許彥鵬，楊萬里，栗海滔，武新文，王斌榮，張浩

（1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)和工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.山西長平煤業(yè)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(yù)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(shù)在煤礦中應(yīng)用廣泛［5-7］，但在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變的條件下，由于地應(yīng)力、瓦斯壓力和水力沖孔造穴等的擾動作用，常出現(xiàn)鉆孔坍塌和堵孔，導(dǎo)致瓦斯抽采護孔篩管下入深度淺［8-11］。鉆孔蠕變導(dǎo)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(xué)者對鉆孔的全孔下放篩管護孔技術(shù)開展了研究［12-13］，其工藝流程為從大通徑鉆桿內(nèi)通孔下入篩管提高護孔深度，該技術(shù)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(xiàn)塌孔，特別是受到水射流反復(fù)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(yù)定位置［14-15］，由于護孔深度淺，鉆孔塌孔導(dǎo)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(xué)者從鉆桿內(nèi)孔下放篩管實現(xiàn)全孔護孔，但該技術(shù)還無法實現(xiàn)沖孔后直接下放篩管，主要原因為現(xiàn)有水力沖孔器無法穿過篩管。因此，本文擬研發(fā)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(shù)

1.1 鉆沖護一體化護孔理論基礎(chǔ)

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(wěn)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(wěn)塌孔主要影響因素有地質(zhì)因素、瓦斯因素、水分因素和技術(shù)因素等。隨著卸壓增透技術(shù)發(fā)展，目前大多數(shù)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(chǎn)生軟化和泥化作用，這也是造成鉆孔失穩(wěn)的原因之一。

鉆孔失穩(wěn)由內(nèi)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(yīng)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(fù)多次破壞擾動，造成鉆孔穩(wěn)定性下降，因此，亟需研究穩(wěn)固鉆孔的護孔技術(shù)。

為簡化問題，假設(shè)孔周存在煤巖體產(chǎn)生的均質(zhì)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(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

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

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

針對成孔鉆孔，若對鉆孔采取一些支護措施，可使鉆孔內(nèi)壁形成預(yù)防鉆孔塌孔的內(nèi)壓，根據(jù)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(qū)大小受煤體堅固性系數(shù)和瓦斯壓力影響，煤體堅固性系數(shù)越低，瓦斯壓力越大，孔周煤體穩(wěn)定性越差，鉆孔塌孔的可能性和塌孔范圍也會越大。據(jù)此，提出如下增大鉆孔內(nèi)壓的護孔措施：提高鉆孔內(nèi)壁圍壓；提高孔壁的力學(xué)強度；進一步優(yōu)化鉆孔軌跡；提高鉆孔篩管下入深度。目前多數(shù)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(shù)（以下簡稱鉆沖護一體化技術(shù)），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(shù)

鉆沖護一體化技術(shù)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(shù)，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(tài)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(nèi)通孔作為篩管通道，篩管從鉆具內(nèi)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(cè)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(shù)關(guān)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(shù)的優(yōu)勢：護孔篩管下入深度不受鉆孔穩(wěn)定性影響，能實現(xiàn)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(shù)鉆機平臺上即可實現(xiàn)鉆沖護一體化技術(shù)施工。

1.3 技術(shù)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(fēng)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(jù)造穴效果隨時調(diào)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(shè)置為30～110 m，自30 m起，由外向內(nèi)每隔4 m設(shè)置1 m的造穴段，直至造穴結(jié)束，單個穴沖出煤量至少1 t，孔內(nèi)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(nèi)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(cè)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(nèi)，迅速封孔并接入瓦斯抽采系統(tǒng)，根據(jù)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(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 鉆沖護一體化技術(shù)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(fā)

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和開閉式芯體組成，通過調(diào)節(jié)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(xiàn)鉆沖護一體化施工，鉆沖護一體化裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉆沖護一體化裝置結(jié)構(gòu)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(fā)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(shù)

長平煤礦位于高平市西北約17 km處的寺莊鎮(zhèn)掘山村一帶，行政區(qū)劃屬高平市寺莊鎮(zhèn)管轄，面積約為43.5 km2，礦井生產(chǎn)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(wěn)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(shù)為0.3～0.8，透氣性系數(shù)為0.98～1.13 m2／（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.31～0.466 d-1。

為了對比鉆沖護一體化技術(shù)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(shù)鉆孔，C組（7～9號）為鉆沖護一體化技術(shù)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(nèi)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(dǎo)致塌孔卡鉆，因此將鉆沖孔段設(shè)置為孔內(nèi)30～110 m，每隔4 m設(shè)置長1 m的造穴段，單穴沖出煤量不少于1 m3，設(shè)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(shù)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(shù)不需要退出鉆具卸下高壓供水接頭，而是將鉆具的內(nèi)通孔作為直徑32 mm篩管下放通道，篩管從鉆具內(nèi)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(cè)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(tǒng)計表見表1。

表1 鉆孔施工情況統(tǒng)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(shù)據(jù)進行監(jiān)測統(tǒng)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(shù)單孔瓦斯抽采純量是原有水力沖孔技術(shù)的1.67倍。經(jīng)過10 d抽采考察后，鉆沖護一體化技術(shù)瓦斯抽采流量衰減相對較緩，原有沖孔技術(shù)鉆孔瓦斯抽采流量已經(jīng)衰減至0.1 m3／min以下。實施鉆沖護一體化技術(shù)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(shù)據(jù)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(shù)鉆孔瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于原有技術(shù)的，同時簡化施工工藝，可全孔下放護孔篩管，實現(xiàn)高效瓦斯抽采。

瓦斯抽采衰減系數(shù)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(shù)為

式中：β為瓦斯抽采流量衰減系數(shù)，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(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)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(shù)衰減。A組衰減系數(shù)β1為0.031，B組衰減系數(shù)β2為0.087，C組衰減系數(shù)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(shù)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(shù)能夠提高瓦斯抽采效果，降低瓦斯衰減速度。

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

不同工藝技術(shù)效果考察對比見表2。

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

3 結(jié) 論

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

（3）鉆沖護一體化技術(shù)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(shù)，實現(xiàn)了高效卸壓抽采。