抽采鉆孔囊袋式封孔與聯(lián)孔技術(shù)研究應(yīng)用

武德峰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司 山西 陽(yáng)泉 045000）

瓦斯抽采是降低煤層瓦斯涌出量、預(yù)防瓦斯積聚的重要技術(shù)手段。抽采期間鉆孔的封孔質(zhì)量關(guān)系著瓦斯抽放效果，若鉆孔不漏氣，可達(dá)到鉆孔抽采效率95%以上。但是由于鉆孔封孔技術(shù)相對(duì)落后，造成鉆孔封孔質(zhì)量差，瓦斯抽放過(guò)程中大量空氣進(jìn)入抽放管路中，降低了鉆孔瓦斯抽放效率，影響著采掘工作面安全穩(wěn)定生產(chǎn)。本文以新元礦3412工作面為例，研究提出在本煤層瓦斯抽采中采用囊袋式封孔技術(shù)及高壓管標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)孔工藝。

1 概述

山西新元煤炭有限責(zé)任公司位于陽(yáng)泉市壽陽(yáng)縣，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5.0Mt/a，井田內(nèi)可采煤層為3#、9#石炭系煤層，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為28m3/ t，絕對(duì)瓦斯涌出量為292m3/min，屬煤與瓦斯突出礦井。

3412工作面位于井田3#煤層四采區(qū)，工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1946m，傾向長(zhǎng)度為240m，煤層平均厚度為2.67m，由于3#煤層煤質(zhì)松軟裂隙不發(fā)育，煤層相對(duì)瓦斯涌出量為17.8m3/t，煤層瓦斯平均壓力為2.66MPa，堅(jiān)固系數(shù)為0.44，煤層透氣系數(shù)為4×10-4MD，衰減系數(shù)為0.6319d-1，煤層破壞類型為Ⅲ類且抽放瓦斯難度大。

3412工作面初采時(shí)對(duì)本煤層布置順層瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，鉆孔交錯(cuò)布置在進(jìn)回風(fēng)順槽內(nèi)，鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為110m，鉆孔間距為10m，采用聚氨酯進(jìn)行封孔。由于鉆孔施工后受工作面回采壓力影響，鉆孔附近裂隙發(fā)育，傳統(tǒng)的封孔技術(shù)不能滿足需要，導(dǎo)致鉆孔封孔后氣密性差，孔口負(fù)壓低。隨著回采壓力加大鉆孔出現(xiàn)蠕變及塌孔現(xiàn)象，鉆孔抽采效果差，單孔抽采濃度在8%～19%之間，本煤層無(wú)法起到預(yù)期抽采效果，威脅著工作面安全高效回采。

2 瓦斯抽采鉆孔封、聯(lián)孔設(shè)計(jì)研究

為了進(jìn)一步提高瓦斯鉆孔封孔氣密性，保證瓦斯抽放效果，新元礦通過(guò)技術(shù)研究，決定對(duì)工作面瓦斯抽放鉆孔采取囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿法進(jìn)行封孔，采取高壓管標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行聯(lián)孔。

2.1 囊袋式封孔技術(shù)原理

囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔技術(shù)，其原理主要是確定封孔長(zhǎng)度后在鉆孔裂隙發(fā)育區(qū)，利用注漿技術(shù)在囊袋注漿區(qū)域進(jìn)行高壓注漿，對(duì)周圍巖體裂隙進(jìn)行封堵，從而達(dá)到提高鉆孔周圍煤體穩(wěn)定性及致密性，保證鉆孔封孔效果的目的。

2.2 封孔參數(shù)確定

（1）鉆孔軸向應(yīng)力。3412進(jìn)回風(fēng)順槽掘進(jìn)后在其周圍煤體形成應(yīng)力帶，當(dāng)鉆孔順煤層鉆進(jìn)時(shí)會(huì)沿軸向依次產(chǎn)生卸壓破壞帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶。由于卸壓帶附近煤體相對(duì)破碎，且會(huì)產(chǎn)生大量的貫穿裂隙，若鉆孔在卸壓帶內(nèi)，在進(jìn)行瓦斯預(yù)抽時(shí)空氣經(jīng)卸壓帶的貫穿裂隙被抽入鉆孔，從而造成封孔漏氣導(dǎo)致瓦斯抽放濃度低，抽放效果差。

（2）鉆孔縱向應(yīng)力。鉆孔施工時(shí)受鉆機(jī)及鉆桿震動(dòng)影響，對(duì)鉆孔附近煤體造成擾動(dòng)破壞，沿鉆孔徑向不同深度形成不同的應(yīng)力區(qū)，依次為充分卸壓區(qū)、非充分卸壓區(qū)、卸壓擴(kuò)展區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，而且隨著擾動(dòng)破壞半徑的增加，煤體由鉆孔向深部破壞程度逐漸降低，且煤體裂隙發(fā)育程度也隨之降低。

（3）煤體卸壓區(qū)。鉆孔在施工過(guò)程中受煤體應(yīng)力變化影響，不同深度的煤體產(chǎn)生的鉆屑量不同，所以可通過(guò)對(duì)煤體施工試驗(yàn)鉆孔，根據(jù)不同深度內(nèi)鉆屑量合理判斷煤體卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶的分布區(qū)域，從而確定有效的封孔長(zhǎng)度。

（4）鉆孔封孔長(zhǎng)度。對(duì)3412工作面煤層共施工5個(gè)測(cè)試鉆孔，鉆孔直徑為45mm，在鉆孔施工期間密切觀察鉆進(jìn)壓力變化及記錄鉆孔煤屑量，通過(guò)對(duì)比分析可知，鉆孔鉆進(jìn)至10～16m范圍內(nèi)鉆屑量逐漸增加，當(dāng)鉆進(jìn)至15～16m時(shí)鉆屑量達(dá)到最大值，如圖1所示。由此可以判斷鉆孔在10～16m范圍內(nèi)處于應(yīng)力卸壓區(qū)，原始應(yīng)力區(qū)位于鉆孔16m以外區(qū)域，所以最終確定鉆孔封孔深度為18m，封孔長(zhǎng)度為9～18m。

圖1 煤層測(cè)試鉆孔鉆屑量與鉆孔深度變化關(guān)系示意圖

2.3 囊袋式封孔施工工藝

（1）鉆孔施工完后對(duì)鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔長(zhǎng)度為18m，擴(kuò)孔后直徑為120mm，擴(kuò)孔后及時(shí)安裝直徑為63mm、單管長(zhǎng)度為3.0m的PVC封孔管，共安裝6節(jié)，相鄰兩節(jié)封孔管通過(guò)絲扣進(jìn)行連接，如圖2所示。

圖2 囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔示意圖

（2）封孔管安裝后分別在鉆孔內(nèi)9.0m及16.5m處安裝PKJW-63型封孔器，確保對(duì)10～16m范圍內(nèi)卸壓區(qū)進(jìn)行有效封堵，形成環(huán)形空間。

（3）封孔器安裝后采用高壓注漿泵向環(huán)形空間注射安泰華封孔材料，注漿壓力不得低于2.0MPa，使得注漿液可以有效擴(kuò)展孔壁內(nèi)煤體裂隙，能夠及時(shí)對(duì)煤體孔隙及凸凹面進(jìn)行充填，同時(shí)在注漿壓力作用下深入煤體微裂隙內(nèi)與煤體顆粒凝固在一起，從而形成膨脹樹枝狀分布，實(shí)現(xiàn)全面封堵，如圖3所示。

圖3 囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔效果圖

2.4 高壓管標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)孔工藝

采用高壓管、不銹鋼快速接頭連接，10個(gè)孔為一組，100m為一個(gè)評(píng)價(jià)單元，每個(gè)鉆孔封孔管通過(guò)帶測(cè)嘴不銹鋼彎頭、球閥與聯(lián)孔管連接，每組鉆孔安裝導(dǎo)流管、放水器，實(shí)現(xiàn)單孔觀測(cè)、分組計(jì)量。聯(lián)孔結(jié)束后，通過(guò)測(cè)嘴，對(duì)單孔負(fù)壓、濃度進(jìn)行測(cè)定，保證單孔負(fù)壓達(dá)13kPa以上，對(duì)不達(dá)標(biāo)的進(jìn)行系統(tǒng)排查、整改。單孔負(fù)壓達(dá)標(biāo)前提下，測(cè)定單孔濃度，濃度不達(dá)30%，鉆孔進(jìn)尺不予結(jié)算。鉆孔施工完成，掛設(shè)單孔牌板，分組計(jì)量掛設(shè)分組計(jì)量牌板，如圖4所示。

圖4 本煤層瓦斯抽采鉆孔高壓管聯(lián)孔示意圖

3 囊袋式封孔與聯(lián)孔技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用效果

3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）根據(jù)不同區(qū)域煤層瓦斯賦存、瓦斯抽采規(guī)律，為工作面抽采鉆孔間距合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，解決鉆孔優(yōu)化布置問(wèn)題；

（2）采用囊袋式注漿方法、高壓標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)孔工藝及新型瓦斯抽采管路系統(tǒng)，不僅對(duì)鉆孔周圍煤體內(nèi)裂隙進(jìn)行充分填充，消除了鉆孔抽放時(shí)出現(xiàn)漏氣通道現(xiàn)象，同時(shí)能使鉆孔得到可靠的支護(hù)，提高瓦斯抽采系統(tǒng)氣密性，保證了抽采負(fù)壓，提高了瓦斯抽采效果。

3.2 應(yīng)用效果分析

3412工作面煤層瓦斯鉆孔采用囊袋式“兩堵一注”水泥砂漿法進(jìn)行封孔，以及高壓管標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)孔工藝及新型瓦斯抽采管路系統(tǒng)，大大提高瓦斯抽采系統(tǒng)氣密性，保證了抽采負(fù)壓，提高了瓦斯抽采效果，通過(guò)對(duì)后期鉆孔瓦斯抽采率檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，最高單孔濃度達(dá)95%，提高了68%，順槽瓦斯抽采管路濃度提高了59%，抽采純量提高了1.27m3/min，百米噸煤瓦斯含量抽采達(dá)標(biāo)所需用時(shí)減少了53d。

4 結(jié) 語(yǔ)

山西新元煤炭有限責(zé)任公司研究提出，對(duì)3412工作面煤層瓦斯抽放鉆孔采取囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔技術(shù)以及高壓管標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)孔工藝，實(shí)踐證明瓦斯抽放鉆孔采取新型封孔技術(shù)及聯(lián)孔工藝后，提高了鉆孔封孔效果和煤層瓦斯抽采率，對(duì)于提高煤層瓦斯抽放技術(shù)安全性和工作效率、降低生產(chǎn)成本具有現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。