煤层厚度/m6.0～11.5煤层倾角/(°)28～42普氏系数0.17破坏类型Ⅲ～Ⅳ瓦斯压力/MPa0.44～2.25瓦斯含量/(m3·t-1)6.9～13.5衰减系数/d-10.59～1.10透气性系数/(m2·MPa-2·d-1)0.61～2.67放散初速度38
随着煤矿开采规模的扩大和开采深度的增加，煤矿瓦斯治理难度大幅提升，瓦斯已成为制约煤矿企业高效发展的关键性难题。采用钻孔抽(排)放煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出、降低瓦斯涌出量及减少工作面风流瓦斯超限次数的主要措施[1]。大量的现场试验表明，大直径钻孔在提高瓦斯抽(排)效率方面有很大优势。但也存在着施钻诱导突出危险增加、垮孔严重、排渣困难、成孔长度短，以及钻机负荷几何倍数增大等技术问题。尤其是在穿层钻孔抽采中，煤孔段仅占整个钻孔的一小部分，也无法全部施工大直径钻孔[2]。有效控制岩孔段直径，增大煤孔段直径，已成为抽采提效的主流趋势，高压水射流钻扩一体化工艺在此基础上应运而生[3-4]。
近年来，高压水射流钻扩一体化工艺蓬勃发展，多矿区针对自身煤与瓦斯赋存情况，开展了相应的现场试验，形成了一系列的研究成果。观音山煤矿结合C5煤层瓦斯压力大、地质变化复杂、煤质松软、透气性差特性，也开展相应的试验研究，进而为矿井高效抽采提供了基础，同时也为同类矿井的增透方法研究提供了借鉴。
云南能投威信煤炭有限公司观音山煤矿位于昭通市威信县，属基建矿井，设计生产能力2.4 Mt/a，主采煤层为C5煤层，属于突出煤层，瓦斯压力大、地质变化复杂、煤质松软、透气性差。本次试验选定在观音山煤矿一井W1101工作面运输巷下部的104瓦斯抽采巷内。该井C5煤层基本参数如下：
煤层厚度/m6.0～11.5煤层倾角/(°)28～42普氏系数0.17破坏类型Ⅲ～Ⅳ瓦斯压力/MPa0.44～2.25瓦斯含量/(m3·t-1)6.9～13.5衰减系数/d-10.59～1.10透气性系数/(m2·MPa-2·d-1)0.61～2.67放散初速度38
高压水射流钻扩一体化是一种提高钻孔瓦斯抽采效率的技术，即在已施工的穿层钻孔中，利用钻机带动高压钻杆及扩孔钻头旋转，储水箱高压水通过高压胶管、高压旋转水尾、高压钻杆及扩孔钻高低压转换器上喷嘴对钻孔煤壁进行打击、切割或剥离。通过高压扩孔钻杆沿钻孔轴向方向运动形成对整个钻孔的径向连续扩孔，达到扩大钻孔直径、增加煤层暴露面积和钻孔径向卸压范围的目的，从而提高煤层的透气性和瓦斯抽采效果，进一步降低煤层瓦斯压力[5-7]。同时煤层润湿后，煤体弹性减少，煤体卸压、瓦斯放散初速度降低，以有利于防治煤与瓦斯突出。
射流对煤岩体材料的破坏作用主要体现在：①射流冲击力作用；②水楔作用；③射流产生的应力波作用；④气蚀破坏作用。射流的冲击力及产生的应力波起主要作用，贯穿扩孔全过程。水楔及气蚀作用则起到促进扩大加速破坏的作用[8-11]。
当射流和冲击面正交时，射流冲击平面后向下游折转，其折转程度随岩体破坏成凹陷的形状而发生变化。
当射流冲击岩体的压缩波传播到岩体的自由表面时，岩体所受到的应力从入射时的压缩应力变成全反射时的拉伸应力。当拉伸应力超过部分低强度岩体的拉伸强度时，则在相应位置发生拉伸破裂，形成裂隙。
高压水射流钻扩一体化装备主要包括：特制钻头、高压钻杆、高低压转换器、高压旋转水尾、高压胶管、高压水泵、水箱、高压闸阀、过滤装置、钻机、配套工具等。高压水射流扩孔的工艺过程包括：
1)连接好钻头、高低压转化器、钻杆，利用静压水正常钻进至要求深度。
2)钻杆的尾部用采用高压旋转水尾与高压管、高压水泵相连，然后开动水泵，高压水通过高压管、高压水钻杆到高低压转换器上，喷嘴在旋转的高压钻杆驱动下对钻孔的孔壁进行旋转切割。
3)当钻杆移动一定长度后，可暂停供水，增加或卸掉一根或几根钻杆，然后继续进行扩孔。直到扩孔段的长度达到设计要求时，关掉高压水，拔出高压钻杆钻头及高低压转换器。
1)钻孔布置。据本次研究目标，在104瓦斯抽采巷7—10号钻场范围内，总共涉及和施工3组钻孔进行对比试验。每组钻孔4列，每列钻孔9个，钻孔间距5 m，钻孔布置如图1所示。
2)钻孔施工。第1组(参数考察组)进行全部扩孔,其目的是考察出煤率、出煤量和时间的关系，分析扩孔大小及出煤量的关系。第2组(试验组)进行交叉间歇式扩孔，即第1列和第3列对1、3、5、7、9号钻孔进行扩孔，对第2列和第4列2、4、6、8号钻孔进行扩孔。第3组(对比组)只进行普通钻孔施工，不进行扩孔。
在第1组(参数考察组)中，选取第1、2列(总共18个孔)进行扩孔，对水压、出煤速率相关性进行研究。孔口水压测试范围为5～22 MPa，扩孔时间3 h，每15 min进行一次出煤量称量。
图1 高压水射流钻扩一体化扩孔现场试验钻孔布置
Fig.1 On-site drilling arrangement for integrated reaming of high-pressure water jet drilling and expansion
不同水压条件下，出煤量与时间关系如图2所示，分析可知：
1)出煤量、出煤速率与扩孔水压呈非线性正相关关系，水压越大，扩孔体积、初始出煤速率越大。
2)单孔出煤量与煤孔段长度成正比关系，单孔出煤量为0.25～1.61 t，平均约1.15 t。
3)水压在8 MPa以下时，3 h内不能充分排除孔内煤渣；水压在15 MPa以上时，出煤速率较大，但随着水压增大，垮孔、堵孔概率大幅度增加。
图2 5～22 MPa不同水压条件下出煤量与时间关系
Fig.2 Relationship between coal production quantity and time in 5～22 MPa
4)采用10～13 MPa扩孔时，在75 min后，钻孔出渣煤量趋于稳定。扩孔时间超过120 min后尽管仍有煤渣排除，但出煤速率大幅度减小。
5)正常出煤速率3.3～28.7 kg/min，当水压为10～15 MPa时，平均出煤速率约13.21 kg/min。
在观音山煤矿一井C5煤扩孔过程中，为保证扩孔效果及效率，同时考虑顶底板变形情况，建议优先采用10～13 MPa水压进行扩孔验证，扩孔时间约90 min。
4.2.1 扩孔效果
通过现场计量参数考察组1、试验组2中各钻孔扩孔冲出煤量体积，计算分析得出扩孔后煤段孔径。扩孔钻孔与不扩孔钻孔孔洞体积情况如图3所示，分析可知：
1)扩孔孔径与水压呈非线性正相关关系，但当水压大于15 MPa时，垮孔、塌孔概率将大幅度增加。
2)扩孔孔洞体积能达到常规钻孔的3～27倍，扩孔孔径能达到常规钻孔的1.41～5.19倍。
图3 单孔扩孔体积与煤孔段长度关系
Fig.3 Relationship between single hole reaming volume and length of coal hole section
3)破碎松软厚煤层中，扩孔一定时间后，孔洞会随着扩孔时间的增加继续缓慢增大，难以将孔内残渣全部冲净，但增加体积有限。
4.2.2 单孔浓度
所有钻孔施工完成后，采用“两堵一注”封孔工艺进行封孔、连抽。抽采一个班后，进行始抽浓度测定，每5日进行1次测定，试验组第3列与对比组第1列钻孔抽采浓度变化如图4所示。通过分析可知：
1)扩孔钻孔始抽浓度普遍高于普通钻孔，为普通钻孔的1.2～1.6倍。
2)扩孔钻孔抽采浓度衰减相对较小，抽采持续性明显优于普通钻孔。
图4 试验组第3列与对比组第1列抽采浓度随时间变化曲线
Fig.4 Drainage concentration change with time in third column of experiment group and the first column of contrast group
4.2.3 瓦斯抽采量
本次试验考察了试验组第4列与对比组第2列流量变化情况，其对比如图5所示。对比分析2组钻孔抽采量可知：
图5 扩孔及普通钻孔月度瓦斯抽采量对比
Fig.5 Monthly gas extraction volume between reaming group and ordinary group
1)普通钻孔月度抽采量为571～4 468 m3，平均2 323 m3，扩孔钻孔月度抽采量为2 276～9 761 m3，平均6 472 m3。
2)相同时间内，扩孔钻孔抽采量是普通钻孔的2.8倍(统计平均值)。
试验钻孔施工过程中，每组采集1个瓦斯含量测定煤样，抽采2个月后，再次测定残余瓦斯含量，对比分析试验组1(全扩孔)、试验组2(半扩孔)和对照组1可知：
1)2月抽采期内，瓦斯含量在普通钻孔中下降12.87%～19.93%，平均约17.04%；半扩孔中下降22.04%～28.15%，平均约25.37%，全扩孔中下降21.90%～33.52%，平均约28.43%。
2)相同抽采周期内，瓦斯含量下降率方面，全扩孔钻孔能达到普通钻孔的1.67倍，半扩孔钻孔能达到普通钻孔的1.49倍，全扩孔钻孔仅是半扩孔钻孔的1.12倍。
3)松软破碎煤体中，扩孔有效半径考察难度较大，尚无确定数据，目前情况下，从经济角度考虑，建议进行间隔性半扩孔增透。
1)高压水射流钻扩一体化工艺，在扩大孔洞体积、提高抽采浓度、增加抽采量、缩短抽采时间等方面，存在明显效果，能够大幅度提高矿井瓦斯治理效果及进度。
2)大倾角松软破碎厚煤层扩孔中，垮孔、塌孔概率明显增加，各项工艺参数需现场考察，观音山煤矿C5煤层中建议使用10～13 MPa的钻孔水压，扩孔时间90 min。
3)松软破碎煤体中，扩孔有效半径考察难度较大，试验条件下明显大于5 m，在瓦斯治理进度要求不是极度紧张的情况下，可采用间隔性半扩孔布置，以提高经济效益。
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