劉 曉 藺海曉 張雙斌 馮文軍

(1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454003；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室 (中國礦業(yè)大學)，江蘇省徐州市，221116)

我國煤礦瓦斯災害嚴重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)，瓦斯抽采作為治理煤礦瓦斯災害的根本措施，其抽采效果與礦井的安全生產(chǎn)密切相關。抽采鉆孔成孔的優(yōu)良及抽采的有效性不僅受制于鉆孔最初施工的工藝過程，更取決煤巖體結構、力學性質及所受應力狀態(tài)。目前我國煤礦瓦斯抽采鉆孔尚處于重視生產(chǎn)不重視養(yǎng)護階段，花費較高成本施工完成鉆孔聯(lián)抽后即聽之任之，使其自動衰竭，缺乏有效地抽采鉆孔維護管理技術，造成了抽采鉆孔數(shù)目眾多、抽采瓦斯純量有限的尷尬局面。瓦斯抽采鉆孔施工難、維護不易、有效抽采時間短、抽采質量均不高成為困擾煤礦瓦斯治理的重要因素，但到目前為止尚未形成瓦斯抽采鉆孔修復技術與裝備，難以有效解決上述問題。本文從鉆孔失穩(wěn)受力分析及泥巖水化學作用等方面分析了鉆孔堵塌孔機理，提出了高壓水射流鉆孔修復技術，研發(fā)了瓦斯抽采鉆孔水力化作業(yè)機，通過在焦作煤業(yè)集團新河礦井試驗，形成了較為完整的瓦斯抽采鉆孔修復維護工藝，為相關工作提供一定借鑒。

1 抽采鉆孔堵塌孔機理

1.1 鉆孔受力失穩(wěn)

鉆孔失穩(wěn)與否主要取決于鉆孔施工完成之后煤體的卸載程度和圍巖的應力狀態(tài)等因素。

由于地質構造影響，煤體中存在的節(jié)理、裂隙等結構面在三向應力狀態(tài)時仍有較高的力學強度，但鉆孔施工完成后，鉆孔周邊煤體經(jīng)過大量卸載會產(chǎn)生應力降低區(qū)，尤其是在拉應力出現(xiàn)之后，結構面的力學性能迅速變差。距離鉆孔較遠處的煤體卸載量和變形量小、強度高；鉆孔周邊煤體應力釋放大、卸載量大、變形量也較大并伴隨有拉應力的出現(xiàn)，因此鉆孔周邊煤體的卸載變化規(guī)律其實就是煤體卸載本構關系的轉移，同時也是煤體裂隙擴展貫通、變形模量降低和強度逐漸喪失的過程，最終表現(xiàn)為鉆孔的失穩(wěn)。

1.2 泥巖水化學作用鉆孔坍塌堵孔

我國絕大部分煤層的偽頂或直接頂為泥巖，在穿層鉆孔施工過程中，存在泥巖水化膨脹。其實質上是粘土礦物的水化膨脹。抽采鉆孔泥巖段水化膨脹的內在因素是由于在積水壓差與化學勢差的作用下，水分子會侵入到粘土礦物微裂縫及顆粒之間的宏觀孔隙，進一步進入到巖石亞微觀與微觀孔隙，發(fā)生表面水化和滲透水化。其外在影響因素很多，包括巖石壓實程度、溫度、孔隙流體種類、濃度、pH值、作用時間、水力壓差與化學勢差、巖石孔道結構與尺寸等。各種外因的疊加作用導致了水化膨脹研究的復雜性。

抽采鉆孔泥巖段水化前后的區(qū)別主要有粘土顆粒吸水產(chǎn)生水化應力，巖石內部應力重新分布，引起孔隙壓力變化；粘土顆粒水化膨脹，破壞巖石顆粒間原有膠結狀態(tài)，導致鉆孔圍巖強度降低及力學性能參數(shù)發(fā)生變化。由于泥巖較為致密，故當其粘土礦物遇水膨脹體積增大后，產(chǎn)生較大的變形；巖石本身的空隙有限，造成巖石內部產(chǎn)生較大的膨脹力，從而產(chǎn)生較大的塑性變形，使孔徑變小，鉆孔施工初期變形大，發(fā)展快，可能導致鉆孔嚴重變形，造成鉆孔的破壞失穩(wěn)，最終導致堵孔。

2 水射流破巖修復機理

巖體的破壞形式主要是在拉應力作用下的脆性破壞，巖石在射流的沖擊下在打擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應力，打擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應力。假設射流作用于物體表面，反射后速度大小不變，根據(jù)動量定理，可得到射流對物體表面的總打擊力:

式中:F——射流作用在物體上的打擊力，N；

ρ——流體密度，kg／m3；

q——射流體積流量，m3／s；

v——射流流速，m／s；

α——射流方向變化的角度。

產(chǎn)生的拉應力和剪應力超過了巖石的抗拉和抗剪極限強度，在巖石中形成裂隙，水射流進入裂隙空間，在水楔作用下，裂隙尖端產(chǎn)生拉應力集中，使裂隙迅速擴展延伸，致使巖石破碎。另外，流體滲入微小裂隙、細小通道、細小孔隙及其它缺陷處，降低了巖體強度，有效地參與了巖體的失效過程。同時，在巖體內部造成了瞬時的強大壓力，使微粒從大塊巖體上破裂出來。由于所有的煤巖體都是從不同程度的微觀裂紋開始破壞的，這些微觀裂紋對巖體的強度和失效的特性有明顯的影響。在射流連續(xù)不斷地打擊作用下，巖體內部以及延伸到表面的裂紋數(shù)量會逐漸增加，這些裂紋的生成與擴展，最終導致巖體局部的破壞，實現(xiàn)對巖體的破碎。

使用高壓水射流對抽采鉆孔進行修復的實質是將堵塌孔的煤巖屑排出孔外，保證孔的暢通；對鉆孔進行一定程度的擴孔，使鉆孔失穩(wěn)閉合鉆孔時間延長，同時有一定的卸壓作用，有利于抽采。

3 抽采鉆孔修復技術

3.1 修復裝備

瓦斯抽采鉆孔修復設備使用自主研制的抽采鉆孔水力作業(yè)機，其采用連續(xù)油管輸送高壓水，連續(xù)油管直徑為16mm，與鉆孔直徑 (75～120mm)差值較大，保證了堵塌鉆孔的煤巖粉能夠從環(huán)空排出；長度可調至150m，以適應不同深度鉆孔需求，在實施過程中，無需人工接管，可連續(xù)深入至鉆孔內任意位置。瓦斯抽采孔水力作業(yè)機可通過遠程控制調節(jié)噴嘴在孔內的位置、射流壓力、射流排量，使抽采鉆孔修復效率最大化，同時，也能夠起到?jīng)_刷孔的作用，形成空腔，使煤體卸壓，提高抽采效率，其最高壓力為45MPa，流量200L／min。

3.2 抽采鉆孔修復流程

(1)對已有抽采鉆孔進行瓦斯抽采流量和濃度計量，在考慮抽采鉆孔衰減及區(qū)域瓦斯含量的基礎上，單孔抽采純量降至最初成孔后抽采的1／5認為鉆孔塌堵，在有條件情況下，可以進行鉆孔窺視或探測，觀察鉆孔形貌，判斷其是否塌堵。

(2)使用瓦斯抽采鉆孔水力作業(yè)機進行全孔段水力噴射清洗修復，將塌堵煤巖渣排出孔外，保障孔內暢通。同時，可對鉆孔封孔段以里進行擴孔，延緩鉆孔因失穩(wěn)而閉合的時間，增大了鉆孔周邊煤層透氣性，提高了抽采效率。

(3)修復完成后可對其進行評價，如單孔抽采量提高1倍以上或窺視順暢則認為修復成功。進入聯(lián)抽階段。

(4)修復不成功的重復 (1)～ (3)。

3.3 瓦斯抽采模式

圖1 基于瓦斯抽采鉆孔修復的瓦斯抽采模式

在使用抽采鉆孔水力作業(yè)機進行抽采鉆孔修復時，曾出現(xiàn)擊碎已有抽采管的問題，導致鉆孔排渣不暢，影響了修復效率。為保障抽采鉆孔的有效抽采，提出瓦斯抽采模式，如圖1所示。低滲煤層進行水力壓裂、水力割縫或水力沖孔等強化工藝后，封孔的嚴密程度對瓦斯抽采影響并不大，抽采負壓僅起到導流作用。因此對高滲煤層及改造之后的低滲煤層提出了臨時封孔、低負壓抽采、循環(huán)修復抽采模式，改變了以往密集鉆、嚴封孔、高負壓的抽采模式。

4 工程實例

4.1 抽采概況

新河煤礦為在建突出礦井，瓦斯含量為1.47～26.22m3／t，平均15.43m3／t。主采二1煤層，煤 層 埋 深 410.00～780.00m， 煤 厚 4.33～8.10m，平均厚度6.08m。二1煤層直接頂板為泥巖、砂質泥巖，間接頂板為細、中粒砂巖 (大占砂巖)，底板為灰黑色泥巖、砂質泥巖。為掩護煤巷掘進，新河礦采用頂板抽采巷穿層鉆孔掩護煤巷掘進技術。對新河煤礦12091下頂抽采巷18個鉆孔進行探測，探測結果圖2所示。

圖2 抽采鉆孔堵塌孔實測

抽采鉆孔成孔后的12～54d內，均發(fā)生了堵 塌孔情況，塌孔程度為0.10～1.47m／d，鉆孔的塌堵程度并不與時間成比例增長，更大程度上決定于煤層巖層賦存及成孔條件，具體關系需進一步研究。有的鉆孔甚至整個抽采煤段密封嚴實 (如3＃、4＃、5＃、8＃、12?？?，堵塞后抽采鉆孔孔口濃度在0.2%～6.7%之間，抽采純量幾近為0，已滿足不了抽采需求。

4.2 修復效果

通過遠程操作將瓦斯抽采孔水力作業(yè)機的連續(xù)油管送至塌堵孔處，用30～40MPa壓力、200L／min射流流量對抽采鉆孔進行了分段連續(xù)沖洗，單孔出煤量平均為2～5t，保證了鉆孔的暢通。單孔修復時間約為4～6h。沖洗完成后，使用臨時封孔器進行抽采，在連續(xù)觀測的一個月時間內單孔抽采濃度為42%～87%，單孔抽采純量56～112 m3／d，相當于最初聯(lián)抽純量，個別鉆孔 (如1＃、8＃、9＃、14＃)較以前相比提高了2倍。

5 結論

(1)抽采鉆孔施工完成后，存在不同程度的塌堵孔，有必要對抽采鉆孔進行修復，以延長抽采鉆孔有效壽命，降低單孔抽采成本，提高抽采效率。

(2)分析了鉆孔失穩(wěn)的影響因素并探其機理，提出了高壓水射流進行抽采鉆孔修復的技術思路，配套采用了自主研發(fā)的抽采鉆孔水力作業(yè)機進行抽采鉆孔修復，現(xiàn)場應用證明是可行的。

(3)由于水會對煤層瓦斯解吸起到一定程度的抑制作用，有待于研究空氣或霧化水等為介質的抽采鉆孔修復技術。

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