潞寧煤業(yè)22117工作面順層鉆孔封孔質(zhì)量優(yōu)化

李午明

(山西潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司， 山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限公司現(xiàn)階段主采侏羅系大同組上部的2#煤，2#煤層結(jié)構(gòu)簡單，中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，煤層為Ⅱ級(jí)自燃煤層，煤塵具有爆炸性。該礦22117工作面地面標(biāo)高+1 466～+1 610 m，工作面標(biāo)高+1 037～+1 057 m，工作面井下位于井田二二區(qū)采區(qū)中下部，下部為二二采區(qū)22119工作面，上部為二二采區(qū)22115采空區(qū)，西北為2#煤層采區(qū)3條下山。22117工作面采用全風(fēng)壓“U型”通風(fēng)方式，煤層平均厚度為4.3 m，煤層傾角-4°，工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長度1 460 m(回風(fēng)下山中線—切眼里幫)，運(yùn)巷順槽設(shè)計(jì)長度1 498 m(開口位置中線—切眼里幫)。22117工作面原始瓦斯含量3.6 m3/t，2#煤層瓦斯最大可解析量為1.84 m3/t，工作面按日產(chǎn)8 000 t，預(yù)測22117工作面回采期間的瓦斯涌出量為10.2 m3/min. 22117工作面瓦斯治理方法為本煤層預(yù)抽、裂隙帶抽采及采空區(qū)埋管抽采的綜合技術(shù)，其中本煤層預(yù)抽采用順層鉆孔，該礦工作面順層瓦斯抽采鉆孔的封孔已進(jìn)行聚氨酯封孔、帶壓注漿封孔等多種工藝的實(shí)踐，22117工作面順層鉆孔采用無機(jī)磷酸鹽高鋁高強(qiáng)泥漿材料進(jìn)行封孔，封孔工藝為“兩堵一注”，但是實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)抽采的效果不理想。

2 22117工作面順層鉆孔抽采現(xiàn)狀

為了解潞寧煤礦22117工作面采用“兩堵一注”封孔工藝的封孔效果，采用重慶研究院研發(fā)的封孔質(zhì)量檢測裝置進(jìn)行測量[1]. 該裝置主要由封孔質(zhì)量檢測儀、瓦斯參數(shù)探測管、快接三通及打氣筒組成，其測量原理見圖1，該裝置能夠記錄單個(gè)抽采鉆孔內(nèi)抽采負(fù)壓、瓦斯?jié)舛鹊染唧w參數(shù)。

22117工作面順層鉆孔抽采負(fù)壓可在8.5～23.5 kPa調(diào)節(jié)，隨著抽采負(fù)壓的增大，順層鉆孔抽采瓦斯的濃度逐漸增大，當(dāng)抽采負(fù)壓為23.5 kPa時(shí)達(dá)極限，負(fù)壓繼續(xù)增大抽采濃度將急劇降低，鉆孔出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，抽采鉆孔失效。由此可知，造成22117工作面順層瓦斯抽采鉆孔抽采效果不理想的主要原因?yàn)榉饪仔Ч^差，造成順層鉆孔封孔質(zhì)量較差的可能因素包括封孔長度、封孔材料及封孔工藝等。為提高工作面順層鉆孔瓦斯抽采的效果，針對(duì)以上因素逐一進(jìn)行優(yōu)化。

3 順層鉆孔封孔長度優(yōu)化

井下巷硐開挖后，巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布，淺部圍巖應(yīng)力集中程度較高產(chǎn)生松動(dòng)圈，松動(dòng)圈內(nèi)的煤巖體裂隙發(fā)育，煤層內(nèi)的瓦斯通過該區(qū)域的裂隙向巷道內(nèi)滲透，順層瓦斯抽采鉆孔封孔時(shí)，要求封孔深度大于巷道圍巖的松動(dòng)圈[2-3]. 潞寧煤礦2#煤層煤質(zhì)松軟，順層鉆孔總長度為180 m，封孔深度為10 m，鉆孔成孔后孔壁易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)其最優(yōu)的封孔深度進(jìn)行研究。模型按該礦2#煤層22117回風(fēng)順槽的實(shí)際地質(zhì)情況建立，22117回風(fēng)順槽沿2#煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均厚度4.3 m，為近水平煤層，巷道斷面4.0 m×3.4 m，掘進(jìn)斷面13.6 m2，模型尺寸為50.0 m×10.0 m×35.0 m. 模型采取直角坐標(biāo)系，XOY為水平面，Z軸為垂直方向，取模型左下角作為模擬的坐標(biāo)原點(diǎn)。模型邊界條件為：水平邊界采用鉸支，底部采用固支，上部為上覆巖層荷載，根據(jù)22117回風(fēng)順槽對(duì)應(yīng)煤層埋深取最大值350 m，巖石容重取25 kN/m3，得出垂直應(yīng)力8.75 MPa，垂直應(yīng)力施加在模型上部邊界。

圖1 封孔質(zhì)量檢測裝置工作原理示意圖

該次模擬主要分析巷道圍巖應(yīng)力分布、塑性區(qū)范圍以確定合理封孔深度，模擬結(jié)果見圖2. 22117回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中，巷道圍巖應(yīng)力原始平衡狀態(tài)被破壞，圍巖發(fā)生位移變形，應(yīng)力重新分布，最大主應(yīng)力在巷道兩幫、頂板、底板都出現(xiàn)了明顯的卸壓區(qū)域。最大主應(yīng)力及塑性變形云圖見圖2. 從圖2可以看出，22117回風(fēng)順槽掘進(jìn)后，巷道兩幫塑性區(qū)域?yàn)?～11 m，頂、底板塑性區(qū)域?yàn)?～8 m.

通過上述分析可知，22117回風(fēng)順槽掘進(jìn)后，煤壁幫松動(dòng)裂隙發(fā)育8～11 m，22117工作面原有封孔段設(shè)計(jì)長度未超過塑性區(qū)的發(fā)育深度，因此設(shè)計(jì)順層瓦斯抽采鉆孔的封孔深度增大為12 m.

圖2 22117回風(fēng)順槽開挖數(shù)值計(jì)算云圖

4 速效布袋密封工藝設(shè)計(jì)

22117工作面順層瓦斯抽采鉆孔的封孔材料為無機(jī)磷酸鹽高鋁高強(qiáng)泥漿材料，現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該材料凝固后收縮性較強(qiáng)，易產(chǎn)生明顯的收縮裂縫，對(duì)鉆孔周邊裂隙的擠壓封堵能力不足，導(dǎo)致瓦斯泄漏量較多，需選用具有適當(dāng)膨脹性的新型封孔材料。新型封孔材料以普通硅酸鹽水泥為基料[4]，通過實(shí)驗(yàn)室研究確定添加劑鋁粉的質(zhì)量比0.56%，石膏質(zhì)量比2%，總的水灰比為3∶5. 22117工作面順層鉆孔封孔工藝為“兩堵一注”，為提高封孔效率和質(zhì)量，在原有封孔工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出速效布袋封孔工藝。速效布袋密封工藝主要由封孔布袋、注漿管、出漿管及爆破閥組成，順層鉆孔施工完畢后，首先安裝一根可與瓦斯抽采管對(duì)接的封孔管，封孔管的長度約為12 m，封孔管兩端分別安裝一個(gè)布袋，布袋與注漿管聯(lián)結(jié)的端口為預(yù)先縫制的注漿管口、抽采管口、出漿管口，之后采用鋼制卡箍將注漿管、封孔管和抽采管聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，通過瓦斯抽采管將整個(gè)封孔裝置推送至適當(dāng)位置，速效布袋密封原理圖見圖3. 注漿泵首先將新型注漿液注入封孔管兩端的布袋內(nèi)，兩個(gè)布袋充滿后，漿液壓力達(dá)到一定值爆破閥開啟，漿液注入到封孔管中間的區(qū)域，由于兩端布袋的封閉作用，中部的漿液壓力持續(xù)增大，逐漸向鉆孔周圍的裂隙中滲透，并起到對(duì)煤巖體內(nèi)裂隙擠壓封閉的作用。

5 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

試驗(yàn)位置為22117回風(fēng)順槽的順層抽采鉆孔，鉆孔d30 mm，長度為180 m，開孔位置距離底板1.3 m，共10個(gè)鉆孔，對(duì)鉆孔進(jìn)行編號(hào)，其中1#、3#、5#、7#、9#鉆孔采用新型封孔工藝，封孔長度為12 m，注漿壓力為0.8 MPa，其余鉆孔采用原有的封孔工藝，鉆孔布置見圖4. 為考察鉆孔的封孔效果，對(duì)各個(gè)鉆孔的抽采濃度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖5. 由圖5可知，原封孔工藝條件下，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛入S抽采時(shí)間的增大快速降低，抽采10天后，瓦斯?jié)舛绕毡榻档?0%以下，之后抽采瓦斯?jié)舛染∮?0%，封孔效果較差；采用速效布袋密封鉆孔后，瓦斯抽采濃度下降趨勢比較平穩(wěn)，前一個(gè)月內(nèi)瓦斯?jié)舛染笥?0%，抽采一個(gè)月后，瓦斯抽采濃度仍在25%以上，封孔效果較好。

圖3 速效布袋密封原理圖

圖4 鉆孔布置圖

圖5 新型封孔材料及工藝和原封孔工藝瓦斯抽采濃度對(duì)比圖

6 結(jié) 論

潞寧煤礦22117工作面順層瓦斯抽采鉆孔瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果表明，導(dǎo)致順層鉆孔瓦斯抽采效果不理想的原因?yàn)榉饪仔Ч^差。通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場調(diào)研得知，順層鉆孔封孔效果較差的主要原因?yàn)榉饪组L度、封孔材料及封孔工藝不合理，提出合理的封孔長度為12 m，確定出新型封孔材料的配比，并在原有“兩堵一注”封孔工藝的基礎(chǔ)上提出速效布袋封孔技術(shù)。22117回風(fēng)順槽現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)表明，采用速效布袋密封技術(shù)的密封性明顯優(yōu)于原有封孔工藝，該工藝能夠應(yīng)用于潞寧煤礦2#煤層工作面順層瓦斯抽采鉆孔的封堵。