“兩堵一注”式順層鉆孔封孔技術(shù)研究與應(yīng)用＊

桑 朋 楊 磊 韓 巍 盧惠召 劉 春

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000）

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害的根本措施，不 僅可以降低礦井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出，而且抽出的瓦斯還可變害為利，作為煤炭的伴生資源加以開發(fā)利用。封孔質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到瓦斯抽采效果的好壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約有65%的回采工作面預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，充分反映了抽采鉆孔封孔質(zhì)量差的現(xiàn)狀。

目前，我國(guó)煤礦井下常采用的封孔技術(shù)主要有機(jī)械注水泥砂漿封孔、封孔器封孔、高分子發(fā)泡材料封孔等。水泥砂漿封孔具有材料便宜、操作方便的優(yōu)勢(shì)，主要適用于傾斜鉆孔，對(duì)于近水平或緩傾斜煤層，在孔內(nèi)上部易形成月牙形孔隙，影響封孔質(zhì)量；封孔器封孔具有封孔速度快特點(diǎn)，但重復(fù)利用率低，對(duì)操作人員要求高，封孔質(zhì)量無法保證，總體效果較差，僅適用于臨時(shí)封孔；高分子發(fā)泡聚合材料封孔具有封孔時(shí)間短、發(fā)泡倍數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)的很多礦井都得到了應(yīng)用，但由于煤層鉆孔在地應(yīng)力及采掘干擾的情況下會(huì)發(fā)生變形和蠕變，發(fā)泡材料抗壓能力有限，不能形成有效地支護(hù)作用，導(dǎo)致封孔段鉆孔周圍在封孔之后持續(xù)的產(chǎn)生裂隙，當(dāng)這些裂隙與巷道松動(dòng)圈內(nèi)的微小裂隙貫通后，將形成后期漏氣通道，使瓦斯抽采濃度大幅度下降，有效抽采周期縮短。針對(duì)以上技術(shù)難題，課題組提出了 “兩堵一注”式順層鉆孔封孔新技術(shù)，該技術(shù)在平煤十礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

平煤十礦位于河南省平頂山市東北部，平頂山煤田東部。井田南北傾向長(zhǎng)2.0～4.7km，開采深度40～-800m，井田面積20.6158km2，礦井于1964 年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt／a，2008年核定生產(chǎn)能力為3.3 Mt／a。據(jù)煤礦資料顯示，該礦自1988 年發(fā)生第一次煤與瓦斯突出事故起，截至2009年2月共發(fā)生煤與瓦斯突出51次，其中在戊組煤層發(fā)生19 次，安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻。

試驗(yàn)地點(diǎn)戊8.9-20230工作面機(jī)巷位于十礦北翼戊組二水平東翼第六區(qū)段，東到采區(qū)邊界，西到二水平專回下山保護(hù)煤柱，南與已經(jīng)回采結(jié)束的戊9.10-20210工作面相鄰，北部尚未開采。采面所采煤層是戊8.9煤層，戊8煤層厚度0.8～1.0m，向下是戊8與戊9的夾矸，厚度1.0～2.4m，戊9煤層厚度在1.2～1.5 m，平均1.3 m，煤層傾角8°左右。煤層瓦斯含量13 m3／t，原始瓦斯壓力2.0 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)約0.1～0.5，煤層頂?shù)装逯旅懿煌笟狻?/p>

2 “兩堵一注”式順層鉆孔封孔技術(shù)原理及工藝

2.1 技術(shù)原理

開采煤層受到采掘活動(dòng)的影響，巷道周圍煤體在高應(yīng)力作用下發(fā)生破碎變形，在一定范圍內(nèi)會(huì)形成松動(dòng)圈，在松動(dòng)圈區(qū)域內(nèi)鉆孔周圍發(fā)育著微小裂隙，而抽采鉆孔在施工的過程中，鉆孔受到擾動(dòng)影響，破壞了原有的應(yīng)力平衡，鉆孔周圍會(huì)形成大量的裂隙，這些裂隙與松動(dòng)圈內(nèi)的微小裂隙貫通，構(gòu)成了鉆孔周邊的裂隙帶，成為鉆孔封堵后的漏風(fēng)通道。在聯(lián)網(wǎng)抽采一段時(shí)間后，由于受到地應(yīng)力和采掘干擾，鉆孔發(fā)生變形和蠕變，封孔段鉆孔周圍在封孔之后持續(xù)產(chǎn)生裂隙，形成后期的漏氣通道。因此，有效地封堵鉆孔周邊的裂隙帶是抽采瓦斯鉆孔封孔技術(shù)的關(guān)鍵。

“兩堵一注”式順層鉆孔封孔工藝?yán)镁郯滨ゾ哂辛己玫臐B透性、膨脹性和早強(qiáng)性的特點(diǎn)，可密封整個(gè)鉆孔空間。聚氨酯封孔段處于煤體原始應(yīng)力區(qū)，在該區(qū)段內(nèi)聚氨酯基本不承受煤體間剪切、擠壓應(yīng)力，克服了聚氨酯抗壓能力低、可壓縮量大的缺陷，在采前預(yù)抽階段不易發(fā)生擠壓破碎從而產(chǎn)生后期持續(xù)裂隙。聚氨酯可以在短時(shí)間內(nèi)支撐鉆孔、填充裂隙，具有一定的承壓能力，當(dāng)聚氨酯快速反應(yīng)后，提供了一個(gè)相對(duì)閉合的注漿空間。水泥漿液在一定的注漿壓力作用下，能夠充填、膠結(jié)和封閉破碎煤體之間的裂隙，恢復(fù)其整體性，可以劈裂、擴(kuò)展煤體內(nèi)的微小裂隙，充填孔隙和煤體凹凸面，增大漿液擴(kuò)散范圍，密實(shí)充填鉆孔周邊裂隙。漿體凝固后，對(duì)鉆孔產(chǎn)生支撐作用，使鉆孔得到可靠支護(hù)，增加鉆孔穩(wěn)定性，消除抽采后期裂隙通道的產(chǎn)生與發(fā)展。該工藝避免了單純的聚氨酯封孔工藝所帶來的封孔長(zhǎng)度、封孔深度受限，不能形成足夠的膨脹力，不能充分?jǐn)D入封孔段周圍鉆孔裂隙，以及抗壓能力低、支護(hù)作用差導(dǎo)致產(chǎn)生后期裂隙和漏氣通道的弊端，發(fā)揮水泥漿液在凝固后既充填鉆孔周邊裂隙、又主動(dòng)支護(hù)鉆孔的優(yōu)勢(shì)，在抽采階段不產(chǎn)生新漏氣通道，有效提高抽采濃度和純流量，延長(zhǎng)鉆孔有效抽采時(shí)間，提高瓦斯抽采率。

2.2 封孔工藝

“兩堵一注”式順層鉆孔封孔工藝先用聚氨酯快速構(gòu)筑抽采鉆孔封孔段注漿空間，待聚氨酯反應(yīng)完畢具有一定的強(qiáng)度后，再通過孔口預(yù)留注漿管注入水泥漿。該技術(shù)主要包括構(gòu)筑注漿空間和注漿兩個(gè)階段。

構(gòu)筑注漿空間原理如圖1所示，首先將引流管和抽采管固定在一起 （引流管的始端管口位置與抽采管的最后一處篩眼平齊），完畢后，再將一段長(zhǎng)度為2 m、寬0.75 m 的棉布的一側(cè)固定在其上（應(yīng)保證聚氨酯完全發(fā)泡后不會(huì)堵上引流管的兩端口，即引流管的最小長(zhǎng)度應(yīng)大于a段聚氨酯在鉆孔內(nèi)完全發(fā)泡后形成泡沫體的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度由地面模擬試驗(yàn)得出），鋪平，再在棉布上均勻涂抹一定量混合完全的聚氨酯A、B 料，迅速卷纏并固定完畢后，快速塞入鉆孔內(nèi)指定深度。上述過程完成后，再取一根長(zhǎng)度2.5 m 的注漿管，從距末端0.5 m位置開始綁上長(zhǎng)度為1m、寬0.75m 的棉布，鋪平，均勻涂抹混合好的聚氨酯A、B料，卷纏并固定完畢后迅速塞入鉆孔。

圖1 構(gòu)筑注漿空間原理圖

注漿原理如圖2 所示，在完成第一階段約15 min后，取普通硅酸鹽水泥按水灰比1∶1的比例混合，利用風(fēng)動(dòng)注漿泵，向預(yù)留注漿空間內(nèi)注入水泥漿液，待抽采管口處有水泥漿液連續(xù)流出時(shí)停止注漿，即完成封孔的第二階段。

圖2 注漿原理圖

該工藝?yán)瞄L(zhǎng)度相對(duì)較短的引流管與抽采管的組合構(gòu)成反漿系統(tǒng)，不設(shè)專用反漿管。當(dāng)水泥漿液在注漿壓力作用下充滿整個(gè)注漿空間及擴(kuò)散完全后，混合漿液通過引流管進(jìn)入封孔段上端，穿過篩眼后經(jīng)抽采管流出。

3 引流管長(zhǎng)度的確定

引流管的長(zhǎng)度應(yīng)滿足在聚氨酯完全反應(yīng)后，不堵塞其兩端的孔口。利用假設(shè)法驗(yàn)證一定長(zhǎng)度的引流管是否能夠滿足要求，即先假設(shè)引流管的長(zhǎng)度為一定值L1，聚氨酯完全反應(yīng)后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，顯然L1＞L2，根據(jù)假設(shè)和已知條件，計(jì)算出參加反應(yīng)的聚氨酯的量，驗(yàn)證在該定量情況下的實(shí)際反應(yīng)是否滿足L1＞L2。設(shè)L2為2 m，L1為2.5 m。在地面模擬聚氨酯封孔之前首先模擬鉆孔的具體情況，模擬鉆孔采用直徑為100 mm PVC 管內(nèi)壁粘附不同粒徑煤粒，再用另一根直徑為45mm PE管模擬抽采管，用毛巾布卷纏聚氨酯發(fā)泡模擬鉆孔中的發(fā)泡，試驗(yàn)流程與井下實(shí)際工藝流程相似。設(shè)定聚氨酯的發(fā)泡倍數(shù)為4倍，利用式 （1）計(jì)算出聚氨酯A、B料的混合體積。

式中：V——聚氨酯A、B料混合體積，m3；

D——鉆孔直徑，m；

d——抽采管直徑，m；

L——聚氨酯反應(yīng)完畢后在鉆孔內(nèi)的長(zhǎng)度，m。

代入已知數(shù)據(jù)，由式 （1）計(jì)算出聚氨酯A、B料混合體積為0.0029m3，約為3L。

試驗(yàn)時(shí)，分別準(zhǔn)備長(zhǎng)度為2.2mPVC管3根、長(zhǎng)度為2.5m PE 管3根、長(zhǎng)度2m 毛巾布3條、橡膠手套3 雙、計(jì)時(shí)器1 臺(tái)、卷尺1 把、量杯2個(gè)、玻璃棒和鋼鋸條1根。先把毛巾布鋪開攤平，取聚氨酯A、B料各1.5L，混合攪拌均勻后，迅速涂抹在毛巾布上，然后將其卷纏PE 管上，完畢后迅速插入PVC 管內(nèi)，重復(fù)試驗(yàn)3 次。經(jīng)過10 min后，聚氨酯完全反應(yīng)完畢，經(jīng)測(cè)量，聚氨酯完全反應(yīng)后L2分別為2.05m、2.15m、2.05m，均小于2.5 m。該試驗(yàn)驗(yàn)證了引流管的長(zhǎng)度L1取2.5m是合理的。

4 封孔深度的確定

封孔深度是影響鉆孔密封質(zhì)量的一個(gè)重要因素。沿煤層掘進(jìn)巷道后，巷道周圍煤體由外向里依次形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶 （簡(jiǎn)稱為巷道“三帶”）。在卸壓帶內(nèi)，煤層得到較充分的卸壓，同時(shí)會(huì)形成大量的貫穿裂隙，巷道內(nèi)的空氣經(jīng)卸壓帶的貫穿裂隙被抽入鉆孔，從而降低瓦斯抽放濃度和瓦斯抽放效果。由于煤體應(yīng)力的變化會(huì)造成不同深度煤體的鉆屑量變化，因此，采用向巷幫打鉆的方法，測(cè)定不同深度煤體的煤屑量S 值可以確定巷道卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶的分布深度，從而確定合理的鉆孔封孔深度。

在戊8.9-20230機(jī)巷掘進(jìn)頭后方每隔15 m 選擇6個(gè)地點(diǎn)，用煤電鉆垂直煤壁向巷幫施工直徑42mm 鉆孔，單孔深度18 m，鉆孔施工過程中，每鉆進(jìn)1.5 m 用彈簧秤測(cè)量一次鉆屑量，鉆孔鉆屑量隨鉆孔深度變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 鉆孔鉆屑量隨鉆孔深度變化關(guān)系圖

由圖3可以看出，鉆屑量在0～9m 處有遞增的趨勢(shì)，在10.5m 以后有遞減的趨勢(shì)，鉆屑量S在9～10.5 m 范圍內(nèi)取得極值，由此，原始應(yīng)力區(qū)為距巷幫10.5m 以外的區(qū)域。為了避開巷道松動(dòng)圈及應(yīng)力集中區(qū)范圍，并考慮到巷道擾動(dòng)裂隙影響冗余度，確定封孔深度為13m，其中聚氨酯 （a段）2m，水泥漿段10 m，聚氨酯 （b 段）1 m，各封孔段長(zhǎng)度如圖4所示。

圖4 各封孔段長(zhǎng)度示意圖

5 工業(yè)應(yīng)用及效果分析

十礦原有的封孔工藝是麻袋片卷纏聚氨酯藥液法，封孔深度5m，處在巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)，經(jīng)過20～30d 的抽采，單孔濃度迅速由封孔初期的40%～60%衰減到10%～20%，鉆孔有效抽采期較短，達(dá)不到抽采效果。后改用聚氨酯封孔袋封孔，兩袋1組，每隔2m 一組，共使用5組，封孔深度達(dá)到10m，雖然工藝得到了改進(jìn)，封孔深度提高，但該種工藝不能保證封孔段全段封孔，容易在長(zhǎng)期瓦斯抽采中造成鉆孔壁產(chǎn)生離層裂隙，與巷道松動(dòng)圈內(nèi)的裂隙貫通，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度較低。

試驗(yàn)區(qū)域共設(shè)計(jì)鉆孔20個(gè)，其中對(duì)照組原工藝孔10個(gè)，使用聚氨酯封孔袋封孔，試驗(yàn)組新工藝孔10個(gè)，每5 個(gè)一組，交叉封孔，即1＃～5＃（ⅰ組）、11?！?5＃（ⅲ組）為原工藝孔，6＃～10＃（ⅱ組）、16?！?0＃（ⅳ組）為新工藝孔，要求每組5個(gè)鉆孔封孔時(shí)間同步，考察參數(shù)同步，單孔孔口負(fù)壓不低于13kPa。封孔完畢后，每7d考察1次濃度和流量，每組內(nèi)取5個(gè)單孔濃度、流量的平均值作為該組孔的平均濃度和平均流量，累計(jì)連續(xù)觀測(cè)10周。兩種工藝鉆孔抽采瓦斯平均濃度、平均純流量對(duì)比分別如圖5和圖6所示，

圖5 不同工藝瓦斯平均濃度對(duì)比圖

圖6 不同工藝瓦斯平均純流量對(duì)比圖

由圖5可以看出，采用原工藝的ⅰ、ⅲ兩組鉆孔在抽采4周后，濃度降低到30%以下，在10周考察期內(nèi)平均濃度為23.8%，并隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，下降速度加快，高濃度持續(xù)周期短；采用“兩堵一注”新工藝的ⅱ、ⅳ兩組鉆孔在考察期10周內(nèi)濃度保持在40%以上，平均濃度為59.4%，濃度下降緩慢，高抽采濃度持續(xù)周期長(zhǎng)。由圖6可以看出，采用原工藝的ⅰ、ⅲ兩組鉆孔瓦斯純流量在0.016m3／min以下，在考察期10周內(nèi)的平均純流量為0.007 m3／min；采用 “兩堵一注”新工藝的ⅱ、ⅳ兩組鉆孔在考察期10周內(nèi)純流量保持在0.016m3／min以上，平均純流量為0.022m3／min。

6 結(jié)語

（1）基于巷道松動(dòng)圈原理與采動(dòng)工程應(yīng)力擾動(dòng)客觀存在，分析了鉆孔周邊裂隙通道的形成和漏風(fēng)機(jī)理，從根本上揭示了瓦斯抽采鉆孔后期濃度偏低的實(shí)質(zhì)。

（2）提出了 “兩堵一注”式 順層鉆孔封孔技術(shù)，有效地對(duì)鉆孔周邊裂隙通道進(jìn)行封堵，減少漏氣通道，保證瓦斯抽采系統(tǒng)的持久性。

（3）設(shè)計(jì)了較短引流管與抽采管的組合反漿系統(tǒng)，避免了一般的水泥封孔容易在鉆孔上部形成月牙形裂隙的局限性，同時(shí)節(jié)省了材料成本，簡(jiǎn)化了工藝。

（4）確定了合理封孔深度，通過試驗(yàn)表明，采用“兩堵一注”式順層鉆孔封孔新技術(shù)增加了鉆孔周圍煤體的強(qiáng)度，減少了鉆孔的漏風(fēng)量，提高瓦斯抽采濃度30% ～40%， 提高抽采純流量0.015m3／min，延長(zhǎng)抽采期2 個(gè)月以上，瓦斯抽采效果明顯提高。

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