導向槽定向水力壓裂煤層增透強化瓦斯抽采技術及應用

任仲久

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

在我國，煤炭資源穩定供給是保障國民經濟快速發展的壓艙石。隨著淺部煤炭資源枯竭，我國煤礦的開采深度逐年增加，地應力逐漸增大，煤層中瓦斯含量和壓力升高，但透氣性較差，瓦斯抽采難度增大，突出危險性提高[1]。高原始瓦斯含量、煤層透氣性差、煤層松軟等因素嚴重制約了瓦斯抽采效率，為有效地抽出瓦斯，因此需要通過強化措施對煤層進行增透[2]。

應力分布狀態、鉆孔直徑的大小及其四周裂隙發育程度等因素不同程度地影響著瓦斯抽采[3]。采用大直徑鉆孔通過加大鉆孔直徑來提高四周裂隙暴露面積、發育程度和卸壓范圍，抽采影響半徑隨之擴大，有效促進瓦斯抽采[4]。但大直徑鉆孔方法難以應用于松軟低透氣性煤層，在鉆機施鉆過程中易出現坍孔、卡鉆、成孔距離小和鉆機負荷過大等難題[5]。高壓旋轉水射流擴孔技術是對穿層鉆孔擴孔增透的一種有效途徑，在于高壓水射流一直沖割鉆孔內煤，直至孔外出現大量煤屑[6-8]。煤層中水和瓦斯的賦存狀態及流動規律與煤巖體的結構特征及孔隙-裂隙發育密切相關[9]。煤層中裂隙越發育，且相互連通，煤層的透氣性越好[10]。煤體在施鉆后產生破壞，彈性變形區產生在離鉆孔較近位置，塑性軟化區次之，則卸壓破裂區相對鉆孔距離較遠[11]。以往研究表明鉆孔周圍巖石塑性區半徑隨偏應力增加而增大，隨內摩擦角或巖石內聚力的增加而減小，隨鉆孔直徑增大而線性增大[12]。

為了提高煤層的透氣性，增加瓦斯采出率，我國的沁水盆地、鄂爾多斯盆地等地面瓦斯抽采區現已應用水力壓裂技術[13]。汪東[14]等提出了水力切槽及脈沖水力壓裂的聯合煤層增透技術，目的在于使煤層透氣性增大，瓦斯有效抽采率提高，現已應用于陽泉礦區。王耀鋒[15]等提出了聯合卸壓煤層增透技術，具體實施方案是多孔同步壓裂，通過RFPA2D-Flow對其進行模擬，并且分析了煤層水力裂縫隨誘導應力場的作用規律。陳玉濤[16]等采用了水力壓裂和深孔預裂爆破聯合增透技術，在魯班山北礦152底板巷道對8號煤層予以應用。李艷增[17]等提出了導向槽定向水力壓裂技術，現已應用并提高了煤層的透氣性和瓦斯采出率，達到防突效果。

針對目前關于水射流擴孔導向槽的空間幾何形態、力學機制尚不明確，本文將理論計算煤層段擴孔后塑性區分布，分析穿層鉆孔煤層段水壓裂縫的起裂與擴展，研發導向槽定向水力壓裂煤層增透裝備，用以提高煤層透氣性，并進行現場應用，以期提高瓦斯預抽采率，保障煤礦安全開采。

1 導向槽定向水力壓裂煤層增透的力學機制

1.1 水射流擴孔導向槽的空間幾何形態

導向槽定向水力壓裂煤層增透技術可以大幅度提高采出率，縮短抽采時間。具體實施步驟：在煤中預設導向槽，通過射流深穿透射孔、分支鉆孔、水力割縫等方法實現預設并對其水力壓裂；其次導向槽鉆孔和控制鉆孔附近存在大量煤，將其同時壓裂，直至這兩部分煤連通至裂隙貫穿，鉆孔附近的煤屑會被大量高壓水噴出；保證卸壓增透效果，將控制鉆孔和導向槽鉆孔與抽采系統連通，其有效地控制壓裂方向，大幅度提高采出率，縮短抽采時間。導向槽定向水力壓裂如圖1所示[18，19]。

利用水射流方法對穿層鉆孔煤層段進行擴孔，使得煤中產生形似圓柱孔洞?？锥吹目臻g幾何形態如圖2所示，塑性區的范圍在進行擴孔之后需要定性分析，為計算簡便，采用仰角90°垂直煤層底板向上打穿層鉆孔。煤體四周應力分布受孔洞影響，塑性區和應力集中區隨即出現在孔洞四周并決定了孔洞的空間幾何形態。

圖2 水射流擴孔孔洞幾何形態Fig.2 Geometry of the water jet reaming hole

1.2 煤層段擴孔后塑性區分布的理論計算

將鉆孔周圍巖體塑性區的形成視為平面應變，深入研究了鉆孔、地下硐室等周圍塑性區問題。原巖應力會受到擴孔的影響而重新分布，鉆孔四周近距離范圍煤體產生破壞，但仍有部分殘余強度，為破碎區；次之外部范圍煤體產生壓縮變形，裂隙發育良好，出現具有方向性的內部裂隙弱面，為塑性區；最外部范圍煤體產生彈性變形，內部裂隙大部分為原生裂隙弱面，為彈性區。鉆孔周圍巖石分布區域劃分如圖3所示。

圖3 鉆孔周圍巖石分布區域劃分Fig.3 Rock stress distribution zone around the borehole

采用Mohr-Coulomb破壞準則計算塑性區的應力解[20]：

式中，C為粘聚力，MPa；φ為內摩擦角，(°)。

射流擴孔后的煤層中塑性區半徑可表示為：

Rp=a·

可以看出，鉆孔半徑a、原巖應力p、內摩擦角φ、方位角θ、粘聚力C和側壓系數λ等因素共同影響著穿層鉆孔圍巖塑性區半徑。根據山西汾西中興煤業有限公司2號煤層的具體情況，參數取值分別為a=94 mm、p=12 MPa、φ=28°、θ=20°、C=0.45 MPa和λ=1.2，可以計算得出Rp=0.0803a。因此，鉆孔半徑a與擴孔后塑性區半徑成正比，說明進行鉆孔擴孔后，塑性區的范圍增大，增透效果更好。

1.3 穿層鉆孔煤層段水壓裂縫的起裂與擴展

根據最大拉應力準則，鉆孔煤壁所受的三個主應力根據彈性力學進行計算，孔壁上的裂縫起裂的應力與孔隙壓力有關，可計算[21]：

σf=σ3-Pp

(3)

式中，Pp為孔隙壓力，MPa；σ3為鉆孔煤壁所受的三個主應力中最大拉應力，MPa。

伴隨著水力壓裂的進行，煤層中孔壁裂縫起裂，需要孔內流體壓力Pw持續增加，直至σf滿足以下條件：

σf≤-σt

(4)

式中，σt為煤巖的抗拉強度，MPa。

2 導向槽定向水力壓裂防突成套裝備研發

2.1 旋轉水射流噴頭噴嘴

由移動高壓水力泵站、噴頭、噴嘴、鉆桿、高壓旋轉接頭、孔口防噴裝置及井下水力化作業遠程監測與控制系統等共同組成導向槽定向水力壓裂防突成套裝備。

噴嘴在外界作用下，高壓水的壓力能轉變成高速水射流的動能。噴頭結構布置為：噴頭兩側錯位設置2個噴嘴，用于預設導向槽；頂部設置1個噴嘴，用于擊打作業過程中產生的大量煤屑，防止堵孔，三噴嘴的噴頭結構如圖4所示。同時，將噴頭直徑縮小到63 mm并設計前端帶有錐度且將其圓角化，目的是噴頭能在鉆孔內往返移動，并降低阻力。為確保多噴嘴噴頭的加工質量合格并能成功應用于現場中，必須對其強度、扭矩等參數進行校驗核對。

圖4 三噴嘴的噴頭結構Fig.4 Structure of jet head with three nozzles

最優參數為：噴嘴直線段長徑比為2，葉輪導向角為45°，噴嘴數量為3個。

根據流量及噴嘴壓降的關系式：

式中，ΔP為噴嘴壓降，MPa；ρ為水密度，g/cm3；dne為噴嘴當量直徑，cm；Q為通過噴嘴的流量，L/s；C為噴嘴流量系數，與噴嘴結構有關，取0.9～0.95。

根據現場試驗，泵壓為31.5 MPa，流量為3.3 L/s，由式(6)得出噴嘴當量直徑dne為4.36 mm。

式中，z為噴嘴個數；di為噴嘴直徑，cm。

為保證噴頭能順利完成現場水射流擴孔操作，需要選擇合適的噴嘴。通過以上計算發現，在試驗泵壓和流量條件下有兩種噴嘴可供選擇：一是直徑為2.5 mm的噴嘴選擇3個，二是直徑為3.0 mm的噴嘴選擇2個。

高壓水射流打擊力造成煤巖體破壞，其主要與壓力、流量和水的密度有關，其公式為：

泵壓和流量分別取值為31.5 MPa和3.3 L/s，選用3.0 mm噴嘴，經計算，射流打擊力Fs和射流流速vs分別為828.3 kN和251 m/s。對比選用1.7 mm三噴嘴，壓力和當量直徑一致，流量和打擊力大幅降低，僅為原來的1/3。

在現場實際中，泵壓和流量存在差異，結合射流打擊力、預設導向槽需求，確定噴嘴直徑選為1.7 mm。三噴嘴的噴頭實物，噴嘴和導向葉輪實物如圖5所示。

圖5 噴頭和噴嘴實物Fig.5 Pictures of jet heads and nozzles

2.2 螺旋輔助排渣高壓鉆桿

在松軟或突出煤層中采用水力化措施時，煤層很可能在高壓水射流、地應力、瓦斯壓力擾動的影響下出現噴孔或噴煤，進而導致堵孔和排渣困難。非線性壓力梯度對煤屑的清除有促進作用。在射流沖擊區內，中心位置壓力高于兩側，并向兩側快速下降。該沖擊使孔底的小塊煤屑產生徑向和翻轉移動，說明其具有不均勻性，在射流沖擊孔底時，漫流速度表現為中心位置向兩側持續增大至峰值，無橫向速度。而射流沖擊區以外，漫流速度表現為中心位置向兩側持續減小至最小。

在輸送煤屑的過程中，由于螺旋的作用，煤屑的空間運動形式復雜多變，表現為繞軸線旋轉和沿軸向直線運動等，煤屑的受力分析如圖6所示。當使用標準的單螺旋鉆桿時，其直徑大小一致、螺距大小一致、螺旋角為α，對煤屑M進行受力分析，其距離螺旋軸線為r，螺旋葉片施加給煤屑一個推力F，將其分解成作用于煤屑的軸向分力F1=F×cosα和切向分力F2=F×sinα，使煤屑向孔口運動和圓周回轉。切向分力的方向隨著鉆桿的旋轉不斷變化，設水平方向和軸心所成直線夾角為β，則切向分力可分解為水平方向F21=F×sinα×sinβ和豎直方向F22=F×sinα×cosβ。鉆桿不斷旋轉，切向分力F2的兩個方向分力也會隨之變化。螺旋帶動煤屑會產生不同方向的運動，β大小為0°～90°和270°～360°時，均會使煤屑向上運動，結合回返水作用，煤屑逐漸移動至孔口；β大小為90°～270°時，煤屑隨著研磨作用向下運動，產生許多細小煤屑。

圖6 煤屑的受力分析Fig.6 Stress analysis of coal cinder

鉆桿的壁厚為19.25 mm，鉆桿接頭對接采用螺紋密封、軸向密封和徑向密封，螺旋助排渣高壓鉆桿實物如圖7所示。通過摩擦焊將鉆桿桿體與公母接頭連接，待焊材料受到壓力作用發生相對運動，出現摩擦生熱至熱塑性狀態，機械強度和扭矩力大幅提升。常規噴孔后的人工排渣和高強度噴孔時的自動排渣得以實現。

圖7 螺旋助排渣高壓鉆桿實物Fig.7 Picture of spiral high-pressure drill rod with coal cinder removal function

2.3 高壓旋轉接頭

旋轉接頭的聯結結構將流體從固定部件向旋轉部件輸送，如圖8所示。高壓膠管外部有鋼絲編織，以位于高壓水射流鉆桿前端的旋轉接頭為橋梁，將高壓膠管連接到高壓水射流鉆桿上，由鉆機帶動噴頭旋轉，從而完成預設導向槽作業。

圖8 回轉式高壓旋轉接頭Fig.8 High pressure rotary joint

旋轉接頭由旋轉軸和外部固定殼體兩部分組成，作業工程中，軸帶動殼體運動?？紤]到液體可能從運動面間隙泄漏，旋轉接頭內部必須設計為密封狀態，可采用密封件密封、填料密封和間隙密封。鑒于預設導向槽作業要求壓強不高于45 MPa的高壓水輸送和高壓旋轉水射流作用，采用密封結構要求不高的旋轉接頭，利用旋轉密封的方式來設計回轉式高壓旋轉接頭，達到高壓水力泵站的使用條件。

2.4 高壓管匯和高壓水力泵站

高壓管匯是由高壓膠管總成、三通、直通、截止閥以及單向閥組合而成。選取耐壓強度高且外側纏繞鋼絲的高壓膠管，快速接頭與三通或直通相連?？紤]到管路壓力，為降低損耗，高壓膠管選取?32 mm和?25 mm較合理。

高壓水通過泵站進行加壓，要求高壓水流的壓力和流量穩定、脈沖小。將高壓安全閥安裝在泵的高壓排液出口處，以滿足預設導向槽和定向水力壓裂的需要。泵站的工作壓力由沿程阻力損失、局部阻力損失和破煤有效壓力決定。結合工程實際，泵站工作壓力為31.5 MPa，流量為200 L/min。

3 導向槽定向水力壓裂防突技術現場應用

3.1 工程概況

山西汾西中興煤業有限公司隸屬于山西汾西集團，位于山西省交城縣，交通便利，地理位置優越。中興煤業的核定產能為300萬t/a，經鑒定，為突出礦井，正在生產的2號和4+5號煤層為突出煤層。試驗地點位置如圖9所示，試驗地點選取該礦井三采區西翼的瓦斯治理底板巖巷，該巷道向西側延伸，馬莊風井位于該巷道的東側，三采軌道大巷位于該巷道的南側，北翼瓦斯治理巷位于該巷道的北側。

圖9 試驗地點位置Fig.9 Location of test site

3.2 導向槽定向水力壓裂防突工藝參數

參考圖9中瓦斯治理底板巖巷的位置情況布置四組試驗鉆孔。瓦斯治理底板巖巷導向槽定向水力壓裂鉆孔布置方案如圖10所示，一組：4個割縫鉆孔，二組：8個壓裂鉆孔，三組：20個控制孔，四組：10個常規對比鉆孔，部分鉆孔施工參數見表1。壓裂鉆孔直徑取?94 mm。封孔段的頂端和底端借助“兩堵一注”封孔膠囊方式進行封堵，封孔段的中間位置在壓力作用下注入封孔材料，膨脹水泥材料和水力壓裂材料均可實現封孔操作。在巷幫穿層鉆孔中布置直徑為?94 mm的割縫鉆孔，距離巷道底板1.8 m，為達到抽采目的，實現割縫操作后，將其連通到抽采系統中，同樣完成常規鉆孔后，也要連通到抽采系統中。

表1 鉆孔施工參數Table 1 Drilling construction parameters

圖10 瓦斯治理底板巖巷導向槽定向水力壓裂鉆孔布置方案Fig.10 Arrangement scheme of directional hydraulic fracturing with guide slot for gas control from the floor rock roadway

導向槽定向水力壓裂技術試驗方案為1#～ 32#按照順序每八個為一組，共分為四組。在2號和4+5號煤層中，通過6#鉆孔，割縫出煤量為0.65 t和1.5 t；通過14#鉆孔，割縫出煤量為0.6 t和1.52 t；通過30#鉆孔，割縫出煤量為0.6 t和1.48 t。實現割縫操作后將第一組中的1#、3#、6#鉆孔、第二組中的9#、11#、14#鉆孔及第三組中的17#、19#、30#這9個鉆孔進行水力壓裂。通過 6#、9#和11#進行割縫，在2號煤層中，平均割縫出煤量為0.62 t；而在4+5號煤層中，平均割縫出煤量為1.5 t。

在穿層鉆孔見煤后，利用壓風繼續進行煤層段的施工。為便于計算，鉆孔和經水力切割后的煤層段均近似視為圓柱體。2號煤1.85 m，4+5號煤4.5 m，鉆孔直徑為?94 mm，煤的視密度為1.38 t/m3。2號煤和4+5號煤經割縫鉆孔后，出煤量分別為0.62 t和1.5 t，擴孔直徑經求解分別為?568 mm和?566 mm。

3.3 導向槽定向水力壓裂抽采效果考察

壓裂完成后，對抽采效果進行了考察，統計2個月內的瓦斯抽采數據，將實驗孔1#～ 32#與常規鉆孔33#～ 43#進行了對比，對比結果如圖11、圖12所示。

圖11 底板巖巷壓裂鉆孔與常規鉆孔瓦斯抽采濃度對比Fig.11 Comparison of gas concentration between the experimental boreholes and the conventional boreholes from the floor roadway

圖12 底板巖巷壓裂鉆孔與常規鉆孔單孔瓦斯抽采流量對比Fig.12 Comparison of gasflow rate between the experimental boreholes and the conventional boreholes from the floor roadway

常規鉆孔33#～ 42#鉆孔的瓦斯抽采濃度最低值為5.4%，最高值為30.5%，平均為15.4%，瓦斯抽采流量最低值為0.07 m3/min，最高值為0.17 m3/min，平均為0.11 m3/min。但經過壓裂作業后，1#～32#鉆孔的瓦斯抽采濃度的最低值為23.2%，最高值為69.1%，平均為42.3%，瓦斯抽采流量最低值為0.12 m3/min，最高值為0.28 m3/min，平均為0.20 m3/min。對比發現，采取增透作業鉆孔方法，平均瓦斯濃度和瓦斯抽采混合量顯著地提高到常規孔的2.75倍和1.81倍，說明采取導向槽定向水力壓裂措施的增透效果顯著。

4 結 論

1)利用水射流法對穿層鉆孔的煤層段進行擴孔，使得煤中產生形似圓柱狀的孔洞。穿層鉆孔圍巖塑性區半徑與鉆孔半徑成正比，鉆孔擴孔是增大塑性區范圍的一種有效方法，裂隙擴展明顯，瓦斯采出率提高。

2)研發了一種導向槽定向水力壓裂防突成套裝備，主要部件有移動高壓水力泵站、噴頭、噴嘴、螺旋輔助排渣水射流高壓鉆桿、孔口防噴裝置以及高壓旋轉接頭，同時結合井下水力化作業遠程監測和控制。針對中興煤礦2號煤層、4+5號煤層實際情況，對關鍵部件進行優化升級，包括螺旋輔助排渣高壓鉆桿、高壓旋轉接頭和旋轉水射流噴頭噴嘴等。

3)導向槽定向水力壓裂增透瓦斯抽采技術在山西中興煤礦進行了現場應用，結果表明采取增透作業鉆孔方法，平均瓦斯濃度和瓦斯抽采混合量顯著地提高到常規孔的2.75倍和1.81倍，說明采取導向槽定向水力壓裂措施的增透效果顯著。