文|三鱼锦鲤

编辑|三鱼锦鲤

«——【·前言·】——»

中国大部分地区煤层渗透率较低，地面煤层气勘探和井下瓦斯开采难度较大，中国是世界上最大的煤炭生产国之一，但其煤层气开采过程的效率较低，导致气体排放量远高于其他国家。2005年中国煤矿瓦斯排放量占世界瓦斯总排放量的41%。

中国也成为受煤矿瓦斯灾害影响最大的国家之一，随着开采深度的增加，煤层气的地应力和含量都在增加，但煤层渗透率下降，煤矿瓦斯的开采和瓦斯灾害的控制更加难以实现。 煤矿瓦斯是一种温室气体，在地下具有危险性。但通过提高煤层渗透性，提高瓦斯抽采利用效率，可将这类有害温室转化为清洁能源。

国内外学者对增加煤层渗透性进行了大量的研究，包括开采保护层、深孔*破爆**、薄亚层开采、高压瓦斯压裂、水力压裂、水力冲洗、水力扩孔、水力开槽等，水力冲洗、水力扩孔和水力开槽是利用水射流提高煤层透气性的有效手段。对于存在煤与瓦斯突出危险的煤层，水射流通常在底板巷道和跨层钻孔中使用，对于不存在煤与瓦斯突出危险的煤层，水射流也可以在煤层巷道或沿煤层钻孔中使用。

中国许多地区的煤矿都面临着煤与瓦斯突出的危险，为了避免煤与瓦斯突出，在底板岩层巷道和跨层钻孔中采用了水射流，对于有煤与瓦斯突出危险的软煤，通常采用液压冲洗。

水力冲刷通过在跨层钻孔中产生小规模的煤与瓦斯突出水射流，降低了地应力，提高了煤层的渗透性，水力压裂时，水力扩孔开槽更适合于一些较硬的煤层。目前水力扩孔开槽水流量小，在含油破碎煤层中难以实现排渣，大流量和介质压力更适合水力扩孔和排渣，从而提高水射流的工作效率。 本文研究探讨了煤层物性对水力扩孔钻孔及煤矿瓦斯抽放的影响。

«——【·液压扩孔试验·】——»

测试

赵庄煤矿是一座特大煤矿，煤矿设计生产能力为8mt /a，煤层为主要开采煤层，煤层厚度0 ~ 6.35 m，平均厚度4.69 m。从整体上看，赵庄煤矿煤层透气性差，瓦斯流动衰减快，瓦斯抽采难以实现，含气性区域差异明显。

3 #煤层第一盘含气量为6.99 ~ 12.73 m3/t，渗透率系数为0.21 ~ 0.46 m3/MPa2 d，原瓦斯压力为0.06 ~ 0.71 MPa，每100 m钻孔瓦斯流量为0.0005 ~ 0.0039 m3/minHm，钻孔气流衰减系数为0.14 ~ 0.39。两个地点被用来测试液压扩孔，1号试验场位于3煤层北翼回风巷道内，2号试验场位于13091底板岩巷内。从3 #煤层3个不同亚层取煤样，测定了煤样的物性参数。1号试验场煤层较为完整，2号试验场煤层破碎。

设备准备

液压扩孔系统对液压钻头扩孔效果影响很大，液压扩孔系统包括钻机、密封钻杆、钻头、高压泵、油箱、密封旋转接头、高压控制阀、高压喷嘴、预防装置、气水分离装置。

(1)试验用钻机试验用钻机型号为ZDY-4200LPS，是煤矿常用钻机，调速范围宽，扭矩大，满足钻井和液压扩孔的要求。钻杆直径为73 mm，钻头直径为133 mm，与钻机相匹配。

(2) 高压水管高压水管与压力泵、密封旋转接头、密封钻杆连接。它是长距离高压水运的重要组成部分，高压水管由橡胶和钢丝制成，额定压力为40mpa，与压力泵连接的高压水管外径为38mm，高压水管外径为38mm连接的密封旋转接头为25mm。连接水管、压力泵和旋转接头采用快速接头和u型斜键。

(3)密封钻杆对密封钻杆的结构进行了优化，提高了密封钻杆的强度和密封性。对于密封，在锥形接头中添加平行截面，并在接头内壁嵌入橡胶圈，钻杆采用带螺纹的锥形接头连接，密封采用平行段，密封采用橡胶圈。 与普通密封钻杆相比，这种类型的密封钻杆具有更大的连接强度，更好的密封性，更长的使用寿命。

(3) 射流装置射流装置是液压扩孔系统的关键部件。它在很大程度上影响了钻孔内水力剥落和结渣的效果，在试验过程中，通过在喷射装置的后部增加两个或三个喷嘴来加强煤渣的排出，对喷射装置进行了改进。钻杆与钻头采用带螺纹的锥形接头连接，平行段采用密封，橡胶圈采用密封，喷嘴采用排渣，喷嘴用于将煤从钻孔壁上剥离。

喷嘴的数量和直径是根据排渣时的不同流量而设计的，当煤层结构一体化，煤的硬度较大时，水压力也较高，需要降低水流量，只使用用于从钻孔壁剥离煤的喷嘴。

(5)高压泵试验采用BRW400/37型乳化液泵作为高压泵。额定流量400l /min，额定压力37mpa。矩形水箱与乳化液泵相连，用于储水。罐体长2.45 m，宽1.45 m，高1.4 m，容积2.5 立方。

«——【·在第1号工地进行试验·】——»

工地位置

1号站点位于3煤层北翼回风巷道8号连接巷道附近100 m范围内。煤层厚度为5 ~ 6m，倾角为1 ~ 3°，回风巷道宽度5.5 m，高度4.334 m，最大通风量192m3 /s，回风巷道与煤层距离32 ~ 37 m。 回风巷道截面积大，通风气流大，且附近无障碍物，为试验提供了有利条件。

测试参数

在1号场地钻孔共钻孔10个，相邻钻孔间距为10m，倾角为60，方位角为0，钻孔直径133毫米。为获得合适的射流水压，对3号、4号、9号、1号和2号钻孔采用不同水压进行水力扩孔，对3号和4号钻孔分别采用10 MPa和15 MPa水压进行水力扩孔。

试验期间煤渣排出量约为0.2 t, 9号钻孔水压20 MPa水力扩孔，试验期间煤渣排出量约为0.8 t, 1号钻孔水压25 MPa水力扩孔，煤渣排出量约为0.8 t其余钻孔均采用水力扩孔，水压为30 MPa，每个钻孔试验时煤渣排放量不小于8 t。根据煤渣排出量和相应的水压，射流的适宜水压为25 ~ 30 MPa，煤渣粒度比较均匀，一般小于10 mm，试验过程中排渣比较容易实现。

瓦斯抽取数据

由于煤渣排出质量较大，采用1、2、5、6、7、8、10号钻孔对水力扩孔后瓦斯抽采效果进行了分析。水力扩眼后，0 ~ 40 d内瓦斯抽采流量可达10 ~ 100 m3/d，水力扩眼后40 ~ 58 d内，瓦斯抽采流量达到10 m3/d左右。在59 ~ 77 d内，水力扩眼后瓦斯抽采流量明显提高，达到50 ~ 125 m3/d。

在78 ~ 90 d内，瓦斯抽采流量明显减少，水力扩眼后为10 ~ 50 m3/d，水力扩孔后瓦斯抽采数据变化较大。

关联数据

由于3、4、9号钻孔水力扩孔所用水压过低，这些钻孔的排量很小，对瓦斯抽采几乎没有影响，以3、4、9号钻孔为参考，对比分析了1、2、5、6、7、8、10号钻孔液压扩孔后对瓦斯抽采的影响。经过水力扩孔后，瓦斯抽采流量变化较小，为10 ~ 100 m3/d。

效果分析

水力扩孔对瓦斯抽采有重要影响，射流水压和煤渣排出质量较小时，0 ~ 70 d内瓦斯抽采平均流量为10 ~ 12 m3/d，射流水压和煤渣排出质量较大时，0 ~ 70 d内瓦斯抽采平均流量为80 ~ 300 m3/d。

«——【·在第2号工地进行试验·】——»

(1)场地位置2号场地位于13091底板岩巷17号水坑20 m处。13091底板岩巷宽度为4 m，高度为2.8 m，试验部位采用局部通风机通风，13091底板岩巷与煤层的距离为7 m，煤层厚度5 ~ 6 m，倾角1 ~ 3?通风风量小，为二次试验提供了不利条件。

(2)试验参数在2号场地钻孔。共钻7个钻孔，相邻钻孔间距为10 m，倾角为60方位角为0，钻孔直径133毫米，其中5个钻孔作为液压扩孔钻孔，2个作为参考钻孔，射流水压为8 ~ 27 MPa，射流水流量为86 ~ 292 L/min，出水质量为3.5 ~ 11.5 t。煤渣粒度比较不均匀，有的达到50mm以上，试验过程中排渣比较难实现。

(3)利用1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5钻孔瓦斯抽采数据，分析水力扩孔后瓦斯抽采效果，水力扩孔后的瓦斯抽采平均流量约为10 m3/d。

(4)以未液压扩孔的#1309-6和#1309-7钻孔的相关数据为参考，进行对比分析1309-1号、1309-2号、1309-3号、1309-4号、1309-5号钻孔液压扩孔对瓦斯抽采的影响，采气平均流量为8 m3/d。

«——【·实验讨论·】——»

煤的物性对水力扩孔参数的影响

(1)对射流压力的影响在实验中，我们发现射流的流量和压力与煤的结构有着密切的关系，1号试验场所需射流压力为25 ~ 30 MPa，2号试验场所需射流压力为8 ~ 15 MPa。究其原因，主要是1号和2号试验点煤的牢固性系数相近，但抗剪强度差异较大，1号试验场煤结构相对完整，破坏程度较小，煤壁破碎、煤渣剥落难度较大。2号试验场煤体破碎，煤体结构破坏程度较高，容易发生煤体破碎，煤渣从煤壁剥落。

(2) 对排渣量的影响1号试验场水力扩孔后，排渣比较顺利，抽气效果较好，而2号试验场水力扩孔后，钻孔经常堵塞，水力扩孔时煤渣难以排出，抽气效果较差。通过对比测试过程中使用的压力和流量来分析结果，在试验设备相同的条件下，用于出料的流量与射流压力呈正相关关系。

当在试验现场使用大压力和大流量时，由于煤体结构完好，钻壁不易坍塌，出渣被射流切割成尺寸均匀的小煤渣，出渣容易实现。在2号试验场使用较大压力和流量时，由于煤体结构破碎，容易使钻壁坍塌，在钻孔内产生大量块状较大的煤渣，排渣困难。在2号试验场采用小压力、小流量时，由于煤体结构破碎，煤渣尺寸较大。排渣流量小、煤渣粒度大的情况下，排渣也难以实现。

为了进一步探索射流与排渣的关系，我们对射流进行了改进，在射流装置上增加了三个喷嘴，在相同的泵压力下，用于排出的流量大大增加。 我们采用2号试验场改进后的喷射装置进行了第二次试验。在本次试验中，对#1309-8和#1309-9钻孔进行了水力扩孔，液压扩孔长度分别为6和8 m，射流压力分别为6和8 MPa，流量分别为300和320 L/min，液压扩孔时间分别为2和1.5 h。

出渣容易实现，试验过程中未观察到堵塞现象，与2号试验场第一次试验相比，水力扩孔后瓦斯抽采流量明显增加。

通过以上数据分析，我们发现，在无堵塞条件下，同一部位水力扩孔后瓦斯抽采流量明显增加，在煤层结构破碎的情况下，水力扩孔时，当钻孔被堵塞时，大量的水进入钻孔周围的破碎煤层，阻碍了煤层中瓦斯的解吸和运移，从而降低了煤的渗透率和瓦斯抽采。

为了分析煤中水分的影响，在实验室中测定了不同含水率与煤样渗透率的关系，随着煤样含水率的增加，煤样的渗透性大大降低。

液压扩孔半径的影响

在1号和2号试验场测试了水力扩孔半径的影响，液压扩孔前的钻孔原始直径为133 mm，液压扩孔后的钻孔最终直径为1600 mm。钻孔垂直于煤层。

根据试验结果，我们发现水力扩孔半径对1号试验场的影响为2 ~ 3 m，对2号试验场的影响为3 ~ 4 m。试验结果表明，水力扩孔半径的影响不仅受水力扩孔后最终钻孔直径的影响，还受煤的物理性质，特别是煤的结构的影响，当煤体结构破碎且抗剪强度较小时，水力扩孔半径的影响较大。

«——【·结论·】——»

赵庄矿水力扩孔钻孔效果良好，可不同程度提高瓦斯抽采过程效率，钻孔水力扩孔所用的水射流压力主要取决于煤的结构。当煤层基本一体化时，水射流的临界压力较大。当煤层破裂时，水射流的临界压力较小，当煤体结构相对完整时，排矸相对容易实现，对瓦斯抽采的阻滞作用轻微，扩孔后瓦斯抽采明显增加。

煤体结构破碎时，排矸难以实现，对瓦斯抽放的阻断作用明显，扩孔后瓦斯抽放变化不大，煤结构破碎时，降低射流压力，提高射流流量，可显著提高扩孔效率，从而减少瓦斯抽采的阻塞，煤体结构破碎时，抗剪强度较小，水力扩孔半径的影响更大。

«——【· 参考文献 ·】——»

程玉萍。《中国煤矿瓦斯排放的环境影响及应对策略》。环境科学与技术，2011。

王峰。《井下长孔定向钻井技术在中国煤矿温室气体减排中的应用》。自然科学版，2012。

李德强。《煤矿保护煤层薄亚层地下水力开采》。岩石力学与工程学报，2014。

王磊。《中国煤矿瓦斯致命事故分析》。中国生物医学工程学报，2014。