瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备.pdf

第 ４２ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ６ ２０１４ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１４ 瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备 苏现波１ꎬ刘 晓１ꎬ马保安２ꎬ裴 刚２ꎬ冯文军１ １􀆱 河南理工大学 能源科学与工程学院ꎬ河南 焦作 ４５４００３ꎻ２􀆱 河南宇建矿业技术有限公司ꎬ河南 焦作 ４５４００５ 摘 要针对瓦斯抽采钻孔易发生失稳堵孔导致抽采量严重衰减的问题ꎬ研发出瓦斯抽采孔水力作业 机ꎬ采用外径 １６ ｍｍ 连续可缠绕钢管ꎬ以高压水射流为核心ꎬ形成高压力、变流量、连续修复钻孔技术 体系ꎮ 利用瓦斯抽采孔水力作业机产生的高压水射流对瓦斯抽采钻孔进行冲孔解堵和水力喷射压裂 增透ꎬ从而达到了卸压和造缝双重增透的目的ꎬ使得已有的瓦斯抽采孔重复利用ꎬ避免施工新钻孔ꎮ 该技术在郑煤集团大平煤矿现场应用表明ꎬ钻孔修复、增透后瓦斯抽采纯流量可提高 ８００％以上ꎮ 关键词瓦斯抽采ꎻ钻孔修复ꎻ高压水射流ꎻ瓦斯抽采孔水力作业机 中图分类号ＴＤ７１３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０６－００５８－０３ Ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｇａｓ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ＳＵ Ｘｉａｎ￣ｂｏ１ꎬＬＩＵ Ｘｉａｏ１ꎬＭＡ Ｂａｏ￣ａｎ２ꎬＰＥＩ Ｇａｎｇ２ꎬＦＥＮＧ Ｗｅｎ￣ｊｕｎ１ １.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４００３ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｈｅｎａｎ Ｙｕｊｉａｎ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬｉｍｉｔｅｄꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４００５ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｌｏｓｔ ａｎｄ ｊａｍｍｅｄ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｅａｓｉｌｙꎬａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｍꎬａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬ ｖａｒｉｅｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｒｅｐａｉｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ ａ １６ ｍｍ ｏｕｔｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗｒａｐｐｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ ａｓ ｃｏｒｅ.Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅ￣ ｈｏｌｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｊａｍ ｒｅｍｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｊｅｔ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ.Ｔｈｕｓ ａ ｄｏｕｂｌｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｇｏａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗａｓ ｒｅａｃｈｅｄꎬｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｓｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｎｅｗ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ.Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｄａｐｉｎｇ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｒｅｐａｉｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄꎬｔｈｅ ｐｕｒｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｏｖｅｒ ８００％. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｇａｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎꎻｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｅｐａｒａｔｉｏｎꎻｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔꎻｇａｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ 收稿日期２０１４－０３－２２ꎻ责任编辑赵 瑞 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０６.０１２ 基金项目国家自然科学基金青年科学基金资助项目４０９０２０４４ꎬ４１００２０４７ꎻ河南省教育厅科学技术研究重点资助项目１３Ａ４４０３２０ 作者简介苏现波１９６３ꎬ男ꎬ河南洛阳人ꎬ教授ꎮ Ｔｅｌ０３９１－３９８７９８１ꎬＥ－ｍａｉｌｓｕｘｉａｎｂｏ＠ ２６３􀆱 ｎｅｔ 引用格式苏现波ꎬ刘 晓ꎬ马保安ꎬ等.瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６５８－６０ꎬ３０. ＳＵ Ｘｉａｎ￣ｂｏꎬＬＩＵ ＸｉａｏꎬＭＡ Ｂａｏ￣ａｎꎬｅｔ ａｌ.Ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｇａｓ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２６５８－６０ꎬ３０. ０ 引 言 我国煤矿瓦斯灾害严重制约着矿井的安全高效 生产ꎬ瓦斯抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的根本措施ꎬ 其抽采效果与矿井的安全生产密切相关[１－２]ꎮ 钻孔 抽采瓦斯方式是指在煤层或岩层中施工平行或与煤 层有一定夹角的钻孔对煤层瓦斯进行抽采ꎮ 抽采钻 孔成孔及抽采的有效性不仅受制于钻孔最初的施工 工艺ꎬ更取决于煤岩体结构、力学性质及所受的应力 状态[３－６]ꎮ 同时煤层瓦斯抽采钻孔会发生钻孔失效 的延迟效应ꎬ即煤层瓦斯抽采钻孔随着瓦斯抽采的 进行ꎬ钻孔会发生颈缩、坍塌等失稳现象[７－１０]ꎮ 煤层 瓦斯钻孔失稳[１１－１３]是原煤层应力状态、煤层力学特 性及钻探施工等多因素综合作用的结果ꎮ 从产生机 理来说ꎬ钻孔失稳一方面是钻探工程破坏了地层中 原有的应力平衡ꎬ引起钻孔周围应力重新分布ꎬ从而 ８５ 苏现波等瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备２０１４ 年第 ６ 期 导致钻孔失稳ꎻ另一方面瓦斯抽采降低了钻孔周围 煤层瓦斯的孔隙压力ꎬ导致孔壁节理裂隙表面正应 力增加ꎬ当孔壁处节理裂隙瓦斯孔隙压力降低至某 一临界值时ꎬ近井壁节理裂隙从稳定状态转变为压 剪破坏ꎬ表现为颈缩、塌孔等瓦斯抽采钻孔的结构失 稳ꎮ 由于缺乏瓦斯抽采钻孔修复技术及装备ꎬ目前 我国煤矿成本较高的瓦斯抽采钻孔施工完成后ꎬ缺 乏有效的抽采钻孔维护管理技术ꎬ造成抽采钻孔数 目众多ꎬ抽采纯流量有限的局面ꎮ 笔者对焦作煤业 集团新河煤矿 １２０９１ 顶板抽采巷道 １８ 个下向孔进 行调查发现ꎬ钻孔施工完成１２５４ ｄ 后ꎬ均发生不同 程度的塌孔、堵孔现场ꎬ近 ２７􀆱 ８％的钻孔在钻孔见 煤点发生堵孔、塌孔ꎬ这些钻孔瓦斯抽采体积分数为 ０􀆱 ２％６􀆱 ７％ꎬ抽采纯流量几乎为零ꎮ 因此ꎬ笔者提 出了高压水射流抽采钻孔修复技术ꎬ研发出瓦斯抽 采钻孔水力作业机ꎮ 经过在郑州煤业集团大平煤矿 的试验ꎬ形成了较为完整的瓦斯抽采钻孔修复增透 工艺ꎬ为提高瓦斯抽采钻孔使用效率及抽采质量提 供一种新途径ꎮ １ 瓦斯抽采钻孔水力作业机 １􀆱 １ 作业机结构 瓦斯抽采钻孔水力作业机主要由作业机主机、 液压立柱框架、滚筒、输管器、液压泵站、清水泵站、 操纵台、监视系统、远程控制系统等部分组成ꎬ如图 １ 所示ꎮ １作业机主机ꎻ２摄像头ꎻ３双抗视频线ꎻ４远程控制台ꎻ５ 双联防爆按钮ꎻ６ＫＪＶ１２７ 矿用隔爆型监视器ꎻ７控制电缆ꎻ８ ＱＪＺ２３０ 启动器ꎻ９ＱＢＺ２２０ 启动器ꎻ１０、１１、１２电缆ꎻ１３ 液压站ꎻ１４、１５、２４高压油管ꎻ１６防爆电动机ꎻ１７清水泵ꎻ １８、２０、２２高压水管ꎻ１９水箱ꎻ２１现场操作执行台ꎻ ２３摄像头支架ꎻ２５、２６给油管 图 １ 瓦斯抽采钻孔水力作业机结构示意 为对瓦斯抽采钻孔进行修复ꎬ延长其有效寿命ꎬ 提高抽采效率ꎬ研制出瓦斯抽采钻孔水力作业机 以下简称作业机ꎬ作业机主机以高压水射流技术 为核心ꎬ采用外径 １６ ｍｍ 的连续可缠绕钢管ꎬ配备 不同功能喷头ꎬ可实现瓦斯抽采钻孔老孔修复、水力 冲孔、水力割缝及其他管路疏通清洗等功能ꎬ如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 瓦斯抽采钻孔水力作业机主机 １􀆱 ２ 作业机技术参数 作业机型号为 ＷＳＺ１６/４５－２００ꎬ其中ꎬＷ、Ｓ、Ｚ 分 别代表瓦斯抽采、水力、作业机ꎬ１６、４５ 分别为连接 管直径和工作压力ꎬ２００ 为工作排量ꎮ 作业机长 宽高为 ２ ３０５ ｍｍ１ ２００ ｍｍ１ ６８２ ｍｍꎬ最高压力 ４５ ＭＰａꎬ额定流量 ２００ Ｌ/ ｍｉｎꎬ回管拉力 １０ ｋＮꎬ回拉 速度 ６ ｍ/ ｍｉｎꎬ升降高度 ０２􀆱 ２８ ｍꎬ旋转角度 ３６０ꎬ 连续可缠绕钢管管径 １６ ｍｍꎮ 为方便现场操作ꎬ采 用液压远程控制作业机连续钢管进退、作业机升降ꎬ 并可以实现 ３６０旋转以适应不同倾角钻孔ꎮ １􀆱 ３ 作业机工作原理 作业机的工作原理如下将一条柔性可缠绕高 压钢管有序地缠绕在滚筒上ꎬ利用机械机构将钢管 的圆周运动转变为直线运动ꎬ实现向外连续送管ꎻ将 钢管的直线运动转变为圆周运动缠绕在滚筒上ꎬ实 现向里收管ꎮ 将喷头连接在钢管头部ꎬ将高压水通 过钢管传送至头部喷头上ꎬ形成高压水射流ꎬ对煤矿 井下瓦斯抽采钻孔实现水力强化作业或对其他孔道 清洗疏通ꎮ 整个过程采用液压控制钢管的进退和水 量ꎬ通过监控设备进行远程操作ꎬ确保施工安全ꎮ １􀆱 ４ 作业机优点 采用外径 １６ ｍｍ 连续可缠绕钢管ꎬ大幅增加了 环空面积ꎬ确保修复、冲孔过程中排渣顺畅ꎻ避免了 以往采用普通钻杆进行冲孔作业时不断接卸钻杆的 麻烦ꎬ减轻工人劳动的同时ꎬ提高工作效率ꎻ采用液 压控制管路进退和水量ꎬ通过远程监控施工过程ꎬ确 保施工安全ꎮ ２ 瓦斯抽采钻孔修复增透技术 ２􀆱 １ 瓦斯抽采钻孔修复增透流程 １测量并统计已有抽采钻孔瓦斯抽采纯流量 及浓度ꎬ在考虑抽采钻孔衰减及区域瓦斯地质条件 的基础上ꎬ将单孔瓦斯抽采纯流量降至钻孔最初抽 ９５ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 采纯流量的 １/５ 时不同矿井条件可按自己实际条 件确定指标ꎬ认为钻孔塌堵ꎬ在有条件时ꎬ可进行 钻孔窥视或探测ꎬ观察钻孔形貌ꎬ判断其是否塌堵ꎮ ２使用瓦斯抽采钻孔水力作业机进行全孔段 水力修复ꎬ包括①钻孔解堵ꎬ将塌堵煤岩渣排出孔 外ꎬ保障孔内畅通ꎻ②冲孔或割缝ꎬ采用特殊喷头进 行水力冲孔或割缝ꎬ扩大钻孔直径ꎬ实现出煤卸压增 透ꎮ ③清洗和排水ꎬ修复完成后清洗孔壁并切换压 风将孔内积水排出ꎮ ３修复完成后可对其进行评价ꎬ如单孔抽采纯 流量提高 １ 倍以上或窥视顺畅则认为修复成功ꎬ进 入联抽阶段ꎮ ４重复步骤 １３ꎬ直至抽采达标ꎮ ２􀆱 ２ 瓦斯抽采模式 瓦斯抽采钻孔修复增透是瓦斯抽采的必要环 节ꎬ为保障抽采钻孔的有效抽采ꎬ提出如图 ３ 所示的 瓦斯抽采模式ꎮ 图 ３ 基于瓦斯抽采钻孔修复的瓦斯抽采模式 提高煤矿瓦斯抽采效率的根本在于增强煤层渗 透率ꎬ负压对瓦斯抽采仅起到了导向作用ꎮ 因此ꎬ采 用水力压裂、水力割缝或水力冲孔等工艺对煤层强 化增透后ꎬ应重点维护钻孔的稳定ꎬ避免钻孔的塌 孔、堵孔ꎬ避免煤层裂缝的堵塞ꎬ封孔的严密程度对 瓦斯抽采影响并不大ꎮ 因此ꎬ建议采用“临时封孔、 合理负压、循环修复”的抽采模式ꎮ ３ 现场修复试验及瓦斯抽采效果分析 试验地点选在郑煤集团大平矿 ２１１８１ 底板抽采 巷ꎬ地面标高＋３０２􀆱 ５＋３３９􀆱 ２ ｍꎬ煤层倾角 １３ １８ꎬ平均倾角 １６ꎬ平均煤层厚度 ８􀆱 ７ ｍꎬ煤层瓦斯 原始含量 １０􀆱 ９８１３􀆱 ５０ ｍ３/ ｔꎬ瓦斯压力 ０􀆱 ６３１􀆱 ２３ ＭＰａꎮ 试验地质构造简单ꎬ断裂构造不发育ꎮ ２１１８１ 底板抽采巷共施工抽采钻孔 ６８ 个ꎬ２０１３ 年 １０ 月 ２９ 日至 １１ 月 ６ 日对抽采瓦斯体积分数在 ２０％以下的 ４１ 个钻孔进行修复ꎬ平均每班修复 ４ 个ꎮ 钻孔修复结束后依次进行水力增透ꎬ截至 １２ 月 ６ 日水力增透钻孔 １１ 个ꎬ平均每班水力增透 ２ 个ꎮ 钻孔修复前后瓦斯抽采数据变化曲线如图 ４ 所示ꎮ 图 ４ 钻孔修复前后瓦斯抽采数据变化曲线 从图 ４ 可知ꎬ在开始修复前ꎬ６８ 个钻孔日抽采 纯流量仅为 １４０ ｍ３/ ｄꎬ平均单孔日抽采纯流量 ２􀆱 １ ｍ３/ ｄꎻ老孔修复冲出部分煤粉后ꎬ抽采量逐渐提高ꎬ 在 １１ 月 ８ 日进行割缝前ꎬ提高到日抽采纯流量 ３６０ ｍ３/ ｄꎬ平均单孔日抽采纯流量 ５􀆱 ３ ｍ３/ ｄꎬ相比试验 前提高了 １５２％ꎻ进行水力割缝后ꎬ抽采量又得到大 幅提高ꎬ截至 １２ 月 ６ 日ꎬ日抽采纯流量提高到 １ ３３５􀆱 ７４ ｍ３/ ｄꎬ平均单孔日抽采纯流量 １９􀆱 ６ ｍ３/ ｄꎬ 相比试验前提高了 ８３５％ꎮ ４ 结 语 １瓦斯抽采钻孔水力作业机的成功研制ꎬ不仅 为瓦斯抽采钻孔的修复增透提供的装备支撑ꎬ延长 了瓦斯抽采钻孔的有效寿命ꎬ提高了钻孔抽采效率ꎬ 而且提高了煤矿瓦斯抽采管理和瓦斯抽采钻孔的施 工管理水平ꎮ ２建立的“临时封孔、合理负压抽采、循环修 复”技术ꎬ在大平煤矿进行了试验ꎬ结果表明瓦斯抽 采钻孔经过修复、增透后抽采纯流量得到大幅度提 高ꎬ避免重新施工钻孔ꎬ显著提高了抽采效率ꎮ ３以瓦斯抽采孔水力作业机为装备支撑的瓦 斯抽采孔修复增透技术的形成ꎬ使得长期以来瓦斯 抽采孔“生而不养”的局面得以彻底改变ꎬ将大幅度 降低瓦斯抽采成本ꎬ为目前的煤炭经济形势下企业 的可持续发展提供技术支撑ꎮ 参考文献 [１] 林柏泉.矿井瓦斯防治理论与技术[Ｍ].２ 版.徐州中国矿业大 学出版社ꎬ２０１０２５３－２５６. [２] 李全贵ꎬ翟 成ꎬ林柏泉.低透气性煤层水力压裂增透技术应用 [Ｊ].煤炭工程ꎬ２０１２１３１－３６. [３] 袁 亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[Ｍ].北京煤炭 工业出版社ꎬ２００４. 下转第 ３０ 页 ０６