高压水力冲孔技术在穿层钻孔中的应用

高压水力冲孔技术在穿层钻孔中的应用

汪峰荣

（安徽省淮河能源集团工程院平安瓦斯公司，安徽 淮南  232000）

摘要：为解决低透性煤层穿层钻孔抽采效果差、预抽时间长的难题，在四季春煤矿1166底抽巷采用高压水力冲孔技术进行増透试验。通过对水力冲孔钻孔和普通钻孔的抽采效果分析可知水力冲孔钻孔的抽采效果具有明显优势：普通钻孔平均抽采浓度39%，平均抽采纯量0.02 m3/min（标态）；水力冲孔影响区域普通钻孔平均抽采浓度50%，平均抽采纯量0.05 m3/min（标态）；水力冲孔钻孔抽采浓度平均61%，最大达到85%，平均抽采纯量0.09 m3/min（标态）。水力冲孔钻孔平均单孔日抽采量为129.6 m3，冲孔影响区域普通钻孔平均单孔日抽采量为72 m3，分别达到普通钻孔平均单孔日抽采量的4.5倍和2.5倍。表明在低透性煤层穿层孔中试验水力冲孔增透取得了良好效果。

关键词]  高压；水力冲孔；穿层钻孔；增透

0引言

随着煤矿开采深度的增加，煤层透气性越来越差，瓦斯抽采也越来越困难。在煤矿井下，突出危险随着开采深度的加深，显现得越来越严重。目前国内外都在大力研发煤层气抽采增透技术，主要技术手段包括保护层开采等煤层外卸压增透措施，爆破增透、水力增透等煤层内强化增透措施[1-2]。近年来，煤矿井下煤层水力措施增透的研究取得了很大进展，但由于各矿区煤层赋存条件、物理力学特性、应力环境等方面具有显著差异性，以至各矿区在使用水力增透技术时效果参差不齐[3-5]。

目前条带掩护煤巷掘进，一般都是在顶、底抽巷施工穿层钻孔，并对穿层钻孔进行高压水力冲孔等増透措施，以提高穿层钻孔抽采效果，但四季春煤矿以前未曾开展过水力冲孔增透措施，1166综采工作面是该矿重点接替面，为减少1166运输巷掘进工作面穿层钻孔预抽消突时间，提高掘进速度，拟在该面穿层钻孔中采用高压水力冲孔技术进行増透，提高预抽效果，确保工作面能按时接替，同时为在该矿乃至织金县内煤矿穿层钻孔中推广高压水力冲孔技术积累经验，以期为矿区深部开采安全生产提供技术保障，并为其它类似矿区提供参考。

1   试验地点概况

试验地点为1166底抽巷，按231°方位在距16煤底板垂距20m的岩层中掘进，内错1166运输巷10m，断面为矩形，净宽为3.3m，净高为2.6m，净断面为8.58m2。1166综采工作面走向长1100m，倾向长184m。1166回风巷利用1164运输巷扩修及沿空掘进，1166运输巷沿原始煤体掘进，水力冲孔钻孔在1166底抽巷内施工，对1166运输巷条带煤层进行增透，提高抽采效果，用于掩护1166运输巷掘进，水力冲孔区域煤层埋深约为475m，煤体坚固性系数为0.69，原始瓦斯含量为18.46m3/t，原始瓦斯压力为0.96MPa，煤层透气性系数0.0280096m2/（MPa2d），30天的有效抽采半径为1.7m。1166运输巷掘进工作面开口点位于1166瓦斯下山14号导向点，按231°方位沿16号煤层顶板掘进至设计位置，设计长度1100m，标高+1679m～+1706m。煤巷段断面为梯形，净宽为4.8m，净中高为2.8m，净断面为13.44m2，巷道支护方式采用锚杆+网片+锚索联合支护，施工工艺为综掘，计划日平均进尺6.48m。16号煤层平均厚度1.57m，煤层平均倾角13°，煤容重1.42t/m3，直接顶板为粉砂岩或细砂岩，较坚硬，直接底板为粉砂质泥岩或泥质粉砂岩。16号煤层与上覆14号煤层（均厚1.8m）层间距为33.5m，16号煤层与下伏20号煤层（均厚0.65m）层间距为27.5m。根据邻近工作面采掘资料分析该巷道预计可能揭露小断层，对生产影响不大。16号煤为不易自燃煤层，煤尘不具爆炸性。

1166运输巷与1166底抽巷的关系见图1、图2所示。

图1 1166运输巷与1166底抽巷的剖面图

图2 1166运输巷与1166底抽巷的平面图

2   试验设备参数及施工

钻孔施工采用西安煤科院ZDY10000L履带钻机，配套Ф73mm密封钻杆（山东祥德）、Ф113mm钻头及Ф153mm扩孔钻头。

钻孔冲孔选用天津市通洁高压泵制造有限公司BZW200/31.5煤层注水泵，配套山东祥德机电公司高压水辫、冲孔组件、平顶山铁福来装备制造股份有限公司冲孔组件，注水泵使用巷道清水作为冲孔介质，可调节压力范围为0～18MPa，公称流量215L/min。

此冲孔系统工作原理是通入低压水时从钻头前端出水，满足打钻要求，通入高压水时从冲孔组件两侧喷头高压射流进行冲孔作业。

冲孔流程：φ153mm钻头扩孔→安装防喷孔装置→打钻至成孔→自孔底向外对煤段进行冲孔→洗孔。

1166底抽巷第1-5组采用普通工艺施工穿层钻孔，第6组对3#、7#、10#钻孔进行水力冲孔，自2021年2月26日3#水力冲孔钻孔开始冲孔以来，累计冲孔3个钻孔，水力冲孔钻孔参数见下表1所示。

表1 水力冲孔钻孔施工情况

3试验效果分析

1166底抽巷第6组钻孔共施工3个水力冲孔钻孔，施工9个普通钻孔。所有钻孔安装孔板流量计进行抽采参数测定，另在第1组12个普通钻孔也安装了孔板流量计进行抽采参数测定，用来对比水力冲孔、水力冲孔影响区域普通钻孔、普通钻孔之间的抽采效果。

通过对水力冲孔钻孔、水力冲孔影响区域普通钻孔和普通钻孔的抽采效果分析对比，可以得出，普通钻孔平均抽采浓度39%，平均抽采纯量0.02m3/min（标态）；水力冲孔影响区域普通钻孔均抽采浓度50%，平均抽采纯量0.05m3/min（标态）；水力冲孔钻孔平均抽采浓度61%，平均抽采纯量0.09 m3/min（标态）。水力冲孔钻孔平均单孔日抽采量为129.6 m3，冲孔影响区域普通钻孔平均单孔日抽采量为72 m3，分别达到普通钻孔平均单孔日抽采量的4.5倍和2.5倍；水力冲孔钻孔及水力冲孔影响区域普通钻孔的平均抽采浓度分别为普通钻孔的1.6倍和1.3倍，水力冲孔钻孔的抽采效果具有明显优势。

4 问题及建议

4.1问题

（1）受停电、机械故障等因素影响，单班冲孔时间不能保证，冲孔作业不能连续进行，严重影响了冲孔工作效率。

（2）冲孔压力偏小，现场实际最大冲孔压力仅达到14MPa，冲孔效率不高。

（3）钻孔冲孔过程中，经常会出现孔内煤泥堵孔，容易诱发喷孔，造成瓦斯超限。

4.2建议

（1）冲孔不再按照返出清水为标准，每米冲孔返煤量达到2吨即换下一循环。

（2）固定冲孔人员，冲孔人员必须会处理简单高压泵的机械故障，施工人员须知高压泵的日常维护。

（3）改进冲孔组件，提高冲孔的压力，进而保证冲孔效率。

（4）如果经过合理组织，将故障率降低，同时协调好各方面工作，在穿层钻孔中采用高压水力冲孔技术増透，能够有效降低预抽时间，满足工作面预抽消突要求，为工作面的瓦斯治理提供有力保障。

（5）优化改进水力冲孔时的防喷装置，提高防喷效果，杜绝喷孔超限。

5 结论

通过四季春煤矿1166底抽巷穿层钻孔水力冲孔试验，可知水力冲孔钻孔的抽采效果具有明显优势：

（1）普通钻孔平均抽采浓度39%，平均抽采纯量0.02 m3/min（标态）；水力冲孔钻孔平均抽采浓度61%，最大达到85%，平均抽采纯量0.09 m3/min（标态）。

（2）水力冲孔钻孔平均单孔日抽采量为129.6 m3，冲孔影响区域内普通钻孔平均单孔日抽采量为72 m3，分别达到普通钻孔平均单孔日抽采量的4.5倍和2.5倍。

（3）施工水力冲孔的第6组穿层钻孔日抽采量为1036.8 m3（含冲孔影响区域内普通钻孔和水力冲孔钻孔），平均单孔日抽采量约为86.4m3，达到未施工水力冲孔的第1组穿层钻孔平均单孔日抽采量的3倍。

参考文献

[1]雷毅.松软煤层井下水力压裂致裂机理及应用研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2014.

[2]王志磊.低透气性煤层井下水力压裂技术研究[D].北京：中国矿业大学，2015.

[3]申伟鹏.煤矿水力冲孔射流的数值模拟与破煤机理研究[D].焦作：河南理工大学，2011.

[4]刘明举,孔留安,郝富昌,等.水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用[J]. 煤炭学报，2005，30（4）：451-454.

[5] 刘明举,任培良,刘彦伟,等.水力冲孔防突措施的破煤理论分析[J]. 河南理工大学学报(自然科学版)，2009，28(4)：142-145.

作者简介：汪峰荣（1978.8—），男，汉族，安徽淮南人；2000.7毕业于淮南工业学院（现安徽理工大学），矿井通风与安全专业，本科学历，高级工程师，现在安徽省淮河能源集团工程院平安瓦斯公司，主要从事煤矿瓦斯治理工作。