝置，直接將高壓管路連接在雙層鉆桿尾部的中孔管路上，在回退過程中即可進行擴孔掏槽，減少了一次撤桿、進桿環節，工藝流程上大幅簡化，便于操作；同時在擴孔過程中，兩道水路可同時開啟，增加了鉆孔排渣能力，避免了堵孔、夾鉆等情況的出現。

2.3.2 擴孔模式優化

為提高水力擴孔效率，研究在鉆孔內進行分段擴孔代替全段擴孔。通過數值模擬針對四種情況進行對比分析：全段擴孔、間隔0.5 m擴孔0.5 m、間隔1.0 m擴孔1.0 m、間隔0.5 m擴孔1.0 m。模擬效果如圖4所示。

圖4 不同擴孔方式的模擬效果(Pa)Fig.4 Simulation effects of different hole expansion methods

根據模擬分析，鉆孔擴孔后會對鉆孔周圍應力產生影響，形成應力降低區。不同形式擴孔后的鉆孔周邊垂直應力分布曲線如圖5所示。從圖5可以看出，全段擴孔之后的鉆孔周邊應力降低最為明顯，應力降低區的范圍也最大。其次為間隔0.5 m擴孔1.0 m。從應力分布來看，采用分段擴孔方式同樣具有較好的卸壓效果，采用間隔0.5 m擴孔1.0 m時，應力降低程度和卸壓范圍雖然較全段擴孔有所降低，但下降幅度并不明顯。因此采用分段擴孔能夠在保證卸壓效果的前提下，提高煤層擴孔卸壓的施工效率。

圖5 鉆孔周邊垂直應力變化曲線Fig.5 Vertical stress curve around the borehole

3 現場試驗及效果分析

3.1 現場試驗方案

為降低2502采區孤島煤柱應力，降低采區大巷的沖擊風險，在2502采區輔運大巷靠近保護煤柱側開展水力擴孔試驗，試驗范圍120 m，共施工30個鉆孔，孔間距為4 m。每個鉆孔初始孔徑為150 mm，孔深為20 m，垂直巷幫上仰5°；巷道開口處距底板1.5 m，其中擴孔段為距離巷幫8～20 m范圍。

本次試驗選擇3BZ7.1/66-160煤層注水泵，供水壓力最大達到66 MPa，所用鉆機型號為：ZDY4600LX型履帶式全液壓坑道鉆機。水力擴孔采用定點靜態鉆割和前后反復動態鉆割結合，水泵初始壓力為40 MPa，定點割煤時間為5 min，在1 m范圍內前后反復動態割煤時間為5 min；完畢后退桿0.5 m后，再進行下一段擴孔作業。整個水力擴孔過程中，高壓水路正常，孔內煤渣排出通暢，施工期間有輕微煤炮聲，未出現堵孔、夾鉆現象。

3.2 效果分析

3.2.1 大直徑鉆孔與掏槽鉆孔對比分析

采用鉆孔成像儀對大直徑鉆孔和水力擴孔鉆孔分別進行了鉆孔窺視。通過對比發現，大直徑鉆孔空間僅為鉆頭切削煤層所形成，且孔壁較為光滑、完整，卸壓空間即為鉆孔空間大小，如圖6(a)所示；而采用水力擴孔后，鉆孔內空間顯著增大，孔壁在水射流的沖擊作用下，發生多次破壞，煤體疏松破碎，如圖6(b)所示，擴孔形成空間要遠大于大直徑鉆孔，其卸壓效果得到明顯提高。

圖6 鉆孔內孔壁破壞情況Fig.6 Damage to the inner wall of the borehole

3.2.2 出渣量分析

鉆孔在進行擴孔掏槽過程中，對沖出煤渣量進行了統計。整體來看，鉆孔內深部掏槽時，出渣量較淺部要大，且煤渣塊度大，掏槽過程中煤炮較強烈。經統計，掏槽過程中每米出渣量在200～300 kg，最大能夠達到450 kg。

3.2.3 擴孔半徑分析

通過在不同距離布置多組觀測孔，用于對水力擴孔半徑進行判斷。在周邊鉆孔進行水力擴孔期間，當觀測孔內出水，可判斷擴孔半徑已超過鉆孔間距。觀測孔與試驗孔距離分別按照350 mm和500 mm進行施工，其鉆孔布置如圖7所示。

圖7 掏槽半徑試驗布置Fig.7 Layout of cutting radius test

在進行了多組試驗后發現，當間距為350 mm時，在擴孔10 min后，觀測孔內多發現出水現象。而在距離500 mm的試驗孔進行擴孔時，則射流時間需要超過15 min，觀測孔有出水現象。由上述試驗結果可以判定，水力擴孔半徑能夠達到350～500 mm。

3.2.4 鉆屑法檢驗

為了進一步驗證水射流擴孔后的卸壓效果，針對擴孔前后分別進行鉆屑法檢驗。鉆屑檢測位置距離擴孔位置1 m，孔深14 m，卸壓前后兩次鉆屑煤粉量進行對比如圖8所示。從圖8中可以看出，鉆孔深度1～8 m段未進行掏槽，在進行水力擴孔前后，該區段每米鉆屑煤粉量差異較??；出現顯著變化的區段均位于8 m以深的擴孔段，在擴孔掏槽之后，鉆屑量較未掏槽時顯著降低，表明掏槽后鉆孔周邊應力釋放，對附近煤體起到了良好的卸壓作用。

圖8 水力擴孔掏槽周邊鉆屑法檢測值Fig.8 Detection values of drilling cuttings method

4 結 論

1)利用高壓水射流實施煤層擴孔掏槽，水射流經過水錘壓力和停滯壓力階段，破壞孔壁煤體，增加鉆孔成孔孔徑，進而擴大鉆孔周邊的低應力區范圍。

2)確定了噴嘴直徑、射流壓力及射流時間等主要射流參數，并采用雙層鉆桿簡化了施工工序，同時對鉆孔采用分段擴孔模式，提高了擴孔效率。

3)在硯北煤礦孤島煤柱區域開展了水射流擴孔掏槽試驗，擴孔半徑能夠達到0.3～0.5 m，每米出渣量能夠達到200～300 kg。通過鉆屑法進行效果檢驗，煤體應力得到明顯降低。